张 锋，谈 敏
（江阴职业技术学院 电子信息工程系，江苏 江阴214405）
引言
从人类掌握了钻木取火的技术以来，人类的照明史就经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明这三个大的阶段。随着电子技术地快速发展，最近几年又兴起了半导体固体照明第四代照明方式——LED 照明，这种照明方式安全、节能且环保。
目前，很多家庭在新房装修时大多采用高亮的LED照明，但现在高亮LED 普遍采用工频交流电整流成直流，采用开关电源方式供电形式，但对于海岛或者偏远地区而已，由于尚未接通工频市电，所以无法展现LED 照明的优势了。因此，研究一种如何将低压的电池能源恒定转换成小巧、方便易携带的高亮LED 的驱动电流源就显得尤为重要。
1 任务要求和总体方案设计
1.1 任务要求
（1）输入电压：DC 3.0V～3.6V。
（2）100mA、150mA、200mA 三档可设定的连续电流输出，输出电压最高不低于10V，最低为0V（输出短路）。
（3）输入、输出电压在规定范围内的输出电流相对误差小于2%。
（4）等效的直流负载电阻过大时，输出电压幅值不高于10.5V，超出报警。
（5）输出电流200mA，输出电压10V 时，效率不低于80%。
（6）300、450、600mA 三档可设定的输出电流峰值，相对误差小于5%，间歇期电流小于1mA。
（7）脉冲周期可设定为10、30、100ms 三档，相对误差小于2%，上升时间、下降时间均不大于100μs，电流过冲不大于10%。
1.2 总体方案设计
根据系统的设计任务和设计要求，本系统以单片机为控制核心，主要由升压电路、场效应管和运放组合构成的开关式恒流源输出控制电路、输出电流以及输出电压的采样保护电路、4×4 按键控制电路、液晶显示电路，过压报警提示电路等组成[1]。采用的拓扑结构图如图1 所示。
系统输入的低压直流电源经过开关型升压转换电路输出为12V 电压，其为场效应管和运放组成的恒流源电路提供工作电压。通过按键控制单片机内部的D/A 输出信号，使恒流源电路输出恒定电流驱动的高亮LED 照明。
LED 是一种非线性器件，其正向电压的微小变化都会引起正向电流很大的变化，电流过强或过弱均会引起LED光强度增强或衰减，所以LED 需要由单片机内部的A/D 采集输出的电流、电压信号，实现恒流驱动和过压报警。
图3 恒流源电路
2 电路方案设计与实现
2.1 系统控制器的选择
本系统设计的闪光灯电源为便于携带，体积要求较小，由于系统供电电压为DC 3V 且要求较高的控制精度，因此，本项目采用了STC12LE5201AD 单片机。该单片机是增强型8051 单片机，指令可以兼容传统的51 单片机；功耗低，供电电压可低至3V；速度快，且内部集成有8 路高速8 位A/D 转换；2 路PWM 等电路模块；精度高且适合在一些强干扰的场合应用。
2.2 升压电路设计
该升压电路主要由XL6009 升压型直流电压电源变换器、B54 肖特基型二极管以及储能电感等元器件组成。系统以XL6009 电源变换器3 脚的方波输出信号为开关控制信号，当3 脚的输出电平为低电平时，二极管D1 截止，储能电感L1 吸收能量储存电压，滤波电容C3 与可变电阻RV1 和电阻R1 构成了放电回路，输出电压会随因放电而电压下降；当3 脚的输出电平为高电平时，二极管D1被导通，储能电感L1 通过二极管D1 向滤波电容C3 充电，输出电压会随之升高。XL6009 内部电路和可变电阻RV1、电阻R1 组成了输出电压采样反馈放大电路，使输出电压稳定，放大电路的放大倍数受可变电阻RV1 和电阻R1 控制[2]。输出电压大小为Uout=1.25×（1+RV1/R1）。升压模块电路原理图如图2 所示。
2.3 恒流源电路设计
该电路主要由美国TI 公司生产的LM358P 运放和美国国际整流器公司生产的N 沟道场效应管IRL3803组成。场效应管的特性和恒流源电路原理如图3 所示。
