CN104754840A

CN104754840A - 一种新型led驱动电源

Info

Publication number: CN104754840A
Application number: CN201510189542.2A
Authority: CN
Inventors: 沈艳霞; 李家成; 陆欣; 纪志成; 吴定会; 潘庭龙
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2015-07-01

Abstract

本发明公开了一种新型LED驱动电源，其包括：EMI滤波单元、整流滤波单元、功率因数校正单元、反激变换单元、恒流限压反馈单元、降压1单元、降压2单元、LED负载单元、输出电压采集单元、E²PROOM单元、时钟电路单元、温度采集单元、报警模块单元、液晶显示单元、232串口单元、单片机控制器单元。其优点是：高功率因数、电源效率高、低成本、智能化程度高、抗干扰能力强。

Description

一种新型LED驱动电源

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电源，属于电子技术领域。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)照明又称发光二极管照明，相比于传统白炽灯、荧光灯等光源，LED光源具有节能、环保、功耗低、寿命长等优点，已经成为了***绿色光源。白炽灯等传统光源大多数能直接利用220V交流电进行供电，由于LED具有正向电压导通、反向电压截止等特性，为了驱动LED负载正常工作，通常需要LED驱动电源将220V交流电源转换成特定大小的直流电源。

LED驱动电源的性能将直接影响LED性能的发挥，随着对LED光源质量要求的提高，LED驱动电源的设计变得越来越复杂，同时为了满足不同时间段内的照明需求和LED光源的二次节能，LED调光技术广泛应用在LED驱动电源的设计中，目前主流的调光技术有：可控硅调光、模拟调光、PWM调光；可控硅调光主要应用在白炽灯和卤素灯等光源调光，原理是通过切割交流电正弦波，以达到改变有效值的目的，由于LED不是纯阻型负载，可控硅调光技术对LED调光并不适用；模拟调光通过改变LED负载中的电流实现LED亮度的调节，但模拟调光会增加整个***的能耗；PWM调光技术利用占空比的改变实现LED负载电流平均值的改变，从而实现LED亮度的调节，PWM调光技术精度高，应用广泛，传统LED驱动电源多采用专用的调光芯片对LED负载进行PWM调光，但调光芯片功能单一，性价比不高；传统LED驱动电源智能化程度低，不能自动检测运行状态，不能保存驱动电源的相关运行信息。当驱动电源发生意外故障时，不能报警和停止运行以保护LED负载，上述问题对驱动电源的寿命和可靠性带来一定的影响，制约了LED驱动电源的进一步发展。

发明内容

本发明主要针对传统LED驱动电源智能化程度低，不能实时监测LED负载工作状态和LED调光功能实现复杂等缺点，设计一种新型LED驱动电源；本发明所设计的新型LED驱动电源具有EMI滤波器单元，增加了对交流电网的抗干扰能力，同时也降低了驱动电源对电网的影响；本发明所设计的新型LED驱动电源具有功率因数校正单元，功率因数校正单元采用成熟的有源功率因数校正技术，功率因数能达到0.9以上，使LED驱动电源更加绿色环保；本发明所设计的新型LED驱动电源，采用反激式(FLY BACK)变换电路作为主电路，其中高频变压器起到隔离防护的作用；采用恒流限压单元作为反馈回路，恒流限压单元由运算放大器、三端稳压器、线性光耦等元件组成，恒流限压单元使反激变换的输出电压更稳定，抗干扰能力更强；本发明所设计的新型LED驱动电源，一路主输出给LED负载供电，另一路输出给单片机等模块供电；本发明所设计的新型LED驱动电源具有外部时钟单元，外部时钟单元为驱动电源提供精准的时间参数信息；本发明所设计的新型LED驱动电源具有外部E²PROOM存储单元，单片机将LED负载的工作温度、输出电压和时间信息存储在外部存储单元中；本发明所设计的新型LED驱动电源具有工作环境温度采集单元和LED负载输出电压采集单元；本发明所设计的新型LED驱动电源具有12864液晶显示单元，12864液晶实时显示时间、温度和负载输出电压等信息；本发明所设计的新型LED驱动电源具有按键单元，通过按键单元和12864液晶显示单元能实现人机交互功能，按键模块可以设定LED驱动电源工作环境温度报警值等信息，也能实现单片机不同占空比PWM波形的输出，从而调节LED负载亮度；本发明所设计的新型LED驱动电源具有232串口单元，通过232串口单元能实现单片机程序的录入，也能读取外部E²PROOM中存储的驱动电源的相关信息。

