CN103167691A - 一种led驱动电源及调光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED驱动电源及调光系统，其包括：交流输入整流滤波单元、反激变换单元、输出滤波单元、恒流输出单元、电压反馈采样单元、光耦隔离单元、STC89C51单片机控制模块、液晶显示模块、DS18B20测温模块、蜂鸣器报警模块、红外发送模块、红外接收模块、单片机的辅助电源模块。其优点是：高效率、成本低、控制方便、外围电路简单、实用性强。

Description

一种LED驱动电源及调光系统

技术领域

本发明涉及了一种LED驱动电源及调光系统，属于电子技术尤其是开关电源领域。

背景技术

LED是20世纪90年代发展起来的新一代冷光源，具有传统光源无可比拟的优势：例如转换效率高、发热量低(没有辐射)、耗电量小、寿命长达10万小时、反应速度快(可高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收，无污染)、体积小(多颗、多种组合)、易开发成薄短小产品，LED光源被称为继白炽灯、荧光灯和高强度气体灯之后的第四代光源。而且随着人们生活水平的提高和电子技术的发展，人们对照明系统的智能化要求越来越高。

由于LED是敏感的半导体器件，又有负温度特性，其驱动设计就变得非常复杂，不能像传统照明设备一样直接用交流市电供电。驱动器的性能直接关系到LED的光通量，还影响着整套灯具的光电转换效率，如果驱动器不合格，则LED的优势不能完全体现出来。可以说，驱动电源在整个灯具中的作用像心脏一样重要。另外它还影响着LED照明设备的寿命，而其高昂的成本，也制约着LED在普通照明领域的大规模应用，因此其结构与电控的整合是亟待解决的问题之一。

目前市面上LED调光的方式主要分为线性调光、可控硅调光、PWM调光三种方式。线性调光基于简单的分压原理，应用简单，效率低下；可控硅调光的工作原理是应用切向的原理，减少输出电压的有效值，以此降低普通负载的功率，不适合直接用于LED产品。PWM调光技术目前被认为是最有前景的LED调光技术，在进行脉冲宽度PWM调光时，需要提供一个额外的脉冲宽度调节信号源，通过改变输入的脉冲信号占空比来调节通过LED电流大小的目的，这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、精度好、调光效果好。

将单片机控制技术应用于开关电源中，使开关电源具有更强的可控性，比如遥控调光，既解决了黑暗中摸索墙壁开关的麻烦，又解决了房间重新布置时由于开关位置固定所带来的烦恼。由于红外线遥控具有体积小、功耗低、功能强、成本低的特点，已经是目前应用最广泛的一种通信和遥控手段。

发明内容

本发明主要针对普通LED驱动电源人机交互性差，数字智能化程度低，调光方式单一的缺点，设计一种节能、环保、便捷的LED驱动电源及调光系统；本发明所设计的LED驱动电源及调光系统，可进行人机交互操作，根据不同的环境或者要求设定不同的亮度；本发明所设计的LED驱动电源及调光系统，可以用红外遥控器控制单片机产生两组PWM对两个LED灯进行调光；本发明所设计的LED驱动电源及调光系统，反馈电路采用三端脱线式PWM开关，将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求；本发明所设计的LED驱动电源及调光系统，采用TL431CLP芯片提供精密参考电压，具有电压参考误差小、低动态输出阻抗、低输出噪声电压等特点；本发明所设计的LED驱动电源，采用MAX16822降压型恒流高亮度LED驱动器，输出电流由一个高边电流检测电阻设置，专用的PWM亮度调节输入可实现宽亮度范围的脉冲式LED亮度调节；本发明所设计的LED驱动电源及调光系统，除了一路主输出对LED灯供电以外，还有两路辅助输出回路，一路辅助输出回路对光耦供电，一路辅助输出回路对单片机供电；本发明所设计的LED调光系统，还具有液晶显示模块，可以对LED灯当前亮度、温度进行显示；本发明所设计的LED调光系统，还具有温度采样模块，超出警报值时通过蜂鸣器发出警报。

