高效LED驱动电路(2014年TI杯模拟电子系统专题邀请赛)

1、 2014年TI杯模拟电子系统专题邀请赛项目报告题 目： 高效LED驱动电路（6题） 学校： 太原科技大学 指导教师： 于老师 组别： 本科组 应用类别： 低功耗节能类 平台： MSP430LG2553 参赛队成员名单（含个人教育简历）：组员一：组长贺文吉, 现就读于太原科技大学电子信息工程学院电气工程及其自动化专业电气111504班、本科学历。自2011年入学以来参加了太原科技大学科技实践协会，参与了很多项目和制作了很多电子产品。动手和实践能力强,积极参与了TI公司的各种研讨会，玩转TI的430单片机。主要负责分配任务以及对软件的细节进行完善。具有出色的代码能力和逻辑思维能力，善于攻克难题。

2、平时认真负责，点子颇多，具有很强的发现问题和解决问题的能力。酷爱电子制作在本次竞赛中经常连夜制作和统筹协调、整体任务分配、调度以及最后文档的完善。邮箱：384174904组员二：组员刘奇，现就读于太原科技大学电子信息工程学院电气工程及其自动化专业电气111504班、本科学历。自2011年入学以来参加了太原科技大学青年志愿者协会，参与了开关电源和智能小车制作。做事认真负责，兴趣广泛。热爱嵌入式相关技术，在本次比赛中负责资料收集文档、图片编辑和器件采购工作，具有很强的创新能力熟悉各种单片机的使用，对TI的单片机有独到的见解，有良好的团队合作精神，善于发现程序中的BUG。邮箱：.组员三：组员王鹏飞，

3、现就读于太原科技大学电子信息工程学院电气工程及其自动化专业电气121505班。从大一以来积极参见社团活动，主要负责文件内容整理方面的工作。具有较强的总结性。在本次比赛中负责整理资料，撰写论文以及其他繁琐小事。邮箱：.邮寄地址和收件人联系方式：山西省太原市万柏林区窊流路66号太原科技大学（贺文吉收） 电话：1823403XXXX（贺同学） 电话：XXXXXXXXX（刘同学）题 目： 基于TPS61040变换器的高效LED驱动电路 摘要本文设计的是一个基于MSP430G2553单片机的高效恒流LED驱动器。本系统在高位将流过检流电阻的电压差放大，输入误差放大器的同相端。同时控制DAC输出参考电压，

4、输入误差放大器的反相端。两个输入电压经过误差放大器比较后，控制集成Boost芯片的Ref引脚，达到控制LED电流的目的。由于本系统对能耗有要求，在制作时采用了低功耗元件，同时去除了无关的微控制器外设，只有2个控制电流大小的按键，以及电路总开关元件。MSP430G2553单片机工作于低功耗状态，同时采用合理的控制算法，可保持LED继续发光45秒以上。关键字 MSP430G2553 LED 恒流 数控 低功耗This is a design of high efficiency LED driver based on the LaunchPad platform. This system ampl

5、ifies the differential mode signal between the shunt current monitor resistor and input the signal into the positive node of error amplifier. Meanwhile, control the DAC to output the reference signal and input it into the negative node of error amplifier. After the competition of these two signals b

6、y the error amplifier, this signal controls the reference node of boost chip, and control the current which passing over the LED. Based on the limitation of power waste, this system using the low-power components and dump the useless peripheral part of micro control unit, only two keys by using it t

7、o control the pre-setup current. After transforming the power supply by using the farad capacity, LaunchPad turn into low power mode. Also, by using the suitable control mode, this system could turn the LED lights up more than 45s.一、引言在追求节能绿色环保的今天，LED越来越受到大众的青睐，从城市路灯照明到室内家庭照明，从手机屏幕的背光照明到户外用手电筒。由于LED

