论文部分内容阅读
摘 要：结合光伏电池输出电压变动范围大、输出功率不稳定的特点，设计了一种基于TMS320F2812的LED（Light Emitting Diode）照明驱动控制系统，该控制系统根据负载和电源的变化自适性切换驱动电路，调节LED负载电流，提高其适应性和调节范围。实验结果证明获得了更大的负载电流调节范围和调光范围，实现了光伏LED的恒流驱动。
关键词：光伏电池；LED照明；驱动控制；稳定电流
中图分类号：TM615 文献标识码：A
文章编号：1672-1098(2012)02-0022-04
收稿日期：2012-03-06
基金项目：国家级大学生创新性实验计划资助项目(101035918)
作者简介：祝青(1991-)，男，安徽淮南人，在读学士，研究方向为电气工程及其自动化。
Photovoltaic LEDs Lighting Drive Control System Based on TMS320F2812
ZHU Qing, WANG Xiao-chen, JIANG Wei, CUI Rong-xiang, ZHOU Yu
(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230000, China)
Abstract:
Considering broad range of photovoltaic battery output voltage and instability of the output power, a kind of LED (Light Emitting Diode) lighting-driving control system based on TMS320F2812 was designed, the control system according to changes in load and supply self-adaptively switch driving circuits, adjusting LED load current, to improve their adaptability and adjustment range. Experimental results show that a greater load current adjustment range and dimming range are obtained, and photovoltaic constant current LED driver is realyzed.
Key words: photovoltaic battery; LEDs lighting; driving control; constant current
随着太阳能的开发利用，在整个照明领域，以白炽灯和荧光灯为主力军的角色已经发生改变，备受人们关注的光伏LED(Light Emitting Diode)灯已经开始进入市场。作为一种新型的绿色照明光源，正在以独特的优势取代传统的电光源。采用LED照明主要有以下几个特点：LED灯的发光效率高，是荧光灯的2倍，白炽灯的10倍；LED灯的供电电压为低压直流，而太阳能组件输出电压和蓄电池的储能电压都是低压直流，省去了交直流转换的逆变器，节约了设备成本；寿命长，LED灯的理论寿命可长达10万小时［1］；LED是典型的电流型器件，对工作电流的大小和稳定性要求较高，电流的波动会影响LED的发光效率和色彩，而电流超过额定值将损害LED，降低其使用寿命与可靠性［2］。常用的LED驱动有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-Boost)三种，而常用的驱动控制器只能适用于其中一种，因此研制一种具有普适性的驱动控制系统具有很好的应用前景。
1 照明控制系统的组成
LED光源对电流和电压的稳定有着相当高的要求，电压过高会使LED变色甚至损坏。LED驱动电路的主要任务是输出稳定的负载电流，其作用是将太阳能电池板输入的不稳定电压，通过DC／DC-1变换器输出稳定的负载电流，保证LED灯的正常亮度和使用寿命。一般的LED驱动电路虽然能基本满足需要，但只能用于特定的电源或特定的电压环境，这种驱动电路受环境因素影响太大。为提高LED照明驱动系统的的适应性和灵活性。本文设计了基于TMS320F2812的DSP芯片为控制核心的光伏LED照明驱动控制系统(见图1)，它能根据环境的变化实时监控和调节驱动器输出的负载电流。由于TI公司的TMS320F2812系列的DSP芯片拥有强大的控制功能和高速的处理速度，在控制领域有较好的表现，因此选用它作为控制系统的核心。LED照明系统的能量来源是太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，在光照强度过低时关闭太阳能电源，以蓄电池的储能作为驱动电源点亮LED照明负载。