按照本发明所提供的技术方案，所述一种新型LED驱动电源，主要包括：EMI滤波单元、整流滤波单元、功率因数校正单元、反激变换单元、恒流限压反馈单元、降压1单元、降压2单元、LED负载单元、输出电压采集单元、E²PROOM单元、时钟电路单元、温度采集单元、报警模块单元、液晶显示单元、232串口单元、单片机控制器单元；所述220V交流电源经EMI滤波单元与整流滤波单元后，接在功率因数校正单元之间，功率因素校正单元连接到反激变换单元，反激变换的二次整流端经继电器后接在降压1单元的输入端，反激变换的二次整流端直接接在降压2单元的输入端，降压1单元给LED负载提供正常的工作电压，降压1单元给单片机及其***电路提供+5V直流电压；LED负载的输出电压和实时温度分别经电压采集模块单元和温度采集单元采集，经单片机内部A/D转换后和时钟电路所产生的实时精确的时钟信息一起发送到单片机控制的12864液晶显示单元进行同步显示，同时单片机也将这些信息发送到外部E²PROOM存储器存储；当LED负载工作温度或者输出电压值异常时，单片机一方面通过报警单元实现报警功能提醒工作人员前来检查维修，同时通过单片机控制的继电器模块能实现断开LED负载电路，达到保护LED负载的目的；按键单元能够通过单片机内部程序灵活设定LED负载输出电压和工作温度的报警值的上下限值，按键单元也能通过单片机实现PWM波形的输出，不同占空比的PWM波形能够实现LED负载亮度的调节。

所述EMI滤波器单元由安规电容和共模电感等元件组成，EMI滤波器的输入端接入220V交流电源，EMI滤波器不仅能够有效滤除交流电网的浪涌和尖峰电压，也能阻止驱动电源产生的噪声污染电网。

所述整流滤波单元由整流桥和滤波电容组成，整流桥将交流电压转换成直流电压，滤波电容进一步滤除高频噪声。

所述功率因数校正单元，采用了工作在临界导通模式下的有源功率因数校正芯片L6561，使得LED驱动电源输入电流近似为正弦波形状，提高了LED驱动电源的功率因数值。

所述反激变换单元包含隔离变压器和恒流限压反馈单元，隔离变压器具有安全可靠，转换效率高等优点，恒流限压反馈单元使反激变换的输出电压和电流更稳定，抗干扰能力更强。

所述降压单元分为降压1单元和降压2单元；降压1单元给LED负载供电，降压2单元给单片机控制器、时钟电路和外部采集器等单元供电。

所述单片机单元采用STC公司的STC12C5A60S2芯片，STC12C5A60S2芯片是一款运算速度快，内部集成有A/D模数转换功能，功耗较低的增强型51型单片机芯片,同时也具有成本低，开发资源丰富等优点。

所述温度采集单元采用DS18B20温度采集器，DS18B20体积小，抗干扰能力强，检测温度的范围为-55℃到125℃,精度可以达到±0.5℃，采用单总线的接口方式，与单片机控制器仅需一根线便能实现双向通信。

所述外部时钟单元采用DS1302时钟芯片，DS1302能够提供精确的时钟信息，具有闰年补偿功能，采用三线接口的方式和单片机控制器相连,同时采用3.6V纽扣电池作为后备电源，当外部电源断电后也能继续工作。

所述外部存储单元采用E²PROOM存储芯片M24C02BN6，外部存储单元用来存储实时时钟、LED负载工作环境温度值和LED负载的输出电压值，M24C02BN6***电路简单，使用I²C总线的方式和单片机控制器相连，可擦写次数可以达到百万次，数据保留时间超过40年。