8、的亮度和流过的电流成正比，而随着点亮时间的变化，LED的等效电阻变化较大。为了保证LED的亮度，同时延长LED的寿命，一个合理的高效恒流控制电路成为了LED灯具中的重点难题。我们组在这次邀请赛中，设计了以TPS61040这款高频低功耗升压转换器为核心的LED驱动电路，借助MSP430G2553的单片机控制DAC7512数模转换器来微控。将TPS61040与LED负载之间的电流监控器INA168中的电流与DAC7512中的电流分别输入OPA2333的误差放大电路中的同相端与反相端，将误差放大器的输出接入TPS610410的Ref引脚，形成反馈回路。系统硬件电路主要分为220V/AC转3.3V/D

9、C供电模块，单片机控制模块以及基于TPS61040的恒定电流驱动模块三部分。在软件方面，程序编写使用CCSV5.3，编写的具体程序除了对各个芯片进行声明与基本设置外主要实现了三个功能：通过两个按键来控制供给LED电流的大小；设置了单片机进入休眠状态的触发条件当流过负载LED的电流小于0.5mA时，指示灯发光。2、 系统方案基于TPS61040的恒定电流控制模块，电源供电模块，单片机控制模块；1：方案论证与比较：1）电流检测方式的选择方案1：采用高端串联小电阻的方式检测电流。采样电阻在Boost输出电路和灯具之间，随后接入差分放大电路。其优点是电源噪声对采样结果影响小，同时可使用一个较小的测流电

10、阻，节省能耗。但是由于运算放大器的输入端电压必须落在电源轨之内，所以无法应用于高电压的电流检测。同时，电路必须具有强大的共模电压抑制比，否则会失调。 方案2：采用低端串联小电阻的方式检测电流。采样电阻在灯具和电源地之间,其优点是在过高的输出电压对灯具供电时也可以检测电流，但是由于运放不具备完全轨到轨的能力，该采样方式对小电流测量无能为力，为了检测小电流，必须增加低端侧流电阻的大小。同时，这种方法的电源噪声对采样结果影响较大，易使电路发生自激。综合方案1和2的优点，本系统采用了高端电阻并结合并连电流监视放大器的电路，采用了一个较小的电阻（20欧姆精确电阻，必须经过校正核实）使得电流流过该电阻时能

11、耗不会过大，同时能得到较好的精度。 4502）数控电流方案方案1：利用DAC控制电压。通过微控制器控制DAC，数模转换后的输出电压进入误差放大器，影响整个环路的工作状态。由于本次比赛没有提供基准源，当电路进入法拉电容供电工作的状态下，DAC输出电压同时下降。方案2：利用脉冲宽度调制（PWM）控制Boost芯片的使能脚，通过微控制器控制PWM信号输出改变Boost电路工作时间的占空比，来达到控制总电流输出的目的。该方法原理非常简单，在该用法拉电容供电后也能保持恒定的电流输出。但是这个PWM频率过高会导致Boost芯片频繁启动的能耗过大，而PWM频率过低会发生闪烁。同时，由于Boost电路中电容缓

12、冲的作用，积分测量后的输出并不是线性关系，需要大量时间用于采集信号，计算。本系统选用方案1，相比于采用单片机产生PWM控制使能脚的方案，方案1在利用了环路自身反馈保持恒定电流输出优点的同时，大大减轻了微控制器的负担，当改变环路电流时，微控制器只需要发送一组数据用于控制DAC输出电压即可，其余时间微控制器可以休眠，故采用方案1。 3002：总体方案描述图2-系统主框图 首先，本系统将基于7805/1117-3.3的供电电路将220V交流电转化为3.3V直流电与Boost电路连接，采用TPS61040作为Boost芯片为灯具供电。然后在Boost电路输出和灯具负载之间加入Shunt电阻，在Shun

13、t电阻两端并联电流监视器INA168将Shunt电阻两端的电压差放大，输入由OPA2333构成误差放大器的同相端。同时使用基于MSP430G2553的最小系统微控制器来控制数字模拟转换器DAC7512输出参考电压，将参考电压输入误差放大器的反相端。反馈电压和控制电压经过误差放大器比较后，集成到Boost芯片TPS61040的Ref引脚，形成反馈回路，达到控制总环路电流的目的。在各个器件之间加入必要的保护器件，防止发生意外时损坏器件。由于本系统对能耗有要求，选择的所有芯片都属于低功耗型号，在供电转换为法拉电容时供电电压变的相当低的电压下也能工作。MSP430G2553单片机处于低功耗状态，同时采

