基于STM32的LED恒流驱动电源设计.doc

毕业设计说明书第I页基于STM32的LED恒流驱动电源设计摘要高亮LED是当今照明技术的重大进步。LED驱动电源的控制核心采用ARM系列微处理器STM32，实现LED驱动的智能控制。ARM系列微处理器的应用越来越广泛，其采用当前最先进的设计理念，使得性能大大提升。能使我们在微控制器、集成开发软件、编程语言等知识的学习和掌握水平，使我们在微控制器设计、软件编程等方面的应用能力得到全面训练和提高。对于一般照明而言，人们更需要白色的的光源。作为一种新型的光源，LED具有无污染、长寿命、耐振动和抗冲击的鲜明特点。虽然白光LED的发光效率正在逐步提高，但是与LED灯配套的驱动器性能不佳，故障率高成了LED推广应用的瓶颈。因此众多厂家选用恒流方式驱动LED，从而设计的开关电源就需要一个能恒流的直流驱动电源。传统的开关电源控制集成电路具有效率高、输出稳定、可靠性高，并可实现远程控制等功能。完全适合用来驱动LED的开关电源。本文主要通过设计一个恒流驱动电源来驱动LED。通过各种电力电子组件和电力电子电路组成一个恒流的电源，达到设计的要求。关键词：LED，电源，驱动，STM32毕业设计说明书第II页STM32-basedsoftwaredesignoftheLEDdrivepowerAbstractBrightLEDlightingtechnologyistodayamajoradvancement.LEDdrivepowercontrolcorewithARMfamilyofmicroprocessorSTM32,realizationofLED-drivenintelligentcontrol.ARMfamilyofmicroprocessorusedmorewidely,whichusesthemostadvanceddesignconcepts,makingtheperformancegreatlyenhanced.Allowustomicro-controllers,integrateddevelopmentsoftware,programminglanguages,suchasknowledge,learningandmasterylevel,sothatweinmicro-controllerdesign,softwareprogrammingandotheraspectsofcompetencyhavebeenfullytrainedandimproved.Forgenerallightingpurposes,peopleneedwhitelight.Asanewtypeoflightsource,LEDhasnopollution,longlife,resistancetovibrationandshockofthedistinctcharacteristics.AlthoughtheluminousefficiencywhiteLEDisgraduallyimproving,butwithLEDlightsmatchingdrivepoorperformance,promotetheuseofLEDfailureratehasbecomethebottleneck.SomanymanufacturersuseconstantcurrentmodetodriveLED,andthusthedesignofswitchingpowersupplywillneedaconstantcurrentoftheDCdrivepower.TheconventionalswitchingpowersupplycontrolICwithhighefficiency,outputstability,highreliability,andofferfeaturessuchasremotecontrol.EntirelysuitablefordrivingLEDsswitchingpowersupply.Inthispaper,throughthedesignofaconstantcurrentdrivepowertodrivetheLED.Throughavarietyofpowerelectroniccomponentsandpowerelectroniccircuitstoformaconstantcurrentpowersupply,tomeetthedesignrequirements.Keywords:LED,Power,Drive,STM32毕业设计说明书第III页目录1绪论.51.1课题背景介绍.错误!未定义书签。1.2课题研究方案.错误!未定义书签。1.3课题研究方法.21.4整体电路框图.错误!未定义书签。2系统所用主要芯片介绍.错误!未定义书签。2.1STM32处理器功能介绍.错误!未定义书签。2.2模拟/数字转换(ADC).132.2.1介绍.132.2.2主要特征.132.2.3引脚描述.142.2.4功能描述.153系统硬件电路设计.173.1LED驱动电路的分析过程.173.2功率及驱动电路设计.183.2.1IR2110简介.183.2.2IR2110内部结构和特点.193.3反馈和保护电路设计.203.3.1综述.203.3.2软启动电路设计.213.3.3电源电路设计.213.3.4开关电源保护电路设计.224PWM控制电路.27毕业设计说明书第IV页4.4.1组件选择和基本原理应用.27结论.31致谢.32参考文献.30黄河科技学院毕业设计说明书第5页1绪论1.1课题背景介绍在20世纪爱迪生发明的白炽灯经受住了时间的考验，成为标准的通用照明工具。但是在21世纪的今天白炽灯即将和我们告别了，新的照明技术尤其是发光二极管将最终代替白炽灯和荧光灯。当整个世界都在因为日益上升的能源成本而节约能源预算时，白炽灯照明技术显然站在了不经济的一边。一个白炽灯的消耗的能源中有97%被浪费。荧光灯虽然稍好一点，但仍然浪费了85%的能量。而且，这种灯的平均使用寿命大约5000个小时。另外，荧光灯还使用了用毒的汞，发出的光更是颜色粗糙。两种技术都无法和白光LED相比它不仅使用寿命是前者的10倍，也不使用有毒物质，而且几乎能发出任何颜色的光。更重要的是它的光转换效率绝不亚于荧光灯。因此，在通用照明领域，向LED技术的过度将大大降低能源消耗。