所述单片机模块将采集到的LED负载的工作环境温度，LED负载输出电压经单片机内部A/D转换后和外部时钟信息一起发送到12864液晶显示模块显示，同时也将这些信息传输到E²PROOM外部存储器进行存储备份。

所述按键单元通过单片机内部程序可以分别设定LED工作环境温度和LED负载电压报警的上下限值；也可以通过按键改变单片机输出的PWM波形的占空比，实现对LED负载的调光。

所述报警单元采用蜂鸣器报警模块，当LED负载电压或者工作环境温度值出现异常情况时，单片机控制器控制蜂鸣器发出警报，提醒工作人员前来检查维修，同时单片机控制器通过继电器关断LED负载回路，保护LED负载不损坏。

本发明的有益效果是：

(1)所述一种新型LED驱动电源，外部时钟单元给整个***提供精确的时钟信息。

(2)所述一种新型LED驱动电源，12864液晶上实时显示驱动电源运行时的时间，环境温度和LED负载输出电压等信息。

(3)所述一种新型LED驱动电源，单片机控制器控制外部存储单元存储对驱动电源运行时的时间，环境温度和负载输出电压信息进行备份存储工作。

(4)所述一种新型LED驱动电源，实时监测LED工作环境温度和负载输出电压值，当出现异常，则单片机自动采取保护措施，切断LED回路，蜂鸣器发出警报。

(5)所述一种新型LED驱动电源，通过按键模块可以设置报警上下限值，也能对LED负载进行PWM调光。

(6)所述一种新型LED驱动电源，通过232串口单元能够读取外部E²PROOM存储器中的存储的信息，可以分析出驱动电源的工作状态。

附图说明

图1新型LED驱动电源整体结构框图

图2新型LED驱动电源的主电路图

图3外部时钟单元和外部E²PROOM存储单元原理图

图4液晶显示单元电路图

图5蜂鸣器警报单元电路图

图6按键单元电路图

图7232串口单元电路图

图8温度采集单元电路图

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，本发明所述的电路包括：EMI滤波单元、整流滤波单元、功率因数校正单元、反激变换单元、恒流限压环路单元、降压1单元、降压2单元、单片机控制器模块、时钟电路单元、E²PROOM存储器单元、液晶显示单元、232串口单元、温度采集单元、输出电压采集单元、按键单元；所述EMI滤波单元的输入端接入220V交流电源，EMI的输出端接入整流滤波单元；整流滤波单元对交流电压整流并滤波后，输出端接入功率因数校正单元以完成功率因素校正；功率因数校正的输出端接在降压1单元、降压2单元，降压1单元给LED负载供电，降压2单元给单片机控制器单元以及时钟电路等单元供电；单片机控制器单元分别和E²PROOM存储器单元、时钟电路单元、报警模块单元、液晶显示单元、232串口单元、温度采集单元、按键单元等相连；时钟电路单元为***提供精确的时间信息，温度采集单元实时采集LED负载的温度，输出电压采集单元采集LED负载输出电压；单片机控制器单元将温度，输出电压经内部A/D转换电路转换后和时钟信息一起发送到液晶显示单元进行显示，同时也将这些信息发送到E²PROOM存储器进行存储操作；当驱动电源出现异常导致LED负载温度过高或者输出电压异常时，单片机控制继电器单元断开LED负载回路，实现保护功能，同时报警模块单元报警；通过按键单元和单片机内部程序可以控制单片机输出不同占空比的PWM波形以实现LED调光，也可以设定异常情况下的报警上下限值；通过232串口单元实现单片机程序的录入以及读取外部E²PROOM中LED驱动电源的相关信息。

