【正文】 制電路 與電阻限流法相比，線性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:線性控制是把工作于線性區(qū)的功率管等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，通過負(fù)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率管的阻值大小使得流過LED的電流維持在一個(gè)恒定的值。但是由于功率管工作在線性區(qū)，消耗了較多的功率，系統(tǒng)的效率不高。線性調(diào)節(jié)器可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。圖25 并聯(lián)型線性控制器和串聯(lián)型線性控制器 并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器。它采用功率管與LED并聯(lián)，分流掉負(fù)載的一部分電流。與電阻限流電路相似，分流調(diào)節(jié)器也同樣需要串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rload，如圖25(a)所示。當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，流過LED上的電流增加，反饋電壓增大使得功率管Q1的動(dòng)態(tài)電阻減小，流過Q1的電流將會(huì)增大，這樣就增大了限流電阻Rload上的壓降，從而使得LED上的電流和電壓保持恒定。分流調(diào)節(jié)器同樣由于串入了限流電阻，系統(tǒng)的效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒流輸出。串聯(lián)型調(diào)節(jié)器是采用功率管與LED串聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，使功率管的動(dòng)態(tài)電阻增大，從而使得功率管上的壓降增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定，如圖25(b）所示。這種控制方式與并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器相比，由于少了串聯(lián)的線性電阻，使得系統(tǒng)的效率較高。但是由于功率三極管或MOSFET管都有一個(gè)飽和導(dǎo)通電壓，因此輸入的最小電壓必需大于功率管的飽和電壓與負(fù)載電壓之和，使得整個(gè)電路的電壓調(diào)節(jié)范圍受限。 電荷泵升壓電路電荷泵升壓電路（圖26）又稱為開關(guān)電容升壓控制器。它利用分立電容將電能從輸入端傳送到輸出端，整個(gè)電路不需要任何的電感。電荷泵變換器設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只需根據(jù)元件規(guī)格來(lái)挑選適合的電容。但它的主要缺點(diǎn)是只能提供有限的輸出電壓范圍，大多數(shù)充電泵電路的輸出電壓增益為輸入電壓的1，3/2，或2倍。若要驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)，必須采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式。此時(shí)為了防止并聯(lián)支路上電流分配不均，每條并聯(lián)支路上必須使用鎮(zhèn)流電阻，這樣會(huì)消耗大量的功率，整個(gè)系統(tǒng)的效率就會(huì)降低。圖26 電荷泵升壓電路 開關(guān)變換電路開關(guān)電源電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)功率管的通斷比可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，理論上將功率管的損耗降低為0V。開關(guān)電源作為能量變換中效率最高的一種方式，特別適用于大功率LED的亮度控制。與傳統(tǒng)的電壓型Buck, Boost, BuckBoost變換器不同的是大功率LED的驅(qū)動(dòng)電路的反饋量是流過LED的電流信號(hào)而不是輸出電壓信號(hào)，如圖27，以此來(lái)滿足LED的恒流驅(qū)動(dòng)要求。采用Buck拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出。這是一種定周期、定時(shí)刻導(dǎo)通的控制方式，通過控制LED的峰值電流來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度，整個(gè)控制電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。采用Boost可以實(shí)現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸出幅值。與電荷泵電路不同的是Boost理論上的升壓增益可以無(wú)窮大，所以在連接多個(gè)LED方式時(shí)可以采用串聯(lián)方式，保證了每個(gè)LED的發(fā)光亮度都相同，并且限流電阻也只需要一個(gè)，有效的提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，可以說(shuō)是所有驅(qū)動(dòng)電路中效率最高的。不過與電荷泵升壓電路相比，需要電感元件，增加了系統(tǒng)的成本和體積。與傳統(tǒng)的BuckBoost變換器相比，用于大功率LED驅(qū)動(dòng)的BuckBoost型變換器電路是將開關(guān)管移至輸入電壓的負(fù)端，從而使得開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)更加簡(jiǎn)單。