王 琪

（西安工業(yè)大學電子信息工程學院，西安710032）

LED電氣特性測試儀設(shè)計與實現(xiàn)?

王 琪

（西安工業(yè)大學電子信息工程學院，西安710032）

隨著環(huán)境與能源問題的日益突出，LED燈因其具有能耗低、壽命長、高亮度、低熱量、材料環(huán)保的優(yōu)點，逐漸引起了社會的關(guān)注，成為研究的熱點。在研究和分析LED電氣特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種由LED驅(qū)動電路和單片機檢測電路組成的LED電氣特性測試儀，可對LED恒流驅(qū)動，同時實現(xiàn)對LED燈的電流、電壓、溫度等參數(shù)的采樣與顯示。驅(qū)動電路采用單級反激式拓撲結(jié)構(gòu)，以SA7527為核心設(shè)計PWM開關(guān)電源電路，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正，簡化了電路結(jié)構(gòu)，具有較高的功率因數(shù)，同時具有恒流限壓的特點，效率可達88%以上。檢測電路以ATmega16單片機為核心，實現(xiàn)對LED燈電流、電壓、溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測及顯示。實踐表明，該測試儀可以實現(xiàn)對LED電氣特性的測試與監(jiān)控，具有較好的研究與應(yīng)用前景。

電氣特性；反激式；功率因數(shù)；檢測

1 引 言

LED燈具依靠其功耗低、壽命長、亮度高以及綠色環(huán)保的特點，克服了傳統(tǒng)日光燈、白熾燈等能耗高、壽命短、污染環(huán)境的缺點，成為了研究熱點，逐漸在照明市場普及。大功率LED照明產(chǎn)品的開發(fā)、研制、生產(chǎn)已經(jīng)成為具有廣泛應(yīng)用前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。我國綠色照明工程的組織實施，也極大地促進了LED照明技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，使得大功率LED照明技術(shù)在照明領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，其潛在的市場使大功率LED照明技術(shù)顯示出了強大的發(fā)展?jié)摿?。但是LED在發(fā)光過程中，仍有部分能量轉(zhuǎn)化為了熱能。因此大功率LED的散熱能力成為影響其光電性能和壽命的關(guān)鍵因素之一［1］。另外，目前市場上有一些LED驅(qū)動電源質(zhì)量低劣，導致LED整體電路效率很低、發(fā)熱嚴重，嚴重降低了整個照明系統(tǒng)的效率和可靠性。只有在解決好制造技術(shù)與驅(qū)動電路技術(shù)這兩大問題之下，LED產(chǎn)品才能更加快速的發(fā)展。

LED電氣特性測試儀是在分析LED電壓、電流和PN節(jié)溫度三種主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的恒流限壓測試設(shè)備，該測試儀可對LED進行恒流驅(qū)動，使得LED獲得穩(wěn)定的輸出。同時單片機檢測電路能實現(xiàn)對LED燈的實時監(jiān)測，以便LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下以最佳方式控制LED電流的大小。

2 LED電氣特性分析

由于LED本質(zhì)上就是能發(fā)光的二極管，所以其電氣特性類似于普通二極管，只不過開啟電壓和導通壓降要更大，一般在3V左右，其電氣特性主要就是伏安特性。LED伏-安特性是流過芯片PN結(jié)的電流隨加到PN結(jié)兩端上的電壓變化的特性，是表征LED芯片PN結(jié)性能的主要參數(shù)。完整的LED伏安特性包含正向特性和反向特性兩方面，同時與普通二極管一樣，LED也具有單向?qū)щ娦院头蔷€性特性，即外加正偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻［2］，如圖1所示。

圖1 LED伏-安特性Fig.1 LED volt ampere characteristic

當正向電壓小于某一值時，電流極小，LED不發(fā)光。當電壓超過一定值后，正向電流隨電壓增大而迅速增加，從而使LED發(fā)光。所以高功率LED理想狀態(tài)下的正向V-I特性曲線如圖2所示。

圖2 LED理想狀態(tài)伏安特性Fig.2 LED volt ampere characteristic on the ideal state

LEDV-I特性的數(shù)學模型可表示為：

式中，V0是LED的閾值電壓，Rs為伏安曲線的斜率，IF為正向電流，T為環(huán)境溫度，ΔVF/ΔT是LED正向電壓溫度系數(shù)，典型值為-2V/℃。