如图2所示，在驱动电源主电路中，220V交流电源经火线(L)与零线(N)输入到主电路上，EMI滤波单元由熔断器FU,安规电容CX1、CX2、CY1、CY2以及共模电感L1、L2组成；熔断器FU串接在火线L上，电容CX1跨接在火线L与零线N上，电感L1串接在火线L上，电感L2串接在零线N上，CX2跨接在火线L与零线N之间，CY1跨接在火线L和地(GND1)之间，电容CY2跨接在零线N与地(GND1)之间。220V交流电压源经EMI滤波器后接入整流滤波单元，其中整流滤波电路由集成整流桥D25SB80和滤波电容C1组成，交流电压火线L接入整流桥1脚，零线N接入整流桥3脚，电容C1跨接在整流桥正输出(2脚)与负输出(4脚)之间，负输出接地(GND1)。限流电阻R1一端接在整流桥正输出端，另一端接在L6561的8号引脚。电阻R3一端接在整流桥的正输出端，另一端串联电阻R4，R4的另一端接在地(GND1)，R4的两端并联电容C2，电阻R3，R4组成电压采集电路，电容C2起到采样电压滤波的作用。L6561的7号引脚串联电阻R7后接在MOS管MOS1的栅极，L6561的4号引脚先接在MOS1的源极，再串联电阻R8后接在地(GND1)。高频变压器T1由初级绕组N1、N3和次级绕组N2组成；N1的异名端接在正输出端，同名端接在MOS1的漏极，稳压二极管D1的阳极接在N1的异名端，D1的阴极接在二极管D2的阴极上，D2的阳极接在N1的同名端，电阻R11与电容C4分别并联在D1的阳极和阴极之间。N3的同名端接在整流二极管D3的阳极端，电解电容C5的正极接在D3的阴极，D3的阴极通过电阻R2接在L6561的5号引脚，C5的负极接在N3的异名端。N2的同名端接在二极管D3的阳极，D3的阴极为40V直流电压的正输出端，N2的异名端串联电阻R21后接到地(GND2)。降压1单元由LM3409等元件组成，作用是将+40V直流输入电压降低到LED负载的正常工作电压，+40V电压通过继电器RELAY接入到降压1单元的输入端VIN1，三极管Q1的发射极接在+5V直流电压，Q1的基极串联限流电阻R34后到单片机的P3.6口，Q1的集电极接到继电器RELAY之后到地(GND2)，二极管D7的阳极端接在地(GND2)，D2的阴极接在Q1的集电极。电容C11和C12分别接在VIN1和地(GND2)之间。电容C10接在LM3409的9号引脚和10号引脚之间，LM3409的8号引脚接在电源输入端VIN1，电阻R26的一端也接在LM3409的8号引脚，一端接到MOS管MOS2的漏极端，LM3409的6号引脚接在MOS2的栅极端，MOS2的源极端接稳压管D6的阴极，D6的阳极接到地(GND2)。电阻R24连接在LM3409的1号引脚和10号引脚之间，1号引脚串联电阻R23到地(GND2)。电容C9接在LM3409的4号引脚和5号引脚之间，电阻R25一端接在LM3409的4脚，另一端串联8颗LED灯珠到地(GND2)。电感L3的一端接在D6的阴极，另一端接在R25和LED负载之间，通过向LM3409的3号引脚输入不同占空比的PWM波形能达到调节LED负载亮度的效果。LED负载的输出电压采集单元由电阻R32、电阻R33和电容C18组成。电阻R32的一端接在降压1单元的输出端，另一端串联R33到地(GND)，电容C18并联在电阻R33的两端，单片机的P1.0口接在R32和R33之间，实现LED输出电压的采集，电容C18的作用是滤除高频干扰。降压2单元由TPS54061等元件组成，+40V电压接在降压2单元的输入端VIN2，电容C13的一端接在输入端，另一端接地(GND2)，电阻R26的一端接在输入端，一端串联R27到地(GND2)，TPS54061的3号引脚接在R26和R27之间，TPS54061的4号引脚串联电阻R28后接到地(GND2)。电容C14并联在TPS54061的1号引脚和8号引脚之间，8脚通过电感L4输出+5V直流电压。电阻R29和电容C16串联后与电容C15并联在TPS54061的6号引脚和地(GND2)之间，电阻R31接在地(GND2)和TPS54061的5号引脚之间，电阻R30的一端接在+5V输出端，一端接在TPS54061的5脚。TPS54061的7脚直接接地(GND)，电容C17接在+5V和地(GND2)之间。恒流限压环路由稳压芯片TL431、运算放大器、线性光耦元件PC817等组成。电阻R20的一端接在地(GND2)，另一端接在AM1的正输入端，电阻R17一端接在TL431的参考端(3)，另一端接在AM1的负输入端，然后串联电阻R15后到地(GND2)。电阻R22一端接在+40V的正输出端，另一端接在TL431的阴极端(2)，然后串联电阻R18到AM2的负输入端。电阻R19一端接在+40V的正输出端，另一端接在AM2的正输出端，然后串联电阻R16到地(GND2)。AM1的输出端接在二极管D4的阳极端，AM2的输出端接在二极管D5的阳极端，D4和D5的阴极接在一起，然后串联电阻R12到PC817的发光二极管的阳极端，电容C6并联在R12的两端，电阻R14并联在AM1的负输入端和输出端，电阻R13并联在AM2的负输入端和正输出端。PC817的光敏晶体管的集电极接在D3的阴极端，电阻R10一端接在N2的同名端，一端接在PC817的光敏晶体管的集电极。电阻R9的一端接在地(GND1)，另一端接在PC817的光敏晶体管的发射极。GND1和GND2之间串接电容C19。

