CN102769981B - 一种嵌入式实现的智能恒流驱动器及其控制方法 - Google Patents
一种嵌入式实现的智能恒流驱动器及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器及其控制方法，技术特征在于包括整流滤波模块、零点检测模块、DC-DC变换模块、过流保护模块、双限流控制模块、MOS管驱动模块、嵌入式智能控制模块以及基于嵌入式的拓展功能模块本发明的恒流驱动器输入范围大、效率高、可升级、电路结构简单、输出电流可调以及扩展功能丰富的智能恒流控制系统。同时，当负载为LED阵列时，该系统可实现对LED阵列的调光、调色以及闪烁控制等功能。这样，本发明就可用于实现LED照明、LED警示灯、LED显示等装置。
Description
技术领域
本发明属于智能恒流驱动器方案及其控制方法，主要涉及一种嵌入式实现的智能恒流驱动器及其控制方法。
背景技术
目前，主要的PWM(脉冲宽度调制)开关恒流驱动的控制方法有两种，分别为电压型PWM开关恒流控制和电流型PWM开关恒流控制。
PWM开关恒流控制的基本工作原理是：在系统输入电压、内部参数以及外接负载发生变化的情况下，恒流控制电路根据采样的输出电流信号与基准信号的差值进行闭环反馈调节。由于PWM信号的频率恒定，故只需调节一个周期内主电路开关器件的导通时间，便可控制输入向负载传递的能量大小，实现系统电流的恒定输出。
对于电压型PWM开关恒流驱动控制方法，其典型电路如图2所示。基本原理为：采样系统的输出电流并转化为电压Vsen。Vsen通过误差放大器与基准电压Vref进行比较放大，得到相应的误差放大信号Vc(t)。Vc(t)再与锯齿波信号经过PWM比较器比较后，产生对应占空比的PWM波信号，控制开关器件的通断时间。当输出电流变大时，采样电压Vsen增大。由于基准电压Vref不变，故误差放大器的输出Vc(t)减小，相应的，PWM比较器输出的信号占空比也随之减小。进而，一个周期内开关管导通时间减小,使得系统的输出电流下降，实现系统电流的恒定输出。
对于电流型PWM开关恒流驱动，与电压控制模式不同，电流控制模式的PWM比较器的输入由电压控制模式中的锯齿波信号,换成了电感电流采样值与斜坡补偿信号之和的电压Vs。比较器的另一端仍然是输出电压采样值与基准电压的误差放大值。每个周期开始时，时钟信号将开关开启，流过开关和电感的电流增大，当电流增大到Vs超过Vc(t)时，RS触发器R端置高电位，开关被关断。如果系统输出电流变大，则Vsen增大，开关导通时Vs上升速度加快，Vs超过Vc(t)所需要的时间缩短。于是开关管的导通时间Ton被缩短，PWM信号的占空比减小。进而，使得系统的输出电流下降，实现系统的恒流输出。
但是，由于以上两种控制方法中波形发生电路和补偿电路多,整个控制电路结构复杂,且功能单一，智能控制以及多机通信等诸多功能无法实现。
而目前的智能恒流控制装置，其嵌入式芯片并不产生控制开关管通断的PWM信号，而需要独立的恒流或稳压控制芯片来实现系统的恒流输出功能。其恒流控制方法依然采用传统的电压型或电流型开关恒流控制。嵌入式芯片只用来实现装置的智能控制以及多机通信等拓展功能。从而对嵌入式芯片利用不足，造成资源浪费的同时也使得整个恒流控制电路变得复杂。见专利申请号为201110397478.9的一种智能恒流供电装置。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器及其控制方法，是一种输入范围大、效率高、可升级、电路结构简单、输出电流可调以及扩展功能丰富的智能恒流控制系统。
技术方案