按照本发明所提供的技术方案，所述驱动电路的设计，主电路拓扑结构为反激式开关电源拓扑结构，电路包括：交流输入整流滤波单元、反激变换单元、输出滤波单元、恒流输出单元、电压反馈采样单元、线性光耦隔离单元、STC89C51单片机控制模块、DS18B20测温模块、蜂鸣器报警模块、液晶显示模块、红外输出模块、红外接收模块、单片机的辅助电源模块；所述交流输入整流滤波单元、反激变换单元依次连接与恒流输出端，恒流输出端中一路为LED供电，一路为光耦供电，一路为单片机控制模块供电；在LED主输出端通过分压网络对电压信号采样后输入到TL431CLP的参考端(Vref)来控制该器件从阴极到阳极的分流，这个电流又是直接驱动光耦U3的发光部分的，那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431CLP的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大，U2在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落；单片机上还有温度采集模块，温度采集模块将采集的温度信息通过单片机在LCD液晶屏幕上显示；通过手持遥控器式红外发射模块可以根据用户不同要求控制输出不同占空比的PWM可以分别对两个LED灯亮度进行控制，实现人机交互。

所述单片机模块采用STC89C51单片机，具有成本低，开发资源丰富，位寻址便捷等优点。而使用单片机来进行软件解码和输出PWM，大大提高了电路的灵活性，降低了成本，仅仅使用一两个按键就能实现对一个LED的开关和亮度调节，实用性很强。

所述测温模块采用DS18B20温度传感器，DS18B20采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，具有成本低，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点。当采集到的LED温度超过预设定的值时，和单片机连接的蜂鸣器发出警报，及时的提醒对电源部分进行维护检查，延长LED灯及其驱动电源的工作寿命以及减少由于LED灯损坏给人们的工作生活带来的不便。

所述人机交互模块采用手持遥控器式红外发射模块和LCD液晶屏幕，实现人与单片机之间的交互。

所述红外发射模块采用运用比较广泛，解码比较容易的uPD6121G芯片发射码格式的芯片组成发射电路，当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同，遥控编码也不同，单片机即可根据接收到的不同编码产生不同占空比的PWM来遥控LED。

所述红外接收模块采用一体化红外接收器，是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的信号的工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。

所述LED驱动电源及调光系统有三路输出，一路为两个并联的LED模块供电，一路为光耦供电，一路为单片机模块供电。

所述LED驱动电源及调光系统主电路部分采用TOPSwitch系列单片开关，大大简化了电路的设计，缩短了设计周期。

所述LED驱动电源及调光系统采用MAX16822降压型恒流LED驱动器，专用的脉宽调制(PWM)输入可以实现宽范围的脉冲式LED亮度调节，高边电流检测和内部电流设置电路减少了外部元件数量，并可提供±3％精度的平均输出电流，在负载瞬变和PWM亮度调节过程中，滞回控制算法保证了优异的输入电源抑制和快速响应性能。

所述LED驱动电源及调光系统可为两个并联的LED照明模块供电，分别通过单片机进行PWM控制。

本发明的有益效果是：

(1)所述一种LED驱动电源及调光系统，成本低，控制方便，外围电路简单，简单可靠。

(2)所述一种LED驱动电源及调光系统，采用单端反激式LED驱动电路，集成化芯片使电路转换效率高。

(3)所述一种LED驱动电源及调光系统，采用红外遥控LED，红外发射部分采用uPD6121G芯片发射码格式的芯片组成发射电路，所述红外接收模块采用一体化红外接收器，集红外线接收和放大于一体，人机交互简单方便，实用性强。

(4)所述一种LED驱动电源及调光系统，采用贴片式STC89C51单片机为控制核心，智能化程度高，其中温度检测模块实时监测LED温度，在LED异常状态情况下产生报警。

