基于单片机的高功率因数智能调光LED驱动器的设计

摘要

LED被广泛应用在照明领域，而性能优异的LED驱动器是制造出优秀LED灯具的前提。随着生活水平及科技水平的提升，LED仅仅发光、发亮将不能满足人们的需求，智能控制技术集节能、调光、营造特殊照明效果等优点于一身，将逐步替代传统照明控制技术，为了顺应时代发展，本文设计了一款高功率因数智能控制LED驱动器，提出两种控制方案:基于Android平台的WiFi控制方案和基于RF的无线遥控控制方案。
　　该智能控制LED驱动器由三个模块组成:AC-DC变换器模块、DC-DC变换器模块及智能控制模块。AC-DC变换器结合临界导电模式(BCM)升压(Boost)双级有源功率因数校正(APFC)技术及准谐振(QR)电流模式反激变换技术，实现高PF及高效的目的，并为DC-DC变换器提供稳定的直流电压，文中阐述了两种技术的工作原理，并对其外围电路元器件进行详细的设计。DC-DC变换器采用稳压芯片输出稳定5V电压，为智能控制模块部分电路供电，且用调光芯片与微处理器输出的PWM调光信号相结合实现调光功能。智能控制模块采用微处理器STM32F103作为系统核心，输出PWM调光信号，根据程序及PID控制算法实现温控及LCD显示功能，此外，智能控制模块采用两种控制方案，一种是遥控器通过RF无线通信技术实现开关定时及调光功能，文中说明了该控制系统的设计思路，并详细介绍了实现各功能的流程图;另一种是Android手机利用WiFi无线通信技术对LED驱动器进行智能控制，文中详细介绍了WiFi模块的选取过程，对Android客户端人机交互界面进行设计与实现，并深入研究了Android平台下客户端和服务器端Socket通信机制。
　　最后进行测试，先对各模块进行调试并分析测量结果，再组装成样机调试，最终测得额定输出电压为30V、额定输出电流为1A、效率大于0.86、PF大于0.97，待机损耗小于0.3W，输出电压纹波系数小于1％，总谐波失真(THD)等于5.1％，实现了温控、定时开关机、可调光及LCD显示功能，样机测试结果表明，各项性能均达设计指标，输出稳定，调光不闪烁，性能良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外现状

1．3 LED的介绍

1．3．1 LED的电气特性

1．3．2 LED的驱动方法

1．4 LED驱动器的发展趋势

1．5 LED驱动器的设计思路

1．5．1 系统的设计指标

1．5．2 系统的结构框图

1．6 论文的章节安排

第二章 LED驱动器的基础知识

2．1 功率因数校正技术(PFC)

2．1．1 不良功率因数的来源

2．1．2 功率因数(PF)与总谐波失真(THD)的关系

2．1．3 功率因数校正(PFC)的分类

2．2 LED调光技术

2．3 无线控制技术

2．3．1 WiFi控制技术

2．3．2 RF控制技术

2．4 Android系统介绍

2．4．1 Android的系统架构

2．4．2 Android的应用开发组件

2．5 本章总结

第三章 AC-DC模块及DC-DC模块的设计

3．1 AC-DC模块的设计

3．1．1 AC-DC变换器模块的原理图

3．1．2 输入保护电路的设计

3．1．3 电磁干扰(EMI)抑制电路的设计

3．1．4 整流滤波电路的设计

3．1．5 BCM Boost型双级APFC电路的设计

3．1．6 准谐振(QR)反激转换器的设计

3．1．7 漏极钳位保护电路的设计

3．2 DC-DC模块的设计

3．2．1 恒压电路的设计

3．2．2 LED驱动电路的设计

3．3 本章小结

第四章 智能控制模块的设计

4．1 微处理器(MCU)的选取

4．2 MCU恒压供电电路的设计

4．3 PWM调光程序的设计

4．4 数字PID控制算法的介绍

4．5 温度控制功能的设计

4．6 LCD显示功能的设计

4．7 RF无线遥控控制方案的设计

4．7．1 RF模块的选取

4．7．2 遥控调光功能的设计

4．7．3 遥控定时开关功能的设计

4．8 基于Android平台的WiFi控制方案的设计

4．8．1 WiFi模块的选取

4．8．2 WiFi模块与STM32F103的接口电路及串口通信的实现

4．8．3 Android开发环境的搭建

4．8．4 Android平台的Socket通信机制

4．8．5 Android手机客户端界面的设计与实现

4．9 本章小节

第五章 样机性能测试及分析

5．1 PCB版图

5．2 系统实验平台及点亮效果图

5．3 AC-DC模块性能测试及分析

5．3．1 AC-DC模块的性能参数

5．3．2 AC-DC模块的功率因数(PF值)

5．3．3 AC-DC模块中MOSFET的栅极及漏极波形

5．4 DC-DC模块的性能测试及分析

5．5 样机整体系统的性能测试及分析

5．5．1 RF遥控控制方案的调光性能测试

5．5．2 基于Android平台的WiFi控制方案的调光效果图

5．5．3 不调光时样机性能测试

5．5．4 输出电流与输出电压设定值的关系

5．5．5 LCD显示性能测试

5．5．6 样机待机损耗测试

5．5．7 输出电压纹波测试

5．5．8 电磁干扰(EMI)测试

5．5．9 输入电压、电流及总谐波分析

5．6 本章小节

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