一种嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器，其特征在于包括整流滤波模块、零点检测模块、DC-DC变换模块、过流保护模块、MOS管驱动模块和嵌入式芯片控制模块；任意波形周期信号的火线L与整流滤波模块的正交流输入端AC+相接，任意波形周期信号的零线N与整流滤波模块的负交流输入端AC-相接；同时任意波形周期信号的火线接零点检测模块的输入端，零点检测模块的输出端接嵌入式芯片控制模块的I/O口；整流滤波模块的输入滤波电解电容C1的正极为正直流输出端DC+，C1的负极为负直流输出端DC-；滤波电容C1的正极同时与开关管Q1的漏极相接，而Q1的源极与续流二极管D的负极和电感L的一端相接，Q1的栅极与MOS管驱动模块的输出端相接；电感L的另一端接输出滤波电解电容C2的正极和过流保护模块的输入端；开关管Q1、续流二极管D和电感L共同构成BUCK型DC-DC变换模块；过流保护模块的输出端与负载LED阵列的正极相接，LED阵列的负极接比较器0的反向输入端、比较器1的反向输入端和输出电流采样电阻Rs的一端；Rs的另一端与电容C2的负极、续流二极管D的正极、电容C1的负极和整流桥的负直流输出端DC-相接；比较器0的正向输入端接基准电压Vref0，输出端接嵌入式芯片的I/O口P1.2；比较器1的正向输入端接基准电压Vref1，输出端接嵌入式芯片的I/O口P1.1。嵌入式芯片控制模块的串口管脚COM与上位机和远程控制计算机相接。同时，MOS管驱动电路的输入端、矩阵键盘和数码管分别接嵌入式芯片其它的I/O口管脚。
所述DC-DC变换模块为BUCK型、BOOST型或BUCK-BOOST型的DC-DC变换电路。
一种利用所述嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将输入任意波形的周期信号经过整流滤波后变为直流信号，该直流信号的最低电压满足DC-DC的转换要求；
步骤2：将直流信号在其一个周期T内分为n等份，采样这n个等分处直流信号得到电压值U0、U1…Uk…Un-1；其中，U0为直流信号的电压最小值；
步骤3：计算一个周期内PWM信号的n个占空比D0、D1…Dk…Dn-1，Ui为n个瞬时电压值，i为从0到n-1的整数；
当DC-DC模块为BUCK型电路时，Di＝Uout/Ui；
当DC-DC模块为BOOST型电路时，1-Di＝Ui/Uout；
当DC-DC模块为BOOST-BUCK型电路时，Di＝Uout/(U1+Uout)；
步骤4：将该组占空比D0、D1…Dk…Dn-1存入嵌入式芯片中，并输出与占空比D0、D1…Dk…Dn-1相对应的PWM脉冲控制信号；具体方法为：用定时器0将PWM信号的周期固定为Ts＝T/n，用定时器1控制PWM信号的脉冲宽度Ton＝Ts*D，进而，控制嵌入式芯片输出周期Ts恒定，占空比为分别为D0、D1…Dk…Dn-1的PWM信号；
所述各点的占空比与输入信号的同步匹配通过零点检测电路实现，具体方法为：当嵌入式芯片检测到零点检测电路传来的输入信号电压最低点时，嵌入式芯片依次输出占空比为D0、D1…Dk…Dn-1的PWM信号；
同时，嵌入式芯片根据双限流控制模块得到的输出反馈信号调节输出PWM信号的占空比，具体方法为：
(1)根据采样电阻Rs与设计要求的输出电流Iout计算采样电压值Vs＝Rs*Iout；
(2)根据采样电压值Vs设定两个基准电压Vref1和Vref2，Vref0、Vref1的选取需满足如下条件：Vref0＞Vs＞Vref1，且Ve＝(Vref0-Vref1)＜Vp，其中，Vp为设计要求的最大输出纹波电压；
(3)当系统输入电压的有效值或负载参数发生变化时，采样电压变为将Vs与两个基准电压Vref1和Vref2进行比较：
当大于Vref1时，比较器0输出高电平，嵌入式芯片检测到比较器0输出的高电平后，减小输出PWM信号的占空比使得小于Vref1；