14、用合理的控制算法，使系统在0.47法拉电容供电的情况下，LED电流在0.5mA以上仍可以保持45秒以上。450三、理论分析与计算设计的电流传感器的跨阻放大系数为100，输出电压范围为0.1-2.2V，对应于总输出电流的1mA-22mA。控制信号同样采用0.1V-2.2V的范围，采用12位轨到轨DAC在3.3V供电的情况下能获得大约2500级的控制级别,远远大于题目要求控制级别，使电流控制精度达到0.07mA。计算功耗。微控制器大约消耗150uA。误差放大器大约消耗40uA。电流监测器消耗25uA，DAC消耗80uA。控制反馈回路总电流I1: I1=150uA+40uA+25uA+80uA=29

15、5uA当转成充满电的法拉电容供电时，Boost输出电流按1mA输出计算，每个灯电压设为2.7V，则总消耗功率P1： P1=(2.7×5)×1=13.5mW在此系统中Boost换能器大约为75%效率。则LED负载总功率PLED: PLED=13.5/75=18mW将功率折合成电流计算则ILED： ILED=18÷3.3=5.5mA故当转换成法拉电容供电时，所需总电流I总为： I总=5.5+2.956mA假设法拉电容的电压下降程度和容量成正比，在1.8V电压以上，0.33法拉的电容充足3.3V电压后，能提供大约0.5C的能量，则折合成时间t亮为： t亮=500

16、7;683S 3004、 系统硬件设计4.1 基于7805/1117-3.3的供电电路直流稳压电源是电子系统中的关键部分，其作用是为电子系统提供稳定的电能。 主要介绍了以单相桥式整流及三端集成稳压器为主的直流稳压电源的设计，并完成将输入 220V，50Hz 的电网电压转换为输出 5V 的稳定直流电。首先确定了总体的设计方案，其次，明确了稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，再次设计了 3.3V 直流稳压电源电路，最后进行参数的估算以及元器件的选择。 通过软件Altium Designer完成基本的电路原理图，使其满足基本设计要求。 2001） 技术指标及要求稳压电源的技术指标可以分为两大类：特

17、性指标，包括允许的输出电压、输入电压、输出电流及电压调节范围；质量指标，用来反映输出直流电压的稳定程度，包括输入调整因素、输出电阻、纹波抑制比及温度系数等。 对稳压电源的性能，主要有以下四方面要求：（1） 输入调整因素：当输入电压（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，有： 式中：KV反映了输入电压波动对输出电压的影响。（2）输出电阻。负载变化时（从空载到满载），输出电压 V0应基本保持不变，稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。 R0反映负载电流 I0变化对 V0的影响。（3）温度系数。当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。 （4）纹波抑制比。所谓纹波电压， 是指输出电压中 50Hz

18、或 100Hz 的交流分量，通常用有效值或峰值表示，一般为毫伏数量级，它表示输出电压的微小波动。 常用纹波抑制比 RR 表示： 式中：和分别表示输入纹波电压峰-峰值和输出纹波电压峰-峰值。2） 稳压电源设计稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，将来自电网的220V交变电流变换为整流电路所需的交变电流电压，再通过整流网络，将交流电压变为脉动的直流电压，然后经过滤波网络，将脉动直流电压中大部分的波纹滤除，得到平滑的直流电压，最后经过稳压网络，保证在外界环境（电网电压、环境温度、负载）发生变化时，输出电流电压不受影响。 以全波整流电路作为整流网络， 以极性电容作为滤波网络。由于电源需