控制系统以TMS320F2812为核心，分别由太阳能电池板、充电控制器(DC／DC-1)、蓄电池，驱动控制器(DC／DC-2)，电压／电流采样、DSP控制电路等组成。光伏照明系统工作时，太阳能电池板提供电能，蓄电池的电压为直流12V LED照明系统的能量来源是一块太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，同时也为LDE供电，在光照强度过低时关闭太阳能电源，使用蓄电池作为电源继续工作。为控制芯片和各个驱动电路提供电源，而采样部分将电路中各部分的电压电流数据实时传递给DSP，DSP通过输入的采样数据判断系统工作是否正常，并根据数据对输出电路进行控制，从而为LED负载提供稳定而持续的电流。
2 驱动控制器的设计
2.1 驱动控制电路 驱动控制电路（见图2）是直接与照明负载连接的部分，起驱动LED负载、稳定负载电流和调光的作用。通过对其储能电感L、续流二极管VD、及滤波电容C位置的改变，可实现升压或降压的功能，这些驱动电路又称为直流斩波电路。
图2 常见的LED驱动电路
在实验中发现，当直流斩波器的负载是LED时，调整PWM信号占空比的大小对输出电压的影响不大，而对电流的影响很大。以Buck电路为例，电感选用1 mH，电容100 μF，负载使用一个普通1.2 W的LED灯管，输入5 V稳压电源，PWM信号频率设置为20 kHz，当PWM信号占空比从0.1至0.7变化时，LED两端电压总在2.7 V左右，变化很小，而电流却在50 mA到250 mA之间大幅变化，LED的亮度也有变化但变化范围较小。因此可以设计一个两级串联的斩波电路，第一个斩波器起粗调作用，调节范围较大，根据电源和负载的实际情况决定是Buck还是Boost；第二个斩波器起细调作用，可以使照明亮度保持稳定。另外，Buck电路只能起降压作用，在调节范围上又有很大的局限性，所以还可以将第二级斩波器设计为双斩波器切换的形式，根据负载的不同和电源的不同灵活切换工作电路，中间用DSP控制电子开关实现切换(见图3)。第一级斩波器以Buck型为例，第二级的两个不同的斩波器通过DSP的GPIO口控制两个电子开关同步切换。
图3 串联可切换斩波电路
作为输出部分另外一个重要组成部分就是开关管的驱动，开关管选用高速MOSFET，以IRF540n型场效应管为例，实测开启电压是8 V，而DSP输出的PWM信号高电平只有3 V，这就需要在DSP与场效应管之间添加转换电路，放大PWM信号使之能驱动MOSFET。另外，为了防止MOSFET的高电压串回到DSP回路而使之烧毁，必须在DSP与驱动电路的之间加入光电耦合器4N25进行电气隔离，驱动芯片选择MOSFET专用的IR2125芯片(见图4)。
图4 MOSFET基本驱动电路
图4中C1的作用是自举电容，用于抬高VB的电压，使驱动芯片能正常输出被放大的PWM波。RS为MOS管的电流采样电阻，电流采样电压由CS与VS两端输入，其电压差要求小于0.5 V，故RS的阻值一般在1 Ω以内。
2.2 DSP控制
DSP控制集中了对系统的综合监测和控制。DSP控制分为几个模块，分别是A／D模块，EV事件管理器模块，GPIO输入输出模块和CPU控制模块。
电压／电流信号通过A／D转换成DSP可识别的数字信号再加以处理， 系统共需要6路采样信号进行A／D转换， 分别是太阳能电池输出电压和电流， 蓄电池端电压和电流， LED负载电压和电流。A／D采样工作方式选择级联模式下的顺序采样，只需开启ADCINA0至ADCINA5共六个A／D端口， 用定时器T1启动A／D转换， 采样周期设置为1 ms，即采样频率是1 kHz。每次采样得到的数据先存储起来，采样十次后将这十次的采样值取平均值，根据这个平均值判断系统的工作状态，并对输出PWM波形的占空比进行调整，因此系统的调整频率是100 Hz。A／D模块输入信号的最大电压是3 V，因此要严格控制输入电压的大小。
EV事件管理器用来输出PWM驱动脉冲，系统共需要4路PWM波形，分别用来驱动4个功率MOS管的导通和关断。4路PWM脉冲分别用T1PWM～T4PWM产生，PWM占空比由A／D模块反馈回的负载电流大小决定。由于A／D采样的触发方式是用T1定时器的上溢信号触发，所以EV事件管理器也是控制A／D采样的重要组成部分。
GPIO是DSP的通用输入／输出端口，它可以根据采样数据的大小输出高电平或低电平，来控制主电路中的电子开关，从而达到切换工作状态或保护电路的作用。系统为了得到更大的调光范围，采取boost电路和buck电路相互切换的形式。即当buck电路的调压能力达到极限时，CPU根据这一情况通过GPIO输出高低电平把输出电路切换成boost工作状态以增大调压范围。
