LED作為第三代照明光源， 具有工作電壓低， 耗電量小， 發光效率高、壽命長等優點。LED 是一個非線性器件， 當LED 導通時， 只要LED 上的電壓發生微小變化，就會使電流過大導致LED 器件發熱損壞。LED 的工作特性對其供電電源質量的依賴程度很大， 因此實現一個高質量的供電電源對提高LED 的照明質量、電能利用率、延長LED 的使用壽命有著重要的意義。供電電源的穩定性主要取決于LED?驅動電路設計， 恒流源驅動是最佳的LED 驅動方式， 采用恒流源驅動， LED 上流過的電流將不受電壓、環境溫度變化， 以及LED 參數離散性的影響， 從而能保持電流恒定， 充分發揮LED 的各種優良特性。目前廣泛采用的恒流源有兩種形式： 一種是線性電源改進型恒流源， 另一種是開關電源式恒流源。線性電源改進型恒流源的線性損耗大， 適用范圍?。?開關電源式恒流源的可靠性較差， 適應范圍小， 而且成本高。因此，經濟實用、性能可靠的數控恒流源就得到了廣泛的應用。本文針對小功率LED 在現有照明系統中驅動方式存在的一些不足， 設計了一種高效的驅動系統， 提出了一種相應的新型驅動系統。

1 LED 特性

1.1 LED 伏安特性

LED 伏安特性的數學模型可以表示為：

式中，V 是LED 啟動電壓；RS 表示伏安曲線斜率；IF 表示LED 正向電流；T 表示環境溫度；△VF/△T 是LED 正向電壓的溫度系數，對于大多數LED 而言，它的典型值為-2V/℃。從LED 的數學模型看，在一定的環境溫度條件下LED 在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起LED 電流的很大變化。

1.2 LED 溫度特性

LED 正向電流的大小是隨溫度變化而變化的， 白光LED 的工作電流一般在200mA 左右，當環境溫度一旦超過50℃，白光LED 的容許正向電流會幅度降低而達不到正常發光亮度所需的工作電流，在此情況下如果仍舊施加大電流，很容易使白光LED 老化。

1.3 LED 光學特性

光源的光通量是指單位時間內通過4π 立體角的可見光能量。白光LED 電流與光通量的關系如圖1所示，隨著電流的增加， LED 的光通量非線性增加，并逐漸趨于飽和。其原因主要是因為隨著電流及時間的增大，大功率LED 內部溫度上升，發生在P/N 結結區的載流子復合幾率下降，造成LED 發光效率降低。

圖1 LED 光通量與電流關系圖

2 系統方案選擇與比較

2.1 系統結構框圖

系統結構框圖如圖2 所示。

圖2 LED可控恒流源驅動系統結構框圖

2.2 核心控制器的選擇

控制器采用目前比較通用的STC 系列單片機STC89C52， 一種帶8K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-Falsh Programmableand Erasable Read Only Memory）的高性能8 位微處理器。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。 由于將多功能8 位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，STC 的STC89C52 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

2.3 時鐘功能模塊的選擇

方案1 采用DS1302 時鐘芯片。 此芯片體積小、引腳少，操作起來非常方便。缺點是使用時需要外接備份電池和外部晶振，硬件線路較復雜，成本較高。

方案2 采用DS12C887 時鐘芯片。此芯片，體積相對較大，內部集成有可充電鋰電池，同時還集成32.768kHz 的標準晶振，可有效地保持時間的連續性，使用起來非常方便，但價格昂貴。

方案3 利用單片機（晶振11.0592M）的定時器設計時鐘。時間顯示在1602 液晶上，用獨立鍵盤調節時鐘的時、分、秒，并且可以設置定時。成本低，不需要在啟用其他的芯片和外圍電路，但程序較為復雜。

考慮到性價比的問題和電路優化問題，所以選用方案3。

2.4 恒流源模塊選擇

方案1 采用單片機產生PWM 信號，輸出到達林頓管，經濾波器消除紋波，實現恒流源功能。采用PWM 脈沖方式來實現的恒流源可簡化硬件電路，易于控制和調節，但是該方案精度難以保證，要適應本設計對精度的要求在技術上難度較高，且該方案很難適應電流調節范圍大的應用需求，受紋波和穩定性等因素的限制，難以實現。

方案2 由運算V/I 轉換電路構成恒流電路。運算放大器構成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數的缺點。該方案可實現0~5V/0~500mA 的V/I 轉換，且轉換精度較高。若輸入端由單片機配合數字電位器控制，還可很方便實現數控恒流源。

方案3 通過專門的恒流/恒壓芯片LT1769 和簡單的控制線路來實現壓控電流源方案。這種恒壓芯片具有集成度高，使用起來控制系統的軟硬件都變得相對簡單的優點。但缺點是方案實現不夠靈活；由于該芯片精度不高，設備性能被局限在這種專用芯片性能指標所允許的范圍內。所以這種設計一般只適合于精度要求不高，但集成度和便攜性要求高的場合，事實證明，這不是做理想的數控電流源實現方案。

