摘 要 本文从应用角度出发，详细介绍了一款基于DSP数字控制的LED驱动器的设计过程。重点介绍了该驱动器硬件电路设计的原理和软件设计的思路，该驱动器已经过1年的实际运行，其安全性、可靠性已得到验证。

关键词 DSP，LED驱动器，BOOST电路

 1.引言

当今社会能源越来越匮乏，节能减排已成为整个社会的共识，太阳能供电的LED路灯以其优异的照明性能及节能环保性能已得到了广泛的应用。但是，当前所使用的LED路灯在许多方面还需要进一步改进，智能化便是其发展的一个重要方向。虽然模拟控制技术的发展已相当成熟，但是在智能化领域模拟控制技术已显得力不从心，而数字控制技术便能有效的解决这一问题。因此，本文以此为出发点，介绍一款数字式LED驱动器的设计过程。

2.硬件设计

2.1驱动器总体结构：

图1所示该数字式LED驱动器主要由电源模块、DSP、驱动模块、主电路以及反馈信号处理五部分组成，以下将对各部份进行说明。

2.2硬件电路设计部分：

太阳能供电的LED路灯属于节能环保产品，为降低成本提高效率，一般采用白天太阳能板为铅酸蓄电池充电蓄能，晚上则使用蓄电池的12V或24V电源为LED灯供电照明。由于LED灯的伏安特性为二极管类型的指数特性，若采用恒压或调压方式为LED灯供电，则照明效果在同一批次产品中会由于LED参数波动而表现出不同的照明效果，即使对于固定的LED灯，由于二极管的伏安特性会随环境温度的不同而变化。决定LED照明效果的主要因素是电流，因此对于LED灯的照明一般应考虑使用恒流或调流方式获得较好的照明效果。

使用模拟控制电路一般就可使LED灯工作于调流方式，但LED灯工作于恒流方式下，其照明效果会在上电后2小时左右的时间内不断增强。同时作为路灯照明，在天黑后的最初4~5个小时内人流车流较大，需要较高的照度，而进入深夜后人流车流较小，可以降低照度，当探测到行人或车辆时（也可以由相邻的路灯通知）再增加照度。对于这些智能型的要求，模拟驱动器控制就显得力不从心了，而目前普通含PWM功能的MCU用于LED照明时，由于其内部PWM发生器的时钟频率一般是MCU系统时钟频率，通常在几十兆赫兹至一百兆赫兹之间，对于调流控制通常希望产生千分之一以上精度的PWM信号，则PWM信号的频率只能在一百千赫兹以下，而LED驱动装置通常安装于LED灯背后，对体积有一定的限制，所以不论主电路采用BUCK模式还是BOOST模式，或者出于成本考虑，均希望在PWM精度不变的情况下进一步提高斩波频率，从而降低对电感量的需求。

出于以上考虑，笔者采用微芯公司的开关电源专用DSP芯片，研制了LED照明驱动器，可同时驱动100W和50W的两路LED灯分别用于车道和人行道照明，并预留RS485通讯接口用于相邻路灯的通讯控制，主电路采用BOOST电路结构。微芯公司的DsPIC30F202X系列开关电源专用16位DSP芯片有28脚和44脚两种封装型式，单一5V电源供电（也可3.3V工作），4对PWM输出通道，为提高PWM的分辨率和斩波频率，在DSP工作于30MIPS时，通过内部480MHzVCO的32×PLL可以在斩波频率为468.9kHz时实现11位（1/2048）的分辨率，从而在保证调流控制精度的前提下大幅缩减对BOOST电路电感量的需求，同时其PWM可设置为互补、推挽、多相、变相、电流复位、电流限制模式，在本设计中需驱动两路LED灯，为减小对电源的电流冲击，使两路PWM信号工作于多相独立方式（2相互错180o）。

图2所示为两路LED灯的一路，可以看出与普通BOOST电路完全相同，出于安全保护的需要，对输入电压和输出电压增加的监视反馈点（VIN,VOUTA）,而IAS2为主闭环电流反馈监视点，IAS1用于对MOS管Q1实现过电流保护。

图3所示为输出电压检测信号调理电路，使用轨至轨减法放大器，便于DSP以较大的分辨率检测所关心范围内的输出电压变化，由于每路LED的输出电压应当24V至36V范围内，通过减法放大器，使输出电压VOUTA为24V时，放大器的输出VOUTA_AN为0V，而输出电压VOUTA为36V时，VOUTA_AN为5V。这样在理论上DSP的10位精度AD转换器可以分辨出12mV的输出电压变化，若直接对输出电压进行分压检测，则只能分辨出35mV的电压变化。

图4所示为MOS管电流保护检测电路和输出电流检测电路，使用轨至轨差分放大器放大检测电阻上的微弱信号，放大器的闭环放大倍数约为40，这样可以大幅缩减采样电阻的阻值，减小采样电阻的发热量及功率需求。

图5为MOS管驱动电路，采用TC4426A集成驱动芯片可同时驱动两路BOOST电路的MOS管。上拉电阻则可保证在DSP复位期间驱动器输出低电平。

图6为DSP的接口电路，由于芯片内部自带14.55MHz的RC振荡器，通过PLL可使DSP工作于30MIPS，同时使能VCO PLL可获得PWM发生器所需的480MHz的高频时钟。

3.软件设计部分：

一款性能优异的LED驱动器不仅与其硬件部分密切相关，软件部分也尤为重要。在此，软件部分主要包括DsPIC30F2020相关寄存器的设置和电流闭环控制算法的设计。                      DsPIC30F2020相关寄存器的设置可查阅参考文献[1]；

电流闭环的控制软件也非常简单，控制周期为0.5ms时，仅适用常规积分分离PI控制算法^[4]就可得到满意的结果，同时可实现预期的智能管理功能。

图7所示为其流程图，采用积分分离PI控制算法构建电流闭环。在数字P调节控制系统中，引入积分环节的目的是为了消除静差，提高精度，但在过程的开始、结束或大幅增减给定值时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PI运算的积分饱和，引起系统的超调。引入积分分离PI控制算法，既保持了积分作用，又减少了超调量，使得控制性能有了较大的改善。

ε是根据实际情况，人为设定的阈值，当||eε≤时，采用PI控制，保证系统的精度；当||eε≥时，采用P可避免产生超调，又使系统有较快的响应。

4   实验结果

图8所示为实测输出电流波形：输入电压为12V、斩波频率为453.5kHz、负载为50WLED路灯，对输出电流进行测试。并对不同负载情况作进一步测试，均能使电流波动率小于1%。

当输入电压为24V时，本系统也可正常工作（电感量需微调）。本方案已经过1年的实际运行，安全可靠。目前已将本方案扩展为3通道输出，分别驱动红、绿、蓝色LED灯，由RS485接口输入指令，调节各通道的输出电流，可实现3色配光。