如图3所示，电路主要包括单片机最小***电路、DS1302外部时钟电路、E²PROOM外部存储电路；在单片机最小***中，单片机芯片STC125A60S2的40脚(VCC)接+5V电源正极，20脚(GND)接地(GND2)。电解电容C20的正极接+5V电源正极，C20的负极接在单片机的9脚(RST)并串联电阻R34到地(GND2)，开关S1并联在C20的两端。排阻RES的一端接在+5V电源正极，另一端分别接在P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7上。晶振Y1的两端接在单片机的18号和19号引脚，电容C21和C22分别连接到Y1的两端和地(GND2)。在DS1302外部时钟电路中，DS1302的1脚接+5V电源正极，4脚接地(GND2)。2脚和3脚分别接到晶振Y2的两端，8脚接纽扣电池的正极。电阻R35、R36、R37的一端接在+5V电源正极，它们的另一端分别接在D1302的7、6和5号引脚，同时单片机的21、22和23号引脚分别连接到DS1302的7、6、5号引脚。在外部存储单元电路图中，M24C02BN6的1、2、3、8号引脚分别接到+5V电源的正极。M24C02BN6的4号引脚接到地(GND2)，5、6和7号引脚分别接到单片机的24、25和26号引脚。

如图4所示为12864液晶显示单元的电路图，12864液晶的1号脚接地(GND2)，2号引脚接+5直流电源正极，可变电阻R35的两端分别接在+5V和地(GND)之间，可变电阻端(3)接在12864的3号引脚。12864液晶的4、5、6号引脚分别接单片机的P0.0、P0.1、P0.2。12864液晶的7、8、9、10、11、12、13、14、15号引脚分别接单片机的P0.4、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P0.3。12864液晶的16和18引脚接+5V电源正极，17和19号引脚悬空，20号引脚接地(GND2)。

如图5所示为蜂鸣器报警单元电路图，三极管Q2的发射极接+5V电源正极，基极接限流电阻R38后接单片机的P3.3，集电极接蜂鸣器BUZZ后串联限流电阻R39后到地(GND2)。

如图6所示为按键单元电路图，按键K1，K2的一端分别接在单片机P3.4和P3.5，另一端都接在地(GND2)。

如图7所示为232串口单元电路图，电容C23、C24、C25、C26分别连接在MAX3232的1脚和3脚、4脚和5脚、2脚和16脚、6脚和15脚之间。MAX3232的11和12引脚分别接单片机的P3.1和P3.0，MAX3232的10、9、7、8号引脚悬空。串口线接口J1的2脚接在MAX3232的14脚，J1的3脚接在MAX3232的13脚，J1的5脚接地(GND2)，J1的其他引脚悬空。