鑒于論證與比較，最終選擇方案2。

2.5 D/A 轉換器選擇

對于D/A 轉換器，筆者使用非常普遍的8 位D/A 轉換器DAC0832，其轉換時間為1μs，工作電壓為+5V~+15 V，基準電壓為±10V，與微處理器接口完全兼容，具有價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點， 在單片機應用系統中得到廣泛的應用。 其D/A 轉換器由8 位輸入鎖存器、8 位DAC 寄存器、8 位D/A 轉換電路及轉換控制電路構成。

3 硬件電路設計

3.1 系統電源電路

如圖3 所示， 該電源利用正壓集成穩壓器LM7812 和負壓集成穩壓器LM7912 提供對稱的正/負12V 穩壓輸出，供給運放使用，而后再通過LM7805 穩壓成5V 輸出，供給單片機使用。

圖3 系統電源電路圖

3.2 LED?驅動電路

圖4 所示的電路可以很方便地實現電壓/電流的轉換。運放U1A 構成比較器，U1C 構成電壓跟隨器，起負反饋作用。輸入信號Vi與反饋信號Vf比較，在比較器U1A 的輸出端可得輸出電壓V1，V1控制運放U1B 的輸出電壓V2，從而改變三極管Q1 的輸出電流IL，而輸出IL又影響反饋電壓Vf，到達跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流IL的計算式為IL=Vf /R13 ，因負反饋使Vi=Vf ，故而IL=Vi/R13.若R13取值為10Ω，則可實現0~5V/0~500mA 的V/I 轉換；若所選擇器件的性能參數穩定，運放UA1，UA2 的放大倍數足夠大，則其轉換精度較高。V13 的電壓由單片機配合D/A 輸出控制，可很方便實現數字恒流源輸出。

圖4 LED 驅動電路圖

3.3 D/A 轉換電路

DA 轉換電路如圖5 所示。

圖5 D/A 轉換原理圖

4 軟件設計

軟件系統的任務主要有D/A 轉換、步進加減、鍵盤掃描、液晶顯示、時鐘等功能。 為了將所有任務有序的組織起來， 軟件系統采用前后臺結構。其中鍵盤掃描、液晶顯示，放在主程序中，D/A 轉換任務需要定周期運行，放在時基中斷服務子程序中運行，有效的保證了重要任務能及時執行。

系統采用看門狗技術，若程序出現死循環或者跑飛現象，單片機內部的看門狗將使單片機復位，將單片機重新拉回有序的工作狀態。

4.1 主程序

系統上電復位后， 主程序首先完成系統初始化，其中包括I/O 口，中斷系統，定時器/計數器等工作狀態的設置，系統變量賦初值等工作。

完成系統初始化后打開中斷， 隨之進入鍵盤掃描程序， 鍵盤掃描獲取鍵值后， 根據鍵值完成設定預置電流值、步進加減、時鐘調節等，并通過LCD 顯示輸出電流值和時間。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

4.2 D/A 轉換程序

D/A 轉換器DAC0832 的接口形式為并行接口， 因此在對DAC0832 進行操作時需要考慮到時序問題。D/A 的控制流程圖如圖7所示。

圖7 D/A 轉換流程圖

4.3 時鐘程序

由于時鐘沒有借助任何外圍器件，僅依靠單片機內部定時器來完成時鐘運行，因此對定時器進行操作時采用溢出中斷法，秒、分、時的過渡采用累加跳轉處理法。時鐘的控制流程如圖8 所示。

圖8 時鐘控制流程圖

5 測試結果與分析

5.1 測試儀器

本系統的測試儀器為4 位半數字萬用表（ 勝利VC9806+），示波器。

5.2 測試數據

測試數據如表1 所示。

表1 測試數據

測試結果分析：由表1 可知輸出電流滿足要求，同時，電流值小時，輸出電流更接近給定電流。電流值較大時，由于系統散熱性能不夠優良導致恒流源電源性能下降，引起誤差增大。誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差，同時系統工作時采樣電阻與LED 燈發熱引起誤差，但總的看來，該電流源有較好的精度。

5.3 難點分析

恒流源的設計與制作過程遇到的主要難點在于如何減少紋波。通過仔細分析，確定要使紋波盡可能小，需要運算放大器的電源和輸入端信號要穩定。因此。采用獨立電源供電，保證了放大器有穩定電源電壓，進而使輸出較小的紋波電流成為可能。然而，當將控制電路與主電路結合在一起時，輸出紋波電流的增大又成為一大問題。這是由于控制電路的輸出有紋波，加到運算放大器的輸入端將紋波放大，導致輸出電流紋波加劇。為解決這一問題，我們在運放輸入端并聯電容，以達到濾波的目的，從而較好的解決紋波問題。

本系統以8 位STC89C52 單片機控制、調整主電路輸出電流，并通過液晶顯示電流值，完成了數控恒流源的制作。驅動電路是由運算V/I 轉換電路構成電流閉環反饋控制系統構成，根據運算V/I 轉換電路構成電流閉環反饋控制系統計算出的值和測試結果非常接近，恒流特性較好。通過按鍵調節D/A 輸出電流，實現了輸出電流可調，步進加、減等功能。該驅動硬件電路簡單，可靠性好，實時性強，調整方便，性價比高。該方案稍加改造即可實現各類容量的直流恒流系統。
來源；電子工程網