(5)所述一种LED驱动电源及调光系统，可根据个人要求对LED遥控调光，调光范围广，适用于多种场合。

附图说明

图1为LED驱动电源及调光系统整体结构框图。

图2为LED驱动电源及调光系统主电路。

图3为LED驱动电源及调光系统反馈回路电路图。

图4为贴片式主控芯片STC89C51最小系统图。

图5为液晶显示图。

图6为红外发射模块电路图。

图7为红外接收模块电路图。

图8为LED温度采样模块电路图。

图9为蜂鸣器报警模块电路图。

图10为红外遥控编码“0”和“1”示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明所述电路包括：交流输入整流滤波单元、反激变换单元、输出滤波单元、恒流输出单元、电压反馈采样单元、线性光耦隔离单元、STC89C51单片机控制模块、温度采样模块、蜂鸣器报警模块、液晶显示模块、红外发送模块、红外接收模块；所述交流输入整流滤波单元、反激变换单元依次连接于恒流输出单元；反激变换单元有3路输出，一路为+52V电压为LED供电电压，一路为+12V电压，一路为+5V电压为单片机模块供电；恒流输出单元有2个，分别驱动两路LED灯；在LED主输出端通过分压网络对电压信号进行采样后输入到TL431CLP的参考端(Vref)来控制该器件从阴极到阳极的分流，这个电流又是直接驱动光耦U2的发光部分的，那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431CLP的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。U2在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落，进而达到对电压的闭环控制实现稳压输出；而恒流输出单元采用采用MAX16822降压型恒流高亮度LED驱动器，输出电流由一个高边电流检测电阻设置，专用的PWM亮度调节输入可实现宽亮度范围的脉冲式LED亮度调节；液晶显示模块显示LED当前亮度和温度；红外发射模块采用手持遥控器发射红外编码给红外接收模块；红外接收模块接收到发射过来的红外编码进行放大和调制，并以外部中断的形式发送给单片机；单片机接收到不同的红外编码后通过软件解码后通过定时器1和定时器2产生对应占空比的PWM来控制两个LED灯。

如图2所示，主电路中，165V～265V交流电经过熔断器F1及压敏电阻RZ1、EMI单元(电磁干扰抑制单元)后接入单相整流桥。其中，EMI单元，包括CX2、L3以及CX1，L3由两个电感组成分别接在主输入回路的火线和零线上，单相整流桥后接滤波电容C7，电容C7一端接整流桥的一个输入端，另一端接整流桥的另外一端并接地(GND1)。电路经滤波后接线电压检测电阻R6，R6另一端接TOP246Y芯片的线电压检测引脚(L)。R6后面接RCD缓冲电路，其中RCD缓冲电路由R3、C3、D3、CY1组成，R3和C3并联后接到D3的阴极，D3的阳极接到TOP246Y芯片的漏极引脚(D)，CY1一端接变压器T1的1脚，一端接T1的8脚。RCD的上端即R3的上端接变压器T1的1脚。T1的4脚和5脚形成一路辅助绕组，T1的5脚经过D5、C13整流、滤波后输出一路+12V的电压。T1的副边有7、8、9、10四个引脚，其中7引脚和8引脚构成的绕组为主输出电路绕组为LED灯供电，输出+52V的电压。T1的7引脚与R1、C1、D2组成的并联网络串联，此网络由R1与C1串联后与D2并联组成，D2的阳极与T1的7引脚相连。D2的阴极接极性电容C4的正极，C4的负极接到T1的8脚。C4的正极接着串联一个电感L1，然后主输出电路中再并联一个极性电容C5和电容C6，其中C5的正极和L1另一端连接，C5的负极接地(GND2)。C6一端接到C5的正极，另一端接地(GND2)。变压器T1的9脚和10脚组成的绕组产生+5V电压为单片机供电。T1的9脚与D4的阳极串联后接到C10的正极，同时C10的负极和T1的10脚接到地(GND2)。C9的一端和DZ1接到一起后接到D4的阴极，同时DZ1的阳极和C9的另一端连接并接到地(GND2)。TOP246Y的外部流限引脚(X)接到电阻R13的一端，R13的另一端接地(GND1)。TOP246Y的频率引脚(F)和源极引脚(S)同时接地(GND1)。反馈信号接到TOP246Y的控制引脚(C)和由R11、C15、C16构成的并联网络，该并联网络由R11和C16串联后和C15并联而成，反馈信号接到R11的一端，R11另一端接到C16的正极，C16的负极和C15另一端一起接地(GND1)。主输出电路产生的+52V电压连接到检流电阻R2的一端，R2另一端接到第一个MAX16822(U1)的1号引脚，同时接到第一个LED的正端。+52V的电压接到D1的阴极，D1的阳极接到U1的5、6号引脚。U1的5、6号引脚还接到一个电感L2后连接到第一个LED的负端。+52V的电压接到U1的2号引脚。U1的2号引脚通过电容C8后连接到3、4号引脚，同时将3、4号引脚接地(GND2)。U1的7号引脚输入来自单片机的一组PWM。U1的8号引脚同时接到C2和R4的一端，C2和R4的另一端接地(GND2)。+52V的电压接到D6的负极和第二个MAX16822(U5)的2号引脚。D6的阳极接到U5的5、6号引脚。U5的5、6号引脚还接到一个电感L4连接到第二个LED的负端。主输出电路产生的+52V电压连接到检流电阻R9的一端，R9另一端接到U5的1号引脚，同时接到第二个LED的正端。U5的2号引脚通过电容C17后接到3、4号引脚，同时将3、4号引脚接地(GND2)。U5的7号引脚输入来自单片机的另一组PWM。U5的8号引脚同时接到C12、R12的一端，C12和R12的另一端接地(GND2)。