当小于Vref2时，比较器1输出高电平，嵌入式芯片检测到比较器1输出的高电平后，增大PWM信号的占空比使得大于Vref2；
步骤5：PWM信号经过MOS管自举升压驱动后控制开关管的通断，进而控制输入向负载的能量传递，实现系统的恒流输出。
有益效果
本发明提出的一种嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器及其控制方法，是一种输入范围大、效率高、可升级、电路结构简单、输出电流可调以及扩展功能丰富的智能恒流控制系统。同时，当负载为LED阵列时，该系统可实现对LED阵列的调光、调色以及闪烁控制等功能。这样，本发明就可用于实现LED照明、LED警示灯、LED显示等装置。
本发明的有益效果(1)本发明直接根据输入和输出要求，预先计算出恒流输出需要的占空比数据并存入嵌入式芯片内，以此控制开关管通断，实现系统的恒流输出。(2)本发明适用范围广。该恒流驱动器于输入可为市电、电池、锯齿波、三角波和任意波形的周期信号。(3)本发明电路简单。直接利用嵌入式芯片产生PWM开关管控制信号，省去了专用的恒流或稳压芯片。(4)本发明通过嵌入式芯片的I/O口直接输出PWM信号，控制开关管通断，易于实现负载LED的调光、调色以及闪烁控制等功能。(5)本发明系统可升级。用户可以根据需要随时对系统进行升级，使该恒流驱动器能更好地满足用户需求。(6)本发明扩展功能丰富，可实现多机通信、远程控制以及系统参数显示等功能。(7)本发明采用软件实现恒流驱动器的软启动和软关断功能，避免冲击电流对设备造成损害的同时简化了系统电路。
附图说明
图1：现有技术的电压型PWM开关恒流驱动电路；
图2：现有技术的电流型PWM开关恒流驱动电路；
图3：本发明的恒流控制系统框图；
图4：本发明的恒流控制系统电路原理图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图4所示，本实施实例包括整流滤波模块、零点检测模块、DC-DC变换模块、过流保护模块以及嵌入式控制模块。可以实现与上位的通信、数码管显示、LED闪烁控制、按键调光以及远程控制等功能。
市电的两个输出分别接入整流滤波电路相应的两个输入端。同时市电的火线端L与零点检测模块的输入端相接，将市电的零点信号传送给嵌入式芯片(可选芯片种类很多，此处以51单片机为例)的一个I/O口P0.2。整流滤波模块与DC-DC变换电路相连。其中，本实施实例采用Buck直流降压变换电路。DC-DC变换电路的输出端与过流保护电路的输入端相接。过流保护模块的输出端直接接负载。此处的负载为LED阵列。LED阵列的负极接比较器0的反向输入端、比较器1的反向输入端和输出电流采样电阻Rs的一端；Rs的另一端与电容C2的负极、续流二极管D的正极、电容C1的负极和整流桥的负直流输出端DC-相接；比较器0的正向输入端接基准电压Vref0，输出端接嵌入式芯片的I/O口P0.2；比较器1的正向输入端接基准电压Vref1，输出端接嵌入式芯片的I/O口P0.1。Rs的另一端则直接接地。嵌入式芯片的串口分别与上位机和远程控制的计算机相接，实现系统的多机通信以及远程控制功能。嵌入式芯片的另外两组I/O口分别与矩阵键盘与数码管显示屏相接，完成系统的参数显示与LED调光功能。
在本实施实例中，市电经过整流滤波后，变为最低电压为15.3V的直流信号。该直流信号的周期为市电周期的一半。在半个市电周期内取100个等分的时刻点。用示波器采样读取这100个时刻处直流信号对应的电压值U0、U1…Uk…Un-1。其中，U0＝15.3V。恒流源输出电压Uout＝10V。则根据BUCK型电路Di＝Uout/Ui，可以得到D0＝0.65。PWM信号的周期Ts＝1/(2*f*100)＝100us。其中，f＝50Hz为市电频率。由Ton＝Ts*D求出半个市电周期内PWM信号的100个脉冲宽度。通过两个定时器控制嵌入式芯片输出相应的PWM信号，进而控制输入向负载的能量传递，实现系统的恒流输出。