19、要输出5V电压，所以采用外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉的固定式三端集成稳压电路 LM7805C 设计制作连续可调的正极型直流稳压电源。 将电网电压（220V/AC）经降压变压器 220：25 输出 25V 交流，经桥式整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块 LM7805C 作用得到 5V 的直流输出，5V的直流再经过LM1117 稳压器得到3.3V直流输出。稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四大部分组成：图4.1.1直流电源系统方框图具体电路如图 4.1.2 所示T1为电源变压器，D1为整流电路，输入电容 C1用于抑制纹波电压， 输出电容 C2用于消振，缓冲冲击性负载，C3、

20、C4用于高频滤波，保证电路工作稳定。其中R1为限流电阻，DZ为稳压输出二极管，LED1作为指示灯。 5403） 稳压电源器件的选择4.1.3.1集成稳压器的选择根据设计指标要求选CW7805器件其主要参数是：V0=5V ,Vi=835V ,Iomax=1.5A ( ViV0 )min>2.0V ， Id=3.2mA。4.1.3.2电源变压器的选择变压器的选择主要依据输入、输出电压和副边输出功率P0。从小型变压器的副边输出功率P0，与效率的关系，如表1所示。 表1副边输出功率P0与效率的关系副边输出功率P0<10VA(10-30)VA(30-80)VA（80-200）VA效率0.60

21、.70.80.9在选择变压器时，V2与输入电压Vi的关系为:Vimin/(1.1-1.2)V2Vimax/(1.1-1.2) (1) 由于8Vi35，由式(1)得:7.27Vi31.82 (2)考虑到功耗因素，一般取副边电压为：V2Vimin/1.17.27 (3) 由于稳压器CW7805的最大输出电流I0max=1.5A，则变压器的副边输出电流有效值为：I2I0max1.5 （4）取I21.6V，V27.27V，则：P211.63W （5）由式(5)和表1可得，0.7，P1P2/0.716.62W。故选20W次级电压为交流10V左右的交流降压变压器。4.1.3.3整流二极管的选择 整流二极管

22、的选择，主要考虑反向击穿VRM，额定工作电流IF。VRM,IF。应满足:VRMV2，IFI0max （6）根据V2=10.95V,I0max1.5A的要求，选IN4001为整流二极管。4.1.3.4滤波电容的选择 滤波电容的选择依据纹波电压的频率f =100Hz，同时考虑到电容器的耐压值应大于了V2=10.92V ,滤波电容可按下式估算: （7）故选标称值为3300F的电解电容器。 4.2基于MSP430G2553的最小系统MSP430 系列单片机是美国德州仪器( TI) 公司从 1996 年开始向市场推出的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集( RISC) 的混合信号处理器( Mixed

23、Signal Processor) 。MSP430G2553 是德州仪器( TI) 公司针对超低功耗而特意向市场推出的一款新型单片机，具有高性价比，超低功耗运行，即使十分微弱的能量也能够驱动MSP430单片机工作，在1.8V以上的电压下CPU都可以正常工作的特点。因为系统对能耗有要求，对比MCS51等类型单片机MSP430G2553在低功耗，低能量驱动方面优势明显且MSP430G2553集成度很高。以下是在设计中使用的 MSP430G2553 试验板具有以下特点:( 1) USB调试与编程接口不需驱动即可安装，且具备高达9600bit/s 的 UART 串行通信速度。( 2) 支持采用 PDI

24、P14 或 PDIP20 封装的所有 MSP430G2xx及 MSP430F20xx 的元器件。( 3) 分别连有绿色 LED 和红色 LED 的两个通用数字 I/O 口引脚可提供明显的视觉反馈。( 4) 两个按钮可实现用户反馈和芯片复位。( 5) 器件的引脚可经插座引出，可以方便于调试，也易于定制扩展板的添加。( 6) 高质量的 20 引脚 DIP 插座，可轻松简便地插入或者移除目标元器件。如图4.2.1所示：图4.2.1 MSP430G2553原理图/封装图430g2553最小系统总体电路设计如下： 图4.2.2-MSP430G2553最小系统图 图4.2.3-振荡电路 图4.2.4-复位

