CN104319987A - 基于单片机的led路灯电源功率因数校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置及方法，包括所述驱动单片机以及与所述驱动单片机连接的输入交流电压互感器、输出直流电流互感器、开关管和RS232接口。所述单片机内运行的软件根据输入交流电压瞬时值和输出直流电流当前值求取开关管在一个导通周期内的导通宽度校正功率因数。本发明所述基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置及方法，用于以单片机为主芯片的LED路灯电源，可以克服现有LED电源技术中无管理功能、无调光功能、可扩展性差和使用不方便等缺陷，以实现管理功能、调光功能、可扩展性好和使用方便的优点。

Description

基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置及方法

技术领域

本发明涉及发光二极管(light emitting diode，简称LED)照明技术领域，具体地，涉及基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置及方法。

背景技术

专用开关电源芯片是LED路灯电源的主流，包括有源功率因数校正(Active PowerFactor Correction，简称APFC)技术和可靠性都趋于成熟。但是随着人们对路灯管理功能的需求越来越高，基于单片机的开关电源悄然兴起，这种开关电源具有强大的管理功能，并能向第三方提供管理接口实现调光的管理功能。

基于单片机的开关电源功率因数校正不能再用专用芯片，专用芯片以成本低廉的优势统治开关电源领域几十年。既然用了成本稍高一点的单片机，用校正功率因数是理所当然的方法。

LED驱动器功率因数校正国内外现状：

(1)基于专用芯片功率因数校正技术

这种技术基于脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation，简称PWM)芯片设计，直流恒流输出，芯片内部带有功率因数校正功能，属于有源功率因数校正。这种驱动器电路过于简单，只是驱动器，没有管理功能，不能与物联网连接，可扩展性差。

(2)基于硬件电路技术

这种技术基于纯硬件PWM芯片设计，用滤波电路或填谷电路校正功率因数，直流恒流输出，属于无源功率因数校正。这种驱动器也没有管理功能，不能与物联网连接，可扩展性差。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在功能少、可扩展性差和使用不方便等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，以实现功能多、可扩展性好和使用方便的优点。

本发明的第二目的在于，提出基于单片机的LED路灯电源功率因数校正方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，其特征在于，包括电源单元，与所述电源单元连接的驱动单片机，以及与所述驱动单片机连接的RS232接口。

进一步地，所述电源单元，包括依次与市电连接的整流桥、开关管和直流电流互感器；所述开关管和直流电流互感器，分别与所述驱动单片机连接。

进一步地，所述电源单元，还包括连接在市电与所述驱动单片机之间的交流电压互感器。

进一步地，所述开关管，包括绝缘栅复合晶体管。

进一步地，所述RS232接口，包括9针D型串口。

同时，本发明采用的技术方案是：与以上所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置相匹配的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正方法，主要包括：

a、基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，所述单片机软件采集输入电压和输出电流参数；

b、根据设置的预设参数，求取基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置中开关管在一个导通周期内的导通宽度。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

设在某一时刻的参数如下：

控制开关管在一个导通周期内的导通宽度为：Pulse_Width；

直流电流采样值为：DC_I_Val；

交流电压瞬时采样绝对值为：AC_U_Val。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

$\mathrm{Pulse}\_\mathrm{Width}=\mathrm{\λ}\·(512-\mathrm{DC}\_I\_\mathrm{Val})\·\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{\mathrm{AC}\_U\_\mathrm{Val}}{512})---\left(1\right);$

其中，λ为调整系数，为经验值。

进一步地，所述基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置中驱动单片机采用10位AD转换，去掉极性位，还有9位，因此采样最大值为512，公式(1)中512-DC_I_Val，这项是控制输出恒流部分；

当直流输出电流DC_I_Val由于电网电压波动增大时，会导致512-DC_I_Val就减少，从而导致Pulse_Width减少，DC_I_Val减少，实现闭环恒流。

公式(1)中；这项为功率因数校正部分，AC_U_Val增加时导致Pulse_Width减少，AC_U_Val下降时Pulse_Width增加，从而降低市电在正弦波最大值处的导通宽度，增加市电在正弦波较小值处的导通宽度，实现功率因数校正。

本发明各实施例的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置及方法，由于包括电源单元，与电源单元连接的驱动单片机，以及与驱动单片机连接的RS232接口；从而可以克服现有技术中功能少、可扩展性差和使用不方便的缺陷，以实现功能多、可扩展性好和使用方便的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置的工作原理示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-交流电压互感器；2-整流桥；3-开关管；4-直流电流互感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1所示，提供了基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置及方法。

单片机校正功率因数是本发明技术方案的关键，驱动采用PWM(Pulse WidthModulation)技术，单片机驱动。交流电压互感器1，将220V交流市电转化为3V交流给单片机提供交流瞬时电压样值，控制开关管3的导通宽度，即PWM的脉宽；整流桥2，将220V交流市电变为大约270V直流送给开关管；开关管3，采用绝缘栅复合晶体管，由单片机控制导通与关断的比例，实现输出电流的恒流；直流电流互感器4，将输出直流电流转化为0-3V直流电压，送给单片机，控制开关的导通宽度，实现恒流输出。RS232接口为第三方管理提供接口，提供9针D型串口，支持第三方对该驱动器管理。