如图8所示为温度采集单元电路图，18B20的1号引脚接地(GND2)，2号引脚接到单片机的P0.4，3号引脚接到+5V直流电源正极，电阻R40跨接在18B20的2脚和3脚之间。

Claims

1.一种新型LED驱动电源，其特征是包括：EMI滤波单元、整流滤波单元、功率因数校正单元、反激变换单元、恒流限压反馈单元、降压1单元、降压2单元、LED负载单元、单片机单元、E²PROOM存储器单元、时钟电路单元、温度采集单元、输出电压采样单元、液晶显示单元、232串口单元；220V交流电压经EMI滤波单元后，连接到整流滤波单元和功率因素校正单元，功率因数校正单元连接到反激变换单元，恒流限压反馈单元在反激变换单元和二次整流单元之间，降压1单元和降压2单元分别接在二次整流的输出端，分别用来产生+20V直流电压和+5V直流电压；降压1单元串联LED负载，降压2单元为单片机供电；单片机单元分别和E²PROOM存储器单元、时钟单元、温度采集单元、报警单元、液晶显示单元、232串口单元、按键单元相连，电压采样单元和温度采集单元分别采集到LED负载的输出电压和实时温度，分别经AD转换单元后传输到单片机单元，时钟电路单元产生精准的时间参数，单片机单元将时间、温度和电压的信息发送到E²PROOM存储器单元存储并在液晶显示单元显示；通过232串口单元可以实现人机交互，可以读取E²PROOM存储器单元中存储的时间、实时环境温度和输出电压信息，也可以向单片机中设定异常情况下的输出电压上下限值，温度上下限值，当输出电压采样或者温度采样的参数超过设定值时，单片机单元将控制报警单元发出警报，提醒工作人员前来维修，并通过继电器模块切断降压1单元回路，保护LED负载；通过按键单元能使单片机单元产生PWM波，不同占空比的PWM波形驱动降压1单元产生不同输出电压，从而调节LED负载的亮度。

2.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是EMI滤波电路单元由安规电容CX1、CX2、CY1、CY2和共模电感L1、L2组成，EMI滤波器输入端接入220V交流电压，输出端接整流滤波单元。

3.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是整流滤波单元由整流桥D25SB80和电容C1组成，电容C1并联在整流桥的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是功率因素校正单元由ST公司生产的功率因数校正芯片L6561等元件组成。

5.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是恒流限压反馈单元由运算放大器LM358、三端稳压芯片TL431、线性光耦元件PC817等组成。

6.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是降压1单元由TI公司生产的高精度降压型LED驱动芯片LM3409组成，LM3409支持模拟调光和PWM调光，通过改变其输入脚的PWM波形的占空比可实现LED亮度的调节。

7.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是降压2单元由TI公司生产的降压型LED驱动芯片TPS54061组成，TPS54061具有输入电压范围宽，***电路设计简单等优点，其内部集成MOSFET场效应晶体管，减少了封装体积。

8.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是LED负载单元由8颗CREE公司的XPG2型5W高亮度白光LED灯珠串联而成，XPG2型LED灯珠具有使用寿命长，低光衰等优点，广泛应用在大功率照明等领域。

9.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是单片机单元采用STC公司生产的STC12C5A60S2型单片机芯片，STC12C5A60S2型单片机芯片具有工作速度快，功耗低等优点，单片机的供电电源为+5V直流电源。

10.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是E²PROOM存储器单元由ST公司生产的基于I²C总线型E²PROOM存储器M24C02BN6组成，M24C02BN6具有容量大，数据保留时间长等优点。

11.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是时钟单元由DALLAS公司生产的实时时钟芯片DS1302组成，其优点是精度高，功耗低，***电路简单。

12.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是温度采集单元由DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20等元件组成，其优点是体积小、测温分辨率高、抗干扰能力强。

13.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是液晶显示单元采用12864型LCD液晶。

14.根据权利要求1所述的一种新型LED驱动电源，其特征是232串口单元由电平转换芯片MAX3232等元件组成。