当DSP开始工作时，所有数据的初始设定都要使通过LED的负载电流为0，即驱动电路切换成两个Buck电路串联，PWM占空比设为0，目的是有效地保护LED不被开启电路时的涌浪电流损坏。然后，DSP根据A／D模块传回的负载电压电流数据不断增大PWM占空比的值直到输出电流值达到预设值。负载电流控制采用滞环比较器，设定一个电流最大值和一个最小值，当输出电流超过最大值或低于最小值时才对PWM占空比的值进行调整，使输出电流稳定在设定范围内。当Buck电路的调节能力达到极限时，也就是说Buck电路已经无法有效地增大电流以满足负载的变化时，DSP将通过GPIO端口及时将驱动电路切换成Buck和Boost电路串联的形式，以获得更大的调压范围。
3 实验结果分析
驱动电路正常工作时，DSP产生的PWM信号通过光电耦合器传送到驱动芯片IR2125，信号经过放大后用来驱动场效应管的开通和关断。实验采用Buck电路驱动一组1.2 W的LED灯组，Buck电路输入端电压为5V，储能电感为0.1 mH，滤波电容为100 μF，PWM信号频率设为1 kHz。在输出端串联2.5 Ω的电流采样电阻，当DSP输出的PWM信号占空比分别为30％和70％时，使用示波器测量采样电阻两端的电压波形(见图5～图6)。
当PWM信号占空比是30％时，LED亮度很低，此时的负载电流平均值为100 mA，输出电流在MOS管关断时有少许尖刺，当PWM占空比为70％时，负载电流平均值为400 mA，LED达到正常工作亮度，由于未串滤波电感，负载电流有一定的波动。因此在实际的应用中可以串入1 kHz的滤波电感，减少负载电流的波动。
4 结论
本文对太阳能光伏发电LED照明驱动控制技术进行了分析和研究，并针对太阳能光伏电池输出电压变化范围大，以及LED照明负载的驱动特性，设计了Buck、Boost相互切换的主电路结构，采用DSP控制，获得了更大的负载电流调节范围和调光范围，得出了正确的实验结果，实现了光伏发电和LED恒流节能照明，具有广阔的应用前景。参考文献：
［1］ 艾叶，刘廷章，王世松. 独立式LED太阳能光伏照明系统的设计［J］. 电力电子技术，2010(2)：18-20.
［2］ 薛勇，毛明科，汪明健. 太阳能照明系统关键技术的研究［J］. 硅谷，2010(3)：147-148.
［3］ 王平. 光伏发电LED照明的最大功率跟踪及控制技术研究［J］. 光机电信息， 2009(11)：30-34.
［4］ 薛勇，马双宝. 太阳能光伏照明系统中功率LED驱动电路的研究［J］. 武汉科技学院学报，2008(10)：45-47.
［5］ 苏奎峰. TMS320X281xDSP原理及C程序开发［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2008：45-55.
(责任编辑：何学华 吴晓红)49,
关键词：光伏电池；LED照明；驱动控制；稳定电流
中图分类号：TM615 文献标识码：A
文章编号：1672-1098(2012)02-0022-04
收稿日期：2012-03-06
基金项目：国家级大学生创新性实验计划资助项目(101035918)
作者简介：祝青(1991-)，男，安徽淮南人，在读学士，研究方向为电气工程及其自动化。
Photovoltaic LEDs Lighting Drive Control System Based on TMS320F2812
ZHU Qing, WANG Xiao-chen, JIANG Wei, CUI Rong-xiang, ZHOU Yu
(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230000, China)
Abstract:
Considering broad range of photovoltaic battery output voltage and instability of the output power, a kind of LED (Light Emitting Diode) lighting-driving control system based on TMS320F2812 was designed, the control system according to changes in load and supply self-adaptively switch driving circuits, adjusting LED load current, to improve their adaptability and adjustment range. Experimental results show that a greater load current adjustment range and dimming range are obtained, and photovoltaic constant current LED driver is realyzed.