25、电路单片机里虽然集成了很多电路，但仍然不能独立运行，必须要外连一些电路，才能使单片机运行起来。这种能使单片机工作的最简电路，我们叫做单片机最小系统。单片机最小系统主要是由电源、复位、振荡电路以及扩展部分组成。图4.2.3为振荡电路，C1、C4为负载电容，Y1为32.768KHz的晶振，为低频振荡器、为系统提供低功耗晶振，晶振并不能独立的使用，必须配合合适的负载电容，否则会产生频率偏差，或者是使晶振不能工作。负载电容的选择可以根据单片机的技术文档上的说明来选择；图4.2.是一个经的双复位电路，即可实现上电自复位和手动复位，AN1、AN2为系统复位及控制端口；图中LED1为总系统的工作指示灯，R3

26、为限流电阻，C1、C2为滤波电容，2个10位的DIP接口将单片机I/O口引出，以便并网使用。 5104.3基于TPS61040的高效LED驱动电路1）本系统采用了TPS61040作为Boost芯片，为灯具供电。该芯片的开关频率和负载电流及电压有关，负载越轻开关频率越小，这有助于节省开关损耗。电感采用了10uH的铁氧体工字电感。由于电路的开关频率不高，铁氧体电感能够良好工作。续流二极管采用SK24，能提供2A的电流，同时承受40V的反相电压。为了防止灯具意外断路造成Boost电路升压过高，在灯具接口处放置有了一个24V的齐纳二极管，保护整个电路。其电路如图4.3.1所示：图4.3.1-TPS61

27、040构成的BOOST电路2）随后本系统在Boost电路输出和负载灯具之间加入了一个20欧姆的Shunt电阻，当1mA-22mA的电流流过该电阻时，能产生20mV-440mV的差模电压。Shunt电阻越小越节能。这个电压范围避免了10mV以下的较大失调电压输出，也避免了500mV以上的输出不准确。使用25K欧姆的电阻当作INA168的负载，结合INA168内部的5K欧姆电阻，将Shunt电阻两端的电压差放大5倍。整个电流监测电路的跨阻系数为100，故输出电压范围为0.1-2.2V，对应于总输出电流的1mA-22mA。电路中的2个外接电阻经过精密测量，控制误差在一个合理的范围之内。这样构成的电路

28、，即使电阻有误差，也是线性的，可以在程序中补偿。同时，该信号直接驱动运算放大器，运算放大器的输入偏置电流可以忽略不计。其电路图如图4.3.2所示：图4.3.2-由INA168组成的高端电流检测电路 3）在控制上，电流反馈信号输入由低功耗运算放大器OPA2333构成误差放大器的同相端。同时使用MSP430G2553单片机控制数字模拟转换器DAC7512输出参考电压，输入OPA2333的反相端。反馈电压和控制电压经过误外部差放大器比较后，控制集成Boost芯片TPS61040的反馈引脚，达到控制总环路电流的目的。当电流信号低于控制信号时，OPA2333输出电压下降，TPS61040为了补偿这个压降

29、会自动提高输出电压。反馈环路中有3个等效运算放大器，由于各个运算放大器自动平衡的特点，故不需要考虑TPS61040内部误差放大器的工作状态，简化了电路设计。同时也减少了芯片使用量，节省了电源。几个运算放大器的增益带宽积都不高，这样可有效抑制反馈电路中的高频毛刺，无需在电路中加电源补偿滤波。其电路如图4.3.3所示： 图4.3.3-OPA2333构成的比较器4）DAC采用的是轨到轨输出的电阻分压式设计。控制接口采用SPI接口和MSP430G2553单片机链接。当数据改变时才向DAC发送一次数据，其余时间MSP430G2553单片机可以休眠。为了防止电源对DAC的干扰，DAC的供电采用了LC滤波电