從LED的伏安曲線及數(shù)學模型看，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的很大變化，并且環(huán)境溫度、LED老化、使用時間等因素也將影響LED的電氣性能。LED的光輸出量直接與LED的電流相關(guān)，故LED驅(qū)動電源在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下必須精確控制高功率LED驅(qū)動電流大小，否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，不能輸出穩(wěn)定的光強，嚴重影響其使用壽命。

3 LED電氣特性測試儀設(shè)計

LED電氣特性測試儀是針對LED的特點開發(fā)的恒流限壓控制電子電路，利用集成電路技術(shù)將LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。同時，單片機檢測電路能實現(xiàn)對LED燈的實時監(jiān)測，以便LED驅(qū)動電路在輸入電壓、環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下穩(wěn)定驅(qū)動LED工作。硬件電路分為LED恒流驅(qū)動電路和單片機檢測電路兩部分，其原理圖如圖3所示。

3.1 LED驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路主要由抗浪涌保護、EMI濾波、全橋整流、反激式變換器、PWM LED驅(qū)動控制器、閉環(huán)反饋電路組成。AC輸入電壓為全范圍交流市電輸入端，EMI濾波器用來阻擋驅(qū)動電路工作中產(chǎn)生的電磁干擾經(jīng)電源線干擾電網(wǎng)，同時阻止電網(wǎng)的電磁干擾經(jīng)電源線進入后級驅(qū)動電路。輸入的交流市電經(jīng)過前端EMI濾波器后經(jīng)整流橋整流進入臨界導通模式的高功率因數(shù)單級反激變換器［3］，將市電降到安全電壓以內(nèi)，完成功率因數(shù)校正的同時也實現(xiàn)了高低壓電氣隔離?？刂骗h(huán)路實現(xiàn)電流的恒定和電壓限制，從而給LED提供恒定的電流和安全的電壓。驅(qū)動電路如圖4所示。

圖3 LED電氣特性測試儀原理框圖Fig.3 Principle diagram of LED electrical characteristics tester

圖4 單級反激式驅(qū)動電路圖Fig.4 Single-stage flyback drive circuit

交流市電入口接有熔絲F1和抗浪涌的壓敏電阻Z1，熔絲起到線路輸入電流過流保護的作用，壓敏電阻Z1用來抑制來自電網(wǎng)的瞬時高電壓，保護輸入線路的安全。L1，C3，C9是共模濾波器，D1，D3，D4，D7是全橋整流電路，C4是電容濾波器。為了減少波動，由R5，C2，D5組成吸收漏感的RCD電路，為了防止功率管Q2在關(guān)斷過程中承受大反壓，箝位電路的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管。輸出濾波電容C5、C6、C7、C8并聯(lián)減少了電壓紋波。采用反激式拓撲的驅(qū)動電路具有寬電壓輸入、恒流/限壓特性、成本低、控制精度高、調(diào)試簡單等特點［4］。

3.2 單片機檢測電路設(shè)計

單片機檢測電路主要通過傳感器實時采樣大功率LED燈的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)，并且將電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)實時顯示在LCD顯示器上，供現(xiàn)場直觀讀取，以便隨時做出調(diào)整。電路由單片機主電路、檢測電路（包括電壓檢測，電流檢測，溫度檢測）、顯示電路、串口通訊電路、系統(tǒng)供電電路五部分組成。其中單片機主電路以ATmega16為核心，輔以時鐘電路、復(fù)位電路和鉗位保護電路組成，如圖5所示。

圖6是LED電流放大電路，LED電流流過采樣電阻后信號是幾十毫伏級的微弱信號，通過該電路放大，送至單片機的AD轉(zhuǎn)換單元。溫度和電壓信號比較強，可通過分壓電路預(yù)處理成合適的電壓值供單片機AD轉(zhuǎn)換單元。這些信號經(jīng)過AD單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機利用這些數(shù)字量實現(xiàn)監(jiān)控、顯示等功能。