Key words: photovoltaic battery; LEDs lighting; driving control; constant current
随着太阳能的开发利用，在整个照明领域，以白炽灯和荧光灯为主力军的角色已经发生改变，备受人们关注的光伏LED(Light Emitting Diode)灯已经开始进入市场。作为一种新型的绿色照明光源，正在以独特的优势取代传统的电光源。采用LED照明主要有以下几个特点：LED灯的发光效率高，是荧光灯的2倍，白炽灯的10倍；LED灯的供电电压为低压直流，而太阳能组件输出电压和蓄电池的储能电压都是低压直流，省去了交直流转换的逆变器，节约了设备成本；寿命长，LED灯的理论寿命可长达10万小时［1］；LED是典型的电流型器件，对工作电流的大小和稳定性要求较高，电流的波动会影响LED的发光效率和色彩，而电流超过额定值将损害LED，降低其使用寿命与可靠性［2］。常用的LED驱动有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-Boost)三种，而常用的驱动控制器只能适用于其中一种，因此研制一种具有普适性的驱动控制系统具有很好的应用前景。
1 照明控制系统的组成
LED光源对电流和电压的稳定有着相当高的要求，电压过高会使LED变色甚至损坏。LED驱动电路的主要任务是输出稳定的负载电流，其作用是将太阳能电池板输入的不稳定电压，通过DC／DC-1变换器输出稳定的负载电流，保证LED灯的正常亮度和使用寿命。一般的LED驱动电路虽然能基本满足需要，但只能用于特定的电源或特定的电压环境，这种驱动电路受环境因素影响太大。为提高LED照明驱动系统的的适应性和灵活性。本文设计了基于TMS320F2812的DSP芯片为控制核心的光伏LED照明驱动控制系统(见图1)，它能根据环境的变化实时监控和调节驱动器输出的负载电流。由于TI公司的TMS320F2812系列的DSP芯片拥有强大的控制功能和高速的处理速度，在控制领域有较好的表现，因此选用它作为控制系统的核心。LED照明系统的能量来源是太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，在光照强度过低时关闭太阳能电源，以蓄电池的储能作为驱动电源点亮LED照明负载。
控制系统以TMS320F2812为核心，分别由太阳能电池板、充电控制器(DC／DC-1)、蓄电池，驱动控制器(DC／DC-2)，电压／电流采样、DSP控制电路等组成。光伏照明系统工作时，太阳能电池板提供电能，蓄电池的电压为直流12V LED照明系统的能量来源是一块太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，同时也为LDE供电，在光照强度过低时关闭太阳能电源，使用蓄电池作为电源继续工作。为控制芯片和各个驱动电路提供电源，而采样部分将电路中各部分的电压电流数据实时传递给DSP，DSP通过输入的采样数据判断系统工作是否正常，并根据数据对输出电路进行控制，从而为LED负载提供稳定而持续的电流。
2 驱动控制器的设计
2.1 驱动控制电路 驱动控制电路（见图2）是直接与照明负载连接的部分，起驱动LED负载、稳定负载电流和调光的作用。通过对其储能电感L、续流二极管VD、及滤波电容C位置的改变，可实现升压或降压的功能，这些驱动电路又称为直流斩波电路。
图2 常见的LED驱动电路
在实验中发现，当直流斩波器的负载是LED时，调整PWM信号占空比的大小对输出电压的影响不大，而对电流的影响很大。以Buck电路为例，电感选用1 mH，电容100 μF，负载使用一个普通1.2 W的LED灯管，输入5 V稳压电源，PWM信号频率设置为20 kHz，当PWM信号占空比从0.1至0.7变化时，LED两端电压总在2.7 V左右，变化很小，而电流却在50 mA到250 mA之间大幅变化，LED的亮度也有变化但变化范围较小。因此可以设计一个两级串联的斩波电路，第一个斩波器起粗调作用，调节范围较大，根据电源和负载的实际情况决定是Buck还是Boost；第二个斩波器起细调作用，可以使照明亮度保持稳定。另外，Buck电路只能起降压作用，在调节范围上又有很大的局限性，所以还可以将第二级斩波器设计为双斩波器切换的形式，根据负载的不同和电源的不同灵活切换工作电路，中间用DSP控制电子开关实现切换(见图3)。第一级斩波器以Buck型为例，第二级的两个不同的斩波器通过DSP的GPIO口控制两个电子开关同步切换。
图3 串联可切换斩波电路
作为输出部分另外一个重要组成部分就是开关管的驱动，开关管选用高速MOSFET，以IRF540n型场效应管为例，实测开启电压是8 V，而DSP输出的PWM信号高电平只有3 V，这就需要在DSP与场效应管之间添加转换电路，放大PWM信号使之能驱动MOSFET。另外，为了防止MOSFET的高电压串回到DSP回路而使之烧毁，必须在DSP与驱动电路的之间加入光电耦合器4N25进行电气隔离，驱动芯片选择MOSFET专用的IR2125芯片(见图4)。