如图3所示，LED主输出反馈回路主要由TL431CLP、光耦PC817A及其附属电路组成。从主电路中取得+52V参考电压，经R8和R14分压后将R14上的电压送到TL431CLP的参考端。TL431CLP的参考端还接到电容C14的一端，C14另一端接到R10和C11的一端。R10和C11的另一端接到TL431CLP的阴极。TL431CLP的阳极接地(GND2)。TL431CLP的阴极还接到光电耦合器U3的发光二级管的阴极。从主电路C4阳极采样得到的+52V电压，经过电阻R5后接到光电耦合器U3的发光二级管的阳极。光电耦合器U3的发光二级管的阴极和阳极之间还接有电阻R7。U3的光敏晶体管集电极接在+12V电源上，发射极输出反馈信号。

如图4所示，STC89C51单片机的最小系统由电源部分、复位电路和晶振电路组成。其中5V的电源电路由主电路产生。复位电路5V的电源接到开关S2一端，开关S2另一端通过电阻R21后接地。电容C21的阳极同时接到单片机的4号引脚和5V电源。单片机的38号引脚接到5V电源。单片机的16、17号引脚接地(GND2)。单片机的14、15号引脚分别接到晶振Y1的两端，同时Y1两端还分别接到电容C21和C22的一端，C1和C2的另一端接地(GND2)，构成晶振模块。

如图5所示，STC89C51液晶显示电路主要由12864液晶及其附属电路组成。12864液晶的1、20号引脚接地(GND2)。2号引脚接5V电源和一个2KΩ滑动变阻器一端，滑动变阻器另一端接地(GND2)。3号引脚接滑动变阻器的滑片。4号引脚接单片机的11号引脚。5号引脚接单片机的12号引脚。6号引脚接单片机的10号引脚。12864液晶的7、8、9、10、11、12、13、14号引脚分别接单片机的37、36、35、34、33、32、31、30引脚。12864液晶的15号引脚接单片机的13号引脚。12864液晶的16、18号引脚悬空。12864液晶的17、19号引脚接5V电源。排阻P2的1号引脚接5V电源。P2的2、3、4、5、6、7、8、9分别接到单片机的37、36、35、34、33、32、31、30引脚。

如图6所示红外发射模块主要由uPD6121G芯片及其辅助电路组成手持遥控器形式。遥控器采用3V的纽扣电池供电，uPD6121G的VDD脚接3V电源，同时接到电容C18的正极，C18的负极接地。uPD6121G的OSCI引脚和OSCO引脚之间接晶振Y2，同时Y2两端分别接电容C19和C20后接地。uPD6121G的SEL引脚接到3V电源。uPD6121G的LMP引脚接到发光二极管的阴极，发光二极管的阳极接到电阻R18后接到3V电源。uPD6121G的VSS引脚接地。uPD6121G的REM引脚接到Q1的基极，Q1的集电极接到红外发光二级管的阴极，红外发光二级管的阳极接到3V电源，Q1的发射极接到R20一端，R20的另一端接地。uPD6121G的KI引脚和KI/O引脚组成4×8的矩阵键盘对应不同的编码。uPD6121G的CCS引脚接到D7和D8的阴极，D7和D8的阳极分别接到KI/O脚的0号脚和3号脚。KI/O脚的7号脚接到R19的一端，R19另一端接到3V电源。

如图7所示红外接收模块主要由1838一体化红外接收头及其辅助电路组成。1838的1号引脚接到单片机的8号引脚P3.2口，2号引脚接地(GND2)。5V电源接到R25一端，R2另一端接到C23的一端，同时接到1838的3号脚，C23的另一端接地(GND2)。