通過控制LED的峰值電流及其導(dǎo)通占空比，來(lái)調(diào)節(jié)LED的平均電流，以達(dá)到LED亮度調(diào)節(jié)的目的。圖27 Buck、Boost、BuckBoost型大功率LED驅(qū)動(dòng)電路 脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源原理脈沖寬度調(diào)制方式（PWM），其開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖的寬度來(lái)改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量向負(fù)載傳遞的控制，稱之為“定頻調(diào)寬”。本節(jié)將介紹降壓型脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源DC/DC變換器Buck拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)，Buck結(jié)構(gòu)的變換原理和控制方式。開關(guān)電源DC/DC變換器從控制模式上可以分為兩類，電壓控制模式（Voltage Control Mode）和電流控制模式（Current Control Mode）。下面分別介紹電壓控制模式和電流控制模式的原理和特點(diǎn)。 電壓控制模式取代線性變換器的開關(guān)型變換器早在20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用。它將快速通斷的晶體管置于輸入和輸出之間，通過調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制輸出直流電壓的平均值。降壓型的電壓模式開關(guān)電源Buck變換器的原理圖如圖28所示。其中開關(guān)器件Q1與直流輸入電壓VDC直接相連。在每個(gè)周期T內(nèi)，Q1導(dǎo)通時(shí)間為Ton。在Q1導(dǎo)通時(shí)，V1點(diǎn)電壓為VDC（設(shè)Q1導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓降為零）。Q1關(guān)斷時(shí)V1點(diǎn)的電壓迅速下降為0V(假設(shè)續(xù)流二極管D1的兩端的電壓降也為零)，則V1點(diǎn)的電壓波形為矩形波，如圖212所示，Ton時(shí)的電壓為VDC，其余時(shí)間電壓為零，則V1點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓直流值為VDC*Ton/T。LC濾波器接在V1和Vo之間它使輸出點(diǎn)Vo成為幅值等于V DC*Ton/T的無(wú)尖鋒無(wú)紋波的直流電壓。圖28電壓模式開關(guān)電源Buck拓?fù)涞脑韴D其邏輯關(guān)系是，當(dāng)VDC上升時(shí)，則Vo上升，誤差放大器輸出電壓Vea下降，鋸齒波高于Vea的時(shí)間提前，也就是Q1導(dǎo)通時(shí)間Ton縮短，使得Vo =V DC *Ton/T保持不變；同理，如果VDC下降，則Q1導(dǎo)通時(shí)間Ton延長(zhǎng)，最終的結(jié)果也保證Vo不變。由此可以總結(jié)出，無(wú)論輸入電壓VDC如何波動(dòng)，電壓控制系統(tǒng)都會(huì)改變Q1的導(dǎo)通時(shí)間Ton，使得最終的輸出電壓維持在Vo =Vref(1+R2/R1)。下面就詳細(xì)的分析一下整個(gè)電路的工作過程和波形變化，假設(shè)輸出為Vo。圖29 Buck變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點(diǎn)波形 在每個(gè)周期開始時(shí)，電感L上的初始電流為I1，Q1由控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)通，二極管反偏截止，加在L上的電壓的大小為VDCVo，由于電感兩端的電壓恒定，所以流過電感的電流線性上升到I2，其斜率為。當(dāng)控制信號(hào)使Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感的電流不能突變，所以電感兩端電壓極性迅速顛倒，二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種電壓極性顛倒的現(xiàn)象稱為電感反沖。如果沒有接二極管D1，則V1點(diǎn)的電位會(huì)變得很負(fù)以保持電感L上的電流方向不變，這會(huì)讓Q1兩端的電壓差過大而損壞開關(guān)，接上二極管后，實(shí)際V1點(diǎn)的電壓被箝位于比地低一個(gè)二極管導(dǎo)通壓降。電感兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)后，電感中的電流線性下降，其斜率為。Q1關(guān)斷結(jié)束后，電感上的電流降低到I1。當(dāng)Q1再次導(dǎo)通時(shí)，D1的電流減少，Q1上的電流迅速增加并取代了二極管的D1正向電流直到D1上的電流為零，D1再次反偏，V1恢復(fù)到VDC，電感的電流開始重復(fù)前一個(gè)周期的變化過程。在整個(gè)周期內(nèi)，電感的電流會(huì)有I2I1的上下波動(dòng)，輸出電流Io的大小就是。雖然Io會(huì)根據(jù)負(fù)載的變化而變化，但是整個(gè)電感電流上升和下降的斜率卻和負(fù)載無(wú)關(guān)。以上討論的Buck變換器的工作過程是基于穩(wěn)定工作時(shí)電感上的電流在下降的過程中沒有下降到0，也就是I10，我們稱這種模式為連續(xù)工作模式，如圖29中所示。如果電感上的電流在下降的過程中下降至零，也就是在電感上的儲(chǔ)能被完全釋放，我們稱這種工作模式為不連續(xù)模式，如圖210所示。圖210 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖不連續(xù)工作模式輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系推導(dǎo)如下。