功率因数校正算法如下：

设在某一时刻的参数如下：

控制开关管3在一个导通周期内的导通宽度为：Pulse_Width

直流电流采样值为：DC_I_Val

交流电压瞬时采样绝对值为：AC_U_Val

则：

$\mathrm{Pulse}\_\mathrm{Width}=\mathrm{\λ}\·(512-\mathrm{DC}\_I\_\mathrm{Val})\·\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{\mathrm{AC}\_U\_\mathrm{Val}}{512})---\left(1\right);$

其中，λ为调整系数，为经验值，在本发明中取3，是经过无数次实验得到的值。

由于本发明技术方案所用驱动单片机采用10位AD转换，去掉极性位，还有9位，因此采样最大值为512。因此公式(1)中512-DC_I_Val，这项是控制输出恒流部分。当直流输出电流DC_I_Val由于电网电压波动增大时，会导致512-DC_I_Val就减少，从而导致Pulse_Width减少，DC_I_Val减少，实现闭环恒流。

公式(1)中，这一项是本发明技术方案的关键算法，称为余弦算法。公式(1)中AC_U_Val为输入交流电压值，最大为512。

当AC_U_Val＝0时， $\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{\mathrm{AC}\_U\_\mathrm{Val}}{512})=1$ 为最大；

当AC_U_Val＝512时，为最小；

因此AC_U_Val较小时，就较大；当AC_U_Val较大时，就较小。这样在交流电瞬时值较大时，Pulse_Width就较小，交流电瞬时值较小时，Pulse_Width就较大。其结果就是开关管3的导通时间受AC_U_Val控制，使交流电源在过零点附近有较大的能量输出，交流电流过零点更靠近交流电压的过零点，从而实现功率因数校正。

实际编程中余弦函数采用查表方式以加快运算速度。采样周期为31.25μs，分别对直流电流、直流电压、交流电压三个量轮流进行采样，每个量的实际采样周期为93.75μs，在市电的一个周期内采样213点。

在每一个直流电流采样周期内计算Pulse_Width值，如果Pulse_Width＞480，则：Pulse_Width＝480。

参考文献：

[1]陈武；王广江.高功率因数无电解电容LED恒流驱动电源

电工技术学报2013年11期

[2]林维明，黄超.LED照明驱动电源中功率因数校正研究新进展

电源学报2013年2期

[3]ON Semiconductor.安森美半导体AC-DC非隔离高功率因数LED驱动方案.电源世界2013年2期

[4]金永镐；金银实.利用NCP1200的高功率因数恒流型大功率LED驱动电路设计.照明工程学报2014年2期

[5]邓一华；熊东；谢三林；李卫平；官德存.高功率因数L E D电源电路.实用新型专利.201220011165

[6]张良保，何俊兴.提高LED电源电路功率因数的改进方法.发明专利.CN201210438893.9

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，其特征在于，包括所述驱动单片机C8051F310以及与所述驱动单片机连接的输入交流电压互感器、输出直流电流互感器、开关管和RS232接口。所述单片机内运行的软件根据输入交流电压瞬时值和直流电流当前值改变所述开关管的导通宽度校正功率因数。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，其特征在于，所述电源单元，包括依次与市电连接的整流桥、开关管和直流电流互感器；所述开关管和直流电流互感器，分别与所述驱动单片机连接。

3.根据权利要求2所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，其特征在于，所述电源单元，还包括连接在市电与所述驱动单片机之间的交流电压互感器1。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，其特征在于，所述开关管3，包括绝缘栅复合晶体管。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，其特征在于，所述RS232接口，包括9针D型串口。

6.与权利要求1所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置相匹配的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正方法，其特征在于，主要包括：

a、基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置，所述单片机软件采集输入电压和输出电流参数；

b、根据输入交流电压瞬时值和输出直流电流当前值求取基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置中开关管在一个导通周期内的导通宽度校正功率因数。

7.根据权利要求6所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

设在某一时刻的参数如下：

控制开关管在一个导通周期内的导通宽度为：Pulse_Width；

直流电流采样值为：DC_I_Val；

交流电压瞬时采样绝对值为：AC_U_Val。

8.根据权利要求7所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

$\mathrm{Pulse}\_\mathrm{Width}=\mathrm{\λ}\·(512-\mathrm{DC}\_I\_\mathrm{Val})\·\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{\mathrm{AC}\_U\_\mathrm{Val}}{512})---\left(1\right);$

其中，λ为调整系数，为经验值。

9.根据权利要求8所述的基于单片机的LED路灯电源功率因数校正方法，其特征在于，所述基于单片机的LED路灯电源功率因数校正装置中驱动单片机采用10位AD转换，去掉极性位，还有9位，因此采样最大值为512，公式(1)中512-DC_I_Val，这项是控制输出恒流部分；

当直流输出电流DC_I_Val由于电网电压波动增大时，会导致512-DC_I_Val就减少，从而导致Pulse_Width减少，DC_I_Val减少，实现闭环恒流。

公式(1)中：这项为功率因数校正部分，AC_U_Val增加时导致Pulse_Width减少，AC_U_Val下降时Pulse_Width增加，从而降低市电在正弦波最大值处的导通宽度，增加市电在正弦波较小值处的导通宽度，实现功率因数校正。