图3（a）是N 沟道增强型场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线。从转移特性曲线上看，场效应管的漏源电流Id 受它的栅源电压控制；从输出特性曲线上看，场效应管可分为可变电阻区、恒流区（放大区）、击穿区、夹断区等四个工作区。在恒流区漏源电流为恒定值，其大小由栅源电压控制。因此，当N 沟道增强型场效应管工作在恒流区时可实现恒流输出，且可以通过改变栅源之间的电压来改变输出的恒流数值的大小[3]。
图3（b）所示为基于N 沟道增强型场效应管所构成的恒流源输出闭环反馈系统的原理图，输出电流经精密的采样小电阻后转换成输出采样电压。该采样电压经过运放U3所构成的比例放大器放大后作为反馈控制电压送至运放U2所构成的比较器的反相端，与同相端的输出电流的控制电压进行比较，通过比较器输出的控制电压改变栅极电压，进而改变栅源之间的电压从而实现对输出电流进行动态调整和平衡，实现输出电流恒定输出的目的[4]。
利用运放的虚短、虚断及相关的公式，可以推导出V控与I控的关系：
由上述公式可知，输出电流I控数值和电阻R4，R5，R7，R8，V控有关，但与场效应管的相关参数无关。所以，只要选择合适的电阻和控制电压基准源，就可以实现恒流输出。
2.4 其他电路设计
2.4.1 矩阵键盘及LCD 显示
本项目采用轻触按键构成的4×4 矩阵键盘来设置直流电源的输出电流。由于输入的电流值范围较大，可以用较少的I/O 口来控制较多的按键，实现工作方式和电流值的设定。
采用LCD1602 液晶进行设定与检测的显示，其优点是能显示较多的内容。
2.4.2 声光报警
当超压保护时，进行声光报警，电路图如图4 所示。
图4 过压报警电路
3 软件设计
为配合硬件电路的工作，本系统设计了相关软件程序，包括电压AD 采样子程序、扫描控制键盘子程序、数值显示子程序、恒定电流控制设定子程序、输出电压超限控制子程序等。主程序流程如图5 所示。
图5 主流程图
4 系统调试
在系统硬件电路和软件程序设计完后，对系统仿真测试可以及早发现并且修正设计中可能存在的问题，是系统设计中不可或缺的一步。系统的测试需要搭建仿真模型，进行模拟测试。同时还搭建了实物验证平台，进行电路硬件测试，对电路原理进行相关验证和测试[5]。
4.1 软件仿真测试
通过Multisim13 仿真平台搭建测试模型，3V 直流低压通过电位器调整输入模拟单片机的D/A 口的输出电压，通过仿真实验可以测得电流会随着控制电压的调整而变化。图6 所示为输出150mA 时的仿真状态。
图6 输出150mA 时的仿真状态
表1 不同档位设定时的测试数据
表2 效率测量数据
4.2 实物测试过程与结果
（1）将直流稳压电源调至3.0V，给设计的电路通电测试，在没有接负载或负载电阻过大时，蜂鸣器报警。
（2）通过开关按键S1、S2、S3 选择100mA，150mA，200mA三个电流档位。观察电路的电流、电压输出数值，并记录其测试结果。
实验结果表明，在连续工作模式下，电路的最高输出电压大于10V，最低输出电压为0V，输出电流相对误差［（Io-Ii）/Ii］*100%小于2%，测试数据如表1 所示。
（3）当输入电压为3.0V 时，测得输入电流810mA，输出电流202mA，输出电压10.1V，效率为η=（10.1×0.202）/（3.0×0.81）=84%。效率测量数据如表2 所示。
（4）接通LED 闪光灯，使用按键设定输出电流分别为300mA、450mA、600mA 三种电流峰值，脉冲周期分别为10、30、100ms 三种时钟周期，用示波器进行输出波形观察并记录。图7 所示波形为周期为10ms 的脉冲波形，其占空比为1/3、相对误差小于2%、上升时间为10.6ns、下降时间为11ns，电流过冲小于8%。电流测量数据表3所示。
图7 周期10ms 时脉冲波形
表3 电流测量数据
5 结论
本文采用N 沟道增强型场效应管所构成的闭环恒流的数控LED 闪光灯电源电路，具有精度高、外围电路少的特点，电路易于实现智能化地控制和自动化地诊断。根据设计要求，实现了将低至3V 的低压电源（如电池电源等）转换为具有恒流输出数控电源，可以驱动高亮的白光LED 发光工作，并具有输出100mA、150mA、200mA 的连续工作模式和300mA、450mA、600mA 脉动输出工作模式等两种工作模式。实验室测试结果表明该电路实现了前述LED 闪光灯电源所需的各设计功能指标，具有一定的实用价值。