如图8所示温度采集模块主要由DS18B20及其辅助电路组成。DS18B20的1脚接地(GND2)，2脚和3脚之间接有电阻R22，DS18B20的3脚接5V电压，然后DS18B20的2脚接在单片机12号引脚P2.4口。

如图9所示蜂鸣器报警模块主要由蜂鸣器BZ1及其报警电路组成。单片机13号引脚P2.3口通过R23之后接到三极管Q5的基极。5V电压接到Q5的发射极，Q5的集电极接到BZ1一端，BZ1另一端通过R24后接地(GND2)。

如图10所示红外发射模块的遥控编码的“0”和“1”。红外发射模块包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器。我们选用比较广泛，解码比较容易的uPD6121G芯片组成发射电路，当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同，遥控编码也不同，这种遥控码采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。

Claims (10)

1.一种LED驱动电源及调光系统，其特征包括：交流输入整流滤波单元、反激变换单元、输出滤波单元、恒流输出单元、电压反馈采样单元、光耦隔离单元、STC89C51单片机控制模块、液晶显示模块、DS18B20测温模块、蜂鸣器报警模块、红外发送模块、红外接收模块、单片机的辅助电源模块；交流输入电压经过整流滤波单元整流滤波之后，连接到反激变换单元，反激变换单元产生+12V、+5V、+52V电压，产生的+52V电压经过LC滤波后，接到恒流输出单元，恒流输出单元的恒流源负载两个LED灯；在LED电源主输出端经过分压网络对电压信号进行采样后输入到反馈采样单元的参考端(Vref)控制该器件从阴极到阳极的分流，这个电流又是直接驱动光耦隔离单元的发光部分的，那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431CLP的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大，TOP246Y在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落；红外发射模块用来产生固定编码的信号给红外接收模块，STC89C51单片机控制模块对红外接收模块接收到的信息进行解码，根据红外发射模块发送的不同编码，单片机通过内部的两个定时器产生两组占空比可调的PWM波发送到恒流输出模块来调节LED的亮度；温度采样模块采用DS18B20对LED温度采样，超出警报值则报警；液晶显示模块用来显示两个LED灯亮度和温度。

2.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述反激变换单元采用单端反激式开关电源电路，电路简单效率高，适合要求多组直流电压输出的电源，即由单个输入电源使用同一磁路有效地提供多组直流稳定电压。

3.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述稳压模块采用TOP246Y芯片构成稳压电路，它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件，由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就改善了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。

4.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述电压反馈模块采用TL431CLP直接驱动光耦U2的发光部分。那么当输出电压有变大趋势时，TL431CLP参考端(Vref)电压随之增大导致流过TL431CLP的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大，稳压模块U2在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落。

5.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述恒流输出单元采用MAX16822芯片组成恒流驱动电路，MAX16822是降压型恒流高亮度LED驱动器，输出电流由一个高边电流检测电阻设置，专用的PWM亮度调节输入可实现宽亮度范围的脉冲式LED亮度调节，通过在DIM引脚输入PWM信号实现LED亮度调节，低于0.6V逻辑电平的DIM输入将MAX16822的输出强制拉低，从而关闭LED电流，若须打开LED电流，DIM上的逻辑电平必须高于2.8V。

6.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述单片机控制模块采用STC89C51单片机产生PWM对LED亮度调节，使用单片机进行软件解码和输出PWM具有低复杂度、低成本、控制简单的特点。

7.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述红外发射模块采用红外遥控器控制PWM的占空比调节LED亮度，红外遥控便于小型化、成本低、编码调制方法简单、功耗低、不易引起信号串扰，所述的系统采用红外遥控方式，结合LED光源，并且可以在一定范围内任意调节亮度，既方便又节能。

8.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述单片机控制模块采用STC89C51单片机的定时器1和定时器2产生两组占空比可调的PWM，分别控制两个LED灯，控制方便，简单可靠。

9.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述人机交互模块包括液晶显示模块和遥控器模块，实现人与单片机之间的交流。

10.如权利要求1所述一种LED驱动电源及调光系统，其特征在于：所述温度采样模块对LED的温度进行采样，若超过了警报值，则蜂鸣器发出警报。

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