在一個(gè)周期T內(nèi)，當(dāng)Q1開啟時(shí)，電流從0開始增加，則直到Q1關(guān)斷時(shí)電感電流為，Q1關(guān)斷期間Toff，假設(shè)經(jīng)過Tr時(shí)間（也就是二極管D1導(dǎo)通得時(shí)間）后電感中的能量完全釋放供給負(fù)載，為保證L的電流在Q1下次導(dǎo)通之前已經(jīng)下降到0，則。因電感電流上升和下降的絕對(duì)值相等，則，化簡(jiǎn)得。從控制理論的角度分析，電壓模式控制在整個(gè)控制電路中只有一個(gè)反饋環(huán)路，是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。電壓控制型變換器是一個(gè)二階系統(tǒng)，它有兩個(gè)狀態(tài)變量：輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統(tǒng)是一個(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對(duì)控制電路進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和計(jì)算后，在滿足一定的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)方能穩(wěn)定的動(dòng)作，開關(guān)電源的電流流經(jīng)電感，對(duì)電壓信號(hào)有90度的相位延遲。因此，僅用電壓采樣的方法穩(wěn)壓，響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生振蕩，從而損壞功率器件。電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）單環(huán)反饋的設(shè)計(jì)和分析比較容易進(jìn)行；（2）鋸齒波振幅較大，對(duì)穩(wěn)定的調(diào)制過程可提供較好的噪聲余度；（3）低阻抗功率輸出，對(duì)多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。電壓控制模式的缺點(diǎn)是：（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢；（2）輸出濾波對(duì)控制環(huán)增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償；（3）由于環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，使得補(bǔ)償變得更加復(fù)雜化。 電流控制模式針對(duì)電壓控制模式的缺點(diǎn)，最近十幾年發(fā)展起來(lái)了電流控制模式技術(shù)。電流控制模式可以分為峰值電流模式控制（PCM: Peak Current Mode）和平均電流模式控制（ACM: Average Current Mode），ACM是在PCM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通常情況下電流控制模式所說(shuō)的就是峰值電流控制模式。電流控制模式是在電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電流負(fù)反饋的環(huán)節(jié)，電感電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開關(guān)電源變換器成為一個(gè)一階無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個(gè)極點(diǎn)和90度相位滯后，從而很容易不受約束的得到大的開環(huán)增益和完善的小信號(hào)、大信號(hào)特性。根據(jù)最優(yōu)控制理論，實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)最小的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的誤差平方積分指標(biāo)。因此，在PWM中取輸出電壓和電感電流兩種反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的。圖211為PWM峰值電流控制模式的原理框圖。與電壓控制模式不同的是，電流控制模式的PWM電壓比較器的輸入由電壓控制模式中的鋸齒波信號(hào)換成了對(duì)電感電流采樣值轉(zhuǎn)換成的電壓Vs，比較器的另一端仍然是輸出電壓采樣值與參考基準(zhǔn)的誤差放大值。每個(gè)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)控制將開關(guān)開啟，流過開關(guān)和電感的電流增大，當(dāng)電流增大到Vs超過Vea時(shí)，觸發(fā)器R端置高電位，開關(guān)被關(guān)斷。如果VDC增大，則開關(guān)導(dǎo)通時(shí)Vs上升速度加快，Vs超過Vea所需要的時(shí)間縮短，于是Ton被縮短；反之VDC減小，則Vs超過Vea讓PWM控制信號(hào)翻轉(zhuǎn)所需時(shí)間更長(zhǎng)，增加了Ton維持對(duì)負(fù)載提供的能量大小。由此可總結(jié)出，無(wú)論輸入電壓VDC如何波動(dòng)，電流控制模式同樣也能通過改變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間Ton（也就是改變了占空比），使得最終的輸出電壓維持在Vo =Vref(1+R2 /R1)。