尽管白光LED是当今的大规模照明的一个理想方案，但要把驱动LED的电子设备普及到每一个灯泡中，设计者还面临着不小的挑战。主要问题是目前LED驱动电路的性能还没有实现高效率转换，其中关键的技术问题是驱动电子系统的电子能量转换效率由于离散范围极大、参数难于控制，其高低和稳定性就成了整个LED实用技术与产品参数的重中之重。其次，空间的限制要求LED驱动器必须小巧而高效。另外还要考虑散热和EMI（电磁干扰）因素，两者对于照明设备的可靠性有重要影响，给设计密度带来了限制。接触过LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡即正向动态电阻非常小，要给LED供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动少增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳住LED的工作电流，保证LED能正常可靠的工作，各种各样的LED驱动电路就应运而生。黄河科技学院毕业设计说明书第6页1.2课题研究方案LED驱动电路中最简单的就是串联一只镇流电阻，而复杂的是用许多电子元件构成的恒流驱动器。本课题研究的照明用LED高效控制器属于恒流驱动器，它将交流电压转换为恒流电源，同时按照LED器件的要求完成与LED的电压和电流的匹配。本装置在设计上具有以下特点：（1）采用开关电源供电方式，输入电压范围广、抗干扰性好、工作电压输出稳定。（2）采用传统的调光方式PWM（脉宽调制）技术，系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲。（3）采用电容降压电路其具有体积小成本低电流相对恒定等。1.3课题研究方法本文主要研究LED驱动电源的硬件电路部分，硬件电路主要是由STM32处理器和一些电路组成，这些电路包括：功率及驱动电路，电源电路及保护电路，软开关电路及控制，电流传感器。然后对LED驱动电源的整体电路在进行研究和讨论。1.4整体电路框图黄河科技学院毕业设计说明书第7页2系统所用主要芯片介绍2.1STM32处理器功能介绍控制系统电路中的MCU（微控制器）选用了STM32系列高性能单片机。STM32具有MCU应用领域的32位处理器的性能，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。STM32是属于单片机中的高端产品，这里仅仅需学习其中的一些指令就可以了，STM32指令大多是单周期指令。振荡器/时钟的输入频率为72MHz，指令周期为200ns。高精度内部振荡器，双速启动模式，适用于关键应用的晶振故障检测，在节能模式下工作时，可进行时钟模式切换，微控制器还能产生一个25MHz或50MHz的时钟输出，驱动外部以太网PHY层芯片，从而为客户节省了一个附加晶振。可编程代码保护，高耐用性闪存单元，可经受十万次操作，保护时间超过四十年。节能的休闲模式，宽工作电压范围（2V到3.6V），容忍5V的I/O管脚。具有很好的低功耗特性。在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2A。一流的外设。1s的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度。最大的集成度。复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等。具有单独方向操控的十二个I/O引脚，高灌/拉电流可直接驱动LED。黄河科技学院毕业设计说明书第8页引脚电平变化中断，独立的可编程弱上拉，超低功耗唤醒。单周期硬件乘法和除法能加快计算。存储器。从32K字节至128K字节闪存程序存储器，从6K字节至20K字节SRAM，多重自举功能。多达7个定时器。测器(PVD)、掉电监测器，多达3个同步的16位定时器，每个定时器有，内嵌4至16MHz高速晶体振荡器，多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉，内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器。冲计数的通道，内嵌40kHz的RC振荡器，16位6通道高级控制定时器，内嵌PLL供应CPU时钟，多达6路PWM输出，内嵌使用外部32kHz晶体的RTC振荡器，死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动。2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道)，多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)，转换范围是0至3.6V，多达3个USART接口，支持ISO7816，双采样和保持功能LIN，IrDA接口和调制解调控制，温度传感器，多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)调试模式。CAN接口(2.0B主动)，串行线调试(SWD)和JTAG接口，USB2.0全速接口。ECOPACK(R)封装（兼容RoHS），7通道DMA控制器，支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C。由于STM32的资源丰富且功能强大，在本系统中只是使用其中的部分功能。现在对使用的片内的外设进行详细分析。1.复位和时钟控制STM32F支持三种复位形式，分别为系统复位、上电复位和备份区域复位。系统复位将复位除时钟控制寄存器CSR中的复位标志和备份区域中的寄存器以外的所有寄存器，当以下事件中的一件发生时，产生一个系统复位：(1).NRST管脚上的低电平（外部复位）(2).窗口看门狗计数终止（WWDG复位）(3).独立看门狗计数终止（IWDG复位）(4).软件复位（SW复位）(5).低功耗管理复位可通过查看RCC_CSR控制状态寄存器中的复位状态标志位来确认复位事件来源。软件复位黄河科技学院毕业设计说明书第9页通过将Cortex-M3中断应用和复位控制寄存器中的SYSRESETREQ位置1，可实现软件复位。低功耗管理复位在以下两种情况下可产生低功耗管理复位：(1).在进入待机模式时产生低功耗管理复位：通过将用户选择字节中的nRST_STDBY位置1将使能该复