圖5 單片機電路Fig.5 Single chip circuit

圖6 LED電流放大電路Fig.6 LED current amplify circuit

3.3 軟件設(shè)計

軟件由兩部分組成，其一是以ATmega16單片機為主控芯片的下位機程序［5］，通過串口對LED燈的電流、電壓、溫度等參數(shù)進行采樣、濾波，輸出給MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，然后送入PC機進行存儲、顯示，主要包括系統(tǒng)初始化程序、A＼D轉(zhuǎn)化程序、數(shù)字濾波程序以及串口發(fā)送程序。其二是上位機程序，實時顯示輸出的電流、電壓、溫度信號，并在坐標系中描點顯示。系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

以SA7527為驅(qū)動電源的LED電氣特性測試儀，其驅(qū)動電源基于PWM型高頻開關(guān)電源恒壓/恒流控制器設(shè)計，采用電壓，電流雙控制環(huán)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在正常情況下，工作在恒流狀態(tài)時，電流環(huán)起作用，驅(qū)動LED恒流工作，當LED燈出現(xiàn)斷線、開路等故障時，電路進行限壓控制，電壓環(huán)起作用，以免高壓損壞電路或者是LED燈，從而提高控制器可靠性和穩(wěn)壓性。該電路具有寬輸入電壓（85-265VAC）、高功率因數(shù)（大于0.95），高轉(zhuǎn)化效率（大于88%）。單片機檢測電路實現(xiàn)了對LED燈的電壓、電路和溫度的實時監(jiān)測，。該測試儀是比較實用的LED電氣特性測試和研究工具，可對LED的研制提供可靠的數(shù)據(jù)參考，具有很好的實用價值和應(yīng)用前景。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of themain program

［1］ Abraham IPressman，Keith Billings，Taylor Morey.開關(guān)電源設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

Abraham I Pressman，Keith Billings，Taylor Morey.Switching Power Supply Design［M］.Beijing：Electronics Industrial Publishing House，2010.

［2］ 陳傳虞，劉明，陳家楨.LED驅(qū)動芯片工作原理與電路設(shè)計［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

Chen Chuan-yu，Liu Ming，Chen Jia-zhen.Working Principle and Circuit Design of LED Driving Chip［M］.Beijing：Ports and Telecom Press，2011.

［3］ 龍興明，周靜.基于SA7527的LED照明驅(qū)動電源的研制［J］.電子器件，2007，30（3）：904-907.

Long Xing-ming，Zhou Jing.Development of LED Lighting Driver Based SA7527［J］.Electron Devices，2007，30（3）：904-907.

［4］ 董海鷹，李曉青，李坦.單端反激式開關(guān)電源反饋回路的補償控制［J］.電源技術(shù)，2013，37（4）：624-627.

Dong Hai-ying，Li Xiao-qing，Li Tan.Compensating Circuit Design of Feedback Loop of Single Flyback Switch Mood Power Supply［J］.Power Sources，2013，37（4）：624-627.

［5］ 陳忠平.ATmega16單片機C語言程序設(shè)計經(jīng)典實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

Chen Zhong-ping.C Language？Classic Example of Program Design for ATmega16［M］.Beijing：Electronics Industrial Publishing House，2013.

Design and Im plementation of LED Electrical Characteristics Tester

Wang Qi
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

As the issues of energy and environment have been focused on increasingly，the LED lamp，with the advantages of low energy consumption，long life，high brightness，low quantity of heat，environmental protection material，gradually arouses the concern and becomes the research hot spot.Based on the study and analysis of the electrical characteristics of LED，a LED electrical characteristics tester composed by LED driving circuit and SCM（Single Chip Microcomputer）detection circuit is designed，which can drive the LED with the constant current to sample and display the parameters of LED lamp，such as current，voltage and temperature.In the driving circuit，a single-stage flyback topology is used and the PWM switching power supply circuit is designed with SA7527 as the core to realize power factor correction and simplify the circuit structure，which has the advantages of high power factor，limiting voltage with constant current and high efficiency（upto 88%）.The detection circuit，using ATmega16 MCU as the core，can monitor and display the LED parameters of the current，voltage and temperature at real time.The practice shows that this tester can test and monitor the LED electrical characteristics and has good prospects for research and application.

Electrical characteristics；Flyback；Power factor；Detection

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.022

TP216

B

1002-2279（2015）03-0082-04

陜西省教育廳專項科研計劃項目（14JK1339）

王琪（1979-），女，山東省淄博市人，碩士，講師，主研方向：嵌入式、電力電子技術(shù)研究。

2014-12-05