当负载参数或市电有效电压值发生变化时，根据嵌入式芯片中内置的比较电路，实现系统的双限流反馈功能，调节系统预存的占空比数据，使之适应系统参数的变化，维持系统输出电流的恒定。其中，零点检测电路主要是采样市电的零点信号，实现预存占空比数据与输入信号的同步匹配。过流保护电路用来避免系统电路受到冲击电流或浪涌的伤害。由于嵌入式芯片I/O输出的信号无法直接驱动MOS管，所以需要MOS管驱动电路实现嵌入式芯片对开关管的控制。
利用嵌入式芯片的串口通信功能，可以发送恒流驱动器的电路参数和接收上位机和远程控制计算机的电路参数或控制指令，实现恒流驱动器的多机通信以及远程控制功能。同时，利用嵌入式芯片的P1组I/O口，可以实现系统各项参数的通过数码管显示。利用嵌入式芯片的P2组I/O口，通过检测矩阵键盘的按键信号，调节嵌入式芯片内置比较电路的基准电压。进而，调节恒流驱动器的输出电流，实现负载LED的调光、调色以及闪烁控制。
本发明利用嵌入式芯片的串口通信功能，发送恒流驱动器的电路参数给上位机和远程控制计算机，同时接收上位机和远程控制计算机所传来的电路参数和控制指令，实现恒流驱动器的多机通信以及远程控制功能。利用嵌入式芯片的P1组I/O口，实现系统各项参数的数码管显示。利用嵌入式芯片的P2组I/O口，通过检测矩阵键盘的按键信号，调节嵌入式芯片内置双限流比较模块中的基准值。进而，调节恒流驱动器的输出电流，实现负载LED的调光、调色以及闪烁控制。同时，在嵌入式系统编程时，使系统开始工作或结束工作时占空比逐渐变大或逐渐变小，实现系统的软启动和软关断。通过定期对系统软件程序的修改和更新，完成系统的实时升级。
Claims (2)
1.一种嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器，其特征在于包括整流滤波模块、零点检测模块、DC-DC变换模块、过流保护模块、MOS管驱动模块和嵌入式芯片控制模块；市电的火线L与整流滤波模块的正交流输入端AC+相接，市电的零线N与整流滤波模块的负交流输入端AC-相接；同时市电的火线接零点检测模块的输入端，零点检测模块的输出端接嵌入式芯片控制模块的I/O口；整流滤波模块的电容C1的正极为正直流输出端DC+，C1的负极为负直流输出端DC-；滤波电容C1的正极同时与开关管Q1的漏极相接，而Q1的源极与续流二极管D的负极和电感L的一端相接，Q1的栅极与MOS管驱动模块的输出端相接；电感L的另一端接电容C2的正极和过流保护模块的输入端；开关管Q1、续流二极管D和电感L共同构成BUCK型DC-DC变换模块；过流保护模块的输出端与负载LED阵列的正极相接，LED阵列的负极接比较器0的反向输入端、比较器1的反向输入端和输出电流采样电阻Rs的一端；Rs的另一端与电容C2的负极、续流二极管D的正极、电容C1的负极和整流滤波模块的负直流输出端DC-相接；比较器0的正向输入端接基准电压Vref0，输出端接嵌入式芯片的I/O口P0.2；比较器1的正向输入端接基准电压Vref1，输出端接嵌入式芯片的I/O口P0.1，嵌入式芯片控制模块的串口管脚COM与上位机和远程控制计算机相接，同时，MOS管驱动电路的输入端、矩阵键盘和数码管分别接嵌入式芯片其它的I/O口管脚。
2.根据权利要求1所述嵌入式芯片实现的智能恒流驱动器，其特征在于：所述DC-DC变换模块为BUCK型的DC-DC变换电路。
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