图4 MOSFET基本驱动电路
图4中C1的作用是自举电容，用于抬高VB的电压，使驱动芯片能正常输出被放大的PWM波。RS为MOS管的电流采样电阻，电流采样电压由CS与VS两端输入，其电压差要求小于0.5 V，故RS的阻值一般在1 Ω以内。
2.2 DSP控制
DSP控制集中了对系统的综合监测和控制。DSP控制分为几个模块，分别是A／D模块，EV事件管理器模块，GPIO输入输出模块和CPU控制模块。
电压／电流信号通过A／D转换成DSP可识别的数字信号再加以处理， 系统共需要6路采样信号进行A／D转换， 分别是太阳能电池输出电压和电流， 蓄电池端电压和电流， LED负载电压和电流。A／D采样工作方式选择级联模式下的顺序采样，只需开启ADCINA0至ADCINA5共六个A／D端口， 用定时器T1启动A／D转换， 采样周期设置为1 ms，即采样频率是1 kHz。每次采样得到的数据先存储起来，采样十次后将这十次的采样值取平均值，根据这个平均值判断系统的工作状态，并对输出PWM波形的占空比进行调整，因此系统的调整频率是100 Hz。A／D模块输入信号的最大电压是3 V，因此要严格控制输入电压的大小。
EV事件管理器用来输出PWM驱动脉冲，系统共需要4路PWM波形，分别用来驱动4个功率MOS管的导通和关断。4路PWM脉冲分别用T1PWM～T4PWM产生，PWM占空比由A／D模块反馈回的负载电流大小决定。由于A／D采样的触发方式是用T1定时器的上溢信号触发，所以EV事件管理器也是控制A／D采样的重要组成部分。
GPIO是DSP的通用输入／输出端口，它可以根据采样数据的大小输出高电平或低电平，来控制主电路中的电子开关，从而达到切换工作状态或保护电路的作用。系统为了得到更大的调光范围，采取boost电路和buck电路相互切换的形式。即当buck电路的调压能力达到极限时，CPU根据这一情况通过GPIO输出高低电平把输出电路切换成boost工作状态以增大调压范围。
当DSP开始工作时，所有数据的初始设定都要使通过LED的负载电流为0，即驱动电路切换成两个Buck电路串联，PWM占空比设为0，目的是有效地保护LED不被开启电路时的涌浪电流损坏。然后，DSP根据A／D模块传回的负载电压电流数据不断增大PWM占空比的值直到输出电流值达到预设值。负载电流控制采用滞环比较器，设定一个电流最大值和一个最小值，当输出电流超过最大值或低于最小值时才对PWM占空比的值进行调整，使输出电流稳定在设定范围内。当Buck电路的调节能力达到极限时，也就是说Buck电路已经无法有效地增大电流以满足负载的变化时，DSP将通过GPIO端口及时将驱动电路切换成Buck和Boost电路串联的形式，以获得更大的调压范围。
3 实验结果分析
驱动电路正常工作时，DSP产生的PWM信号通过光电耦合器传送到驱动芯片IR2125，信号经过放大后用来驱动场效应管的开通和关断。实验采用Buck电路驱动一组1.2 W的LED灯组，Buck电路输入端电压为5V，储能电感为0.1 mH，滤波电容为100 μF，PWM信号频率设为1 kHz。在输出端串联2.5 Ω的电流采样电阻，当DSP输出的PWM信号占空比分别为30％和70％时，使用示波器测量采样电阻两端的电压波形(见图5～图6)。
当PWM信号占空比是30％时，LED亮度很低，此时的负载电流平均值为100 mA，输出电流在MOS管关断时有少许尖刺，当PWM占空比为70％时，负载电流平均值为400 mA，LED达到正常工作亮度，由于未串滤波电感，负载电流有一定的波动。因此在实际的应用中可以串入1 kHz的滤波电感，减少负载电流的波动。
4 结论
本文对太阳能光伏发电LED照明驱动控制技术进行了分析和研究，并针对太阳能光伏电池输出电压变化范围大，以及LED照明负载的驱动特性，设计了Buck、Boost相互切换的主电路结构，采用DSP控制，获得了更大的负载电流调节范围和调光范围，得出了正确的实验结果，实现了光伏发电和LED恒流节能照明，具有广阔的应用前景。参考文献：
［1］ 艾叶，刘廷章，王世松. 独立式LED太阳能光伏照明系统的设计［J］. 电力电子技术，2010(2)：18-20.
［2］ 薛勇，毛明科，汪明健. 太阳能照明系统关键技术的研究［J］. 硅谷，2010(3)：147-148.
［3］ 王平. 光伏发电LED照明的最大功率跟踪及控制技术研究［J］. 光机电信息， 2009(11)：30-34.
［4］ 薛勇，马双宝. 太阳能光伏照明系统中功率LED驱动电路的研究［J］. 武汉科技学院学报，2008(10)：45-47.
［5］ 苏奎峰. TMS320X281xDSP原理及C程序开发［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2008：45-55.
(责任编辑：何学华 吴晓红)49,