30、路。电路如图4.3.4所示：图4.3.4-由DAC7512组成的数模转换电路5） 总体电路如下图所示： 图4.3.5-高效LED驱动电路当供电转换成法拉电容时，随着电容不断放电输出电压也会不断降低，因此DAC的供电电压会下降，但是芯片内部能锁住电阻网络，所以DAC输出的电压是随着供电电压的下降而一起下降的。电容供电时，单片机不工作，所以不产生功耗。由于参与工作的驱动电路芯片、电流检查电路芯片、误差放大电路芯片构成反馈环，只要有电就可以工作在线性区。而Boost电路在1.8V还能工作，因此输出电流也会跟随下降。当法拉电容放电时，初始放电电流越大，可以根据系统自身硬件能找到一个合适点来设置电流，使

31、得设置电流在下降到正常工作电路（0.5mA）之前支撑最长时间。 12004.4系统软件设计MSP430G2553单片机通过SPI接口精确控制数模转换器DAC7512输出电压值，进而精确控制TPS61040与运放等组成的恒流源电路输出电流，点亮LED串。输出电流步进1mA，输出范围0.1mA22mA。MSP430G2553单片机上的LED指示灯在恒流源输出电流小于0.5mA以及大于1mA时点亮，其余时间进入休眠，处于低功耗模式。 图4.4.1-MSP430G2553主程序流程图程序执行的流程如下所述：第一步：在程序开始执行时，首先系统进行初始化，设置初始电流。第二步：初始化完成后检测判断系统是否

32、掉电，若掉电，直接进入低功耗模式；若未掉电，进行数据校准。第二步：在现场校准之后，通过检测设备，读取电流设定值，并通过D/A输出设定值；第三步：循环检测是否掉电，若掉电，直接进入低功耗模式；若未掉电，检测电流是否下降到阈值，如果到了，指示灯显示，否者返回到设定电流。 150 附录具体程序如下： Main.c#include "MSP_HAL.h"int main() UCS_Init(); /System Clock Init PORT_Init(); /GPIO Init DAC_SetData(DAC_CODE0); /Set the Defualt Current t

33、o 1mA _enable_interrupt(); /Enable Interrupt while(1) /Main Process KEY_Process(); LED_Process(); _delay_cycles(2500); MSP_HAL.h#ifndef _MSP_HAL_H_#define _MSP_HAL_H_#include "MSP430.h"#include "stdint.h"/DAC7512 PORT Define#define DAC_PORT P2OUT#define DAC_SYNC BIT5#define DAC_S

34、CLK BIT4#define DAC_MOSI BIT3extern uint8_t dacnum;extern uint16_t KeyPress;extern uint16_t KeyValue;extern const uint16_t DAC_CODE;extern void UCS_Init();extern void PORT_Init();extern void ADC_INT_Init();extern uint16_t ADC_GET_VAL();extern void DAC_SetData(uint16_t dac_dat);extern void KEY_Proces

35、s();extern void LED_Process();#endifMSP_HAL.c#include "MSP_HAL.h"uint8_t dacnum = 0;uint16_t KeyPress,KeyValue;const uint16_t DAC_CODE = 125,250,375,500,630,760,890,1010,1140,1270, 1400,1530,1655,1780,1900,2025,2150,2280,2405, 2535,2665,2790;/Clock System Initializevoid UCS_Init() / Stop w

36、atchdog timer to prevent time out reset WDTCTL = WDTPW|WDTHOLD; BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; / Set range DCOCTL = CALDCO_1MHZ; BCSCTL2 &= (DIVS_3); / SMCLK = DCO = 1MHz /PORT Initializevoid PORT_Init() /LED Port P1DIR |= BIT6; /ADC A0 Analog Input P1DIR &= BIT0; /DAC7512 Port P2DIR |= DAC_SYNC|DAC_SCLK|DAC_MOSI; DAC_PORT |= DAC_SYNC|DAC_SCLK|DAC_MOSI; /KEY Board P2OUT |= BIT1|BIT2; P2DIR &= (BIT1|BIT2); P2REN |= BIT1|BIT2; P2IES &= (BIT1|BIT2); /select falling edge trigger P2IFG =0; /clear flags P2IE = BIT1