從圖34上觀察可以發(fā)現(xiàn)，與電壓模式控制單一閉環(huán)相比，電流控制模式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，由電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，即內(nèi)環(huán)電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)上升，直到達(dá)到電壓外環(huán)設(shè)定的誤差電壓閾值，電流內(nèi)環(huán)是瞬時(shí)快速地對(duì)每個(gè)周期的脈沖電流采樣，檢測(cè)輸出電感的電流動(dòng)態(tài)變化，電壓外環(huán)只負(fù)責(zé)控制輸出電壓。因此電流型控制模式具有比起電壓控制模式大得多的帶寬，無(wú)論是理論分析還是電路測(cè)試，都證明電流型控制比電壓型控制有許多優(yōu)點(diǎn)，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。圖211 PWM峰值電流型控制原理框圖(1) 對(duì)輸入電壓變化的響應(yīng)快。這可直觀的從電路的工作原理中分析出來(lái)：電源輸入電壓的變化，必然會(huì)引起周期初始電流上升的斜率的變化，如電壓升高，則電流增長(zhǎng)變快，反之則變慢，但是只要電流脈沖幅值達(dá)到預(yù)定的幅度，電流控制回路就動(dòng)作，使得脈沖寬度發(fā)生改變，保證輸出電壓的穩(wěn)定。而在電壓控制模式電路中，檢測(cè)電路對(duì)輸入電壓的變化沒有直接的反應(yīng)，一直要等到輸出電壓發(fā)生一定的變化后才會(huì)調(diào)節(jié)脈沖寬度。一般電壓控制模式要5～10個(gè)周期才能響應(yīng)輸入電壓的變化。(2) 過流保護(hù)和可并聯(lián)性。在電流控制型DC/DC變換器中，由于內(nèi)環(huán)采用了直接的電感電流峰值限制，可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)功率開關(guān)管和電感上的瞬態(tài)電流，自然形成了對(duì)每個(gè)周期內(nèi)峰值電流脈沖檢測(cè)電路。只要給定或者限制參考電流，就可以準(zhǔn)確地限制流過功率開關(guān)管和電感中的最大電流，也可以有效地克服輸入電壓浪涌產(chǎn)生很大地尖峰電流從而損壞功率開關(guān)管等這類故障誘因。同時(shí)，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)不必給開關(guān)管的最大電流限制和電感最大儲(chǔ)能留有較大的余度，在保證可靠工作的前提下，盡可能的降低了成本。由于電流控制模式特有的電流限制能力，當(dāng)多臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)電源都有獨(dú)立的電流負(fù)反饋，并聯(lián)輸出電壓有一個(gè)總的電壓負(fù)反饋控制電路，使各個(gè)電流反饋系統(tǒng)有相同的電流參考值，這樣就可以有多臺(tái)開關(guān)電源之間并聯(lián)均流，這在當(dāng)今電源規(guī)格要求繁多，電子設(shè)備整機(jī)可靠性要求提高的形式下，為模塊化電源系統(tǒng)和電源冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了捷徑。(3) 回路穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快。電流型控制可以看作是一個(gè)受輸出電壓控制的電流源，而電流源的大小就反映了電源輸出電壓的大小，這是因?yàn)殡姼兄须娏鞯姆凳桥c直流輸出電流的平均值成比例的，因而電感的延遲作用就沒有了。在本章的前面部分已經(jīng)比較詳細(xì)的介紹了Buck電路的兩種控制方式以及特點(diǎn)，因?yàn)殡娏骺刂颇Ｊ骄哂辛己玫目刂铺匦?，所以電流模式控制LED的驅(qū)動(dòng)方式是較為理想的選擇。但是電流控制模式并不是完美無(wú)缺的，依舊存在兩個(gè)比較大的缺點(diǎn)：平均電流非恒定及電流擾動(dòng)。 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介STC89C52是低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(EPROM)和256 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大STC89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。因此，在這里我選用STC89C52單片機(jī)來(lái)完成，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，特別是其內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富，有應(yīng)用價(jià)值。[12]STC89C52單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)有：，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051CPU： STC89C52單片機(jī)主要性能參數(shù)：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz。實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz、512字節(jié)RAM(32/36個(gè))，復(fù)位后為P1/P2P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O 口），PO口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)， 需加上拉電阻（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器/仿真器，可通過串 口（）直接下載用戶程序，8K程