基于STM32的LED恒流驅(qū)動電源設計.doc

畢業(yè)設計說明書第I頁基于STM32的LED恒流驅(qū)動電源設計摘要高亮LED是當今照明技術的重大進步。LED驅(qū)動電源的控制核心采用ARM系列微處理器STM32，實現(xiàn)LED驅(qū)動的智能控制。ARM系列微處理器的應用越來越廣泛，其采用當前最先進的設計理念，使得性能大大提升。能使我們在微控制器、集成開發(fā)軟件、編程語言等知識的學習和掌握水平，使我們在微控制器設計、軟件編程等方面的應用能力得到全面訓練和提高。對于一般照明而言，人們更需要白色的的光源。作為一種新型的光源，LED具有無污染、長壽命、耐振動和抗沖擊的鮮明特點。雖然白光LED的發(fā)光效率正在逐步提高，但是與LED燈配套的驅(qū)動器性能不佳，故障率高成了LED推廣應用的瓶頸。因此眾多廠家選用恒流方式驅(qū)動LED，從而設計的開關電源就需要一個能恒流的直流驅(qū)動電源。傳統(tǒng)的開關電源控制集成電路具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高，并可實現(xiàn)遠程控制等功能。完全適合用來驅(qū)動LED的開關電源。本文主要通過設計一個恒流驅(qū)動電源來驅(qū)動LED。通過各種電力電子組件和電力電子電路組成一個恒流的電源，達到設計的要求。關鍵詞：LED，電源，驅(qū)動，STM32畢業(yè)設計說明書第II頁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畢業(yè)設計說明書第III頁目錄1緒論.51.1課題背景介紹.錯誤!未定義書簽。1.2課題研究方案.錯誤!未定義書簽。1.3課題研究方法.21.4整體電路框圖.錯誤!未定義書簽。2系統(tǒng)所用主要芯片介紹.錯誤!未定義書簽。2.1STM32處理器功能介紹.錯誤!未定義書簽。2.2模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC).132.2.1介紹.132.2.2主要特征.132.2.3引腳描述.142.2.4功能描述.153系統(tǒng)硬件電路設計.173.1LED驅(qū)動電路的分析過程.173.2功率及驅(qū)動電路設計.183.2.1IR2110簡介.183.2.2IR2110內(nèi)部結(jié)構和特點.193.3反饋和保護電路設計.203.3.1綜述.203.3.2軟啟動電路設計.213.3.3電源電路設計.213.3.4開關電源保護電路設計.224PWM控制電路.27畢業(yè)設計說明書第IV頁4.4.1組件選擇和基本原理應用.27結(jié)論.31致謝.32參考文獻.30黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第5頁1緒論1.1課題背景介紹在20世紀愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時間的考驗，成為標準的通用照明工具。但是在21世紀的今天白熾燈即將和我們告別了，新的照明技術尤其是發(fā)光二極管將最終代替白熾燈和熒光燈。當整個世界都在因為日益上升的能源成本而節(jié)約能源預算時，白熾燈照明技術顯然站在了不經(jīng)濟的一邊。一個白熾燈的消耗的能源中有97%被浪費。熒光燈雖然稍好一點，但仍然浪費了85%的能量。而且，這種燈的平均使用壽命大約5000個小時。另外，熒光燈還使用了用毒的汞，發(fā)出的光更是顏色粗糙。兩種技術都無法和白光LED相比它不僅使用壽命是前者的10倍，也不使用有毒物質(zhì)，而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是它的光轉(zhuǎn)換效率絕不亞于熒光燈。因此，在通用照明領域，向LED技術的過度將大大降低能源消耗。盡管白光LED是當今的大規(guī)模照明的一個理想方案，但要把驅(qū)動LED的電子設備普及到每一個燈泡中，設計者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。主要問題是目前LED驅(qū)動電路的性能還沒有實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，其中關鍵的技術問題是驅(qū)動電子系統(tǒng)的電子能量轉(zhuǎn)換效率由于離散范圍極大、參數(shù)難于控制，其高低和穩(wěn)定性就成了整個LED實用技術與產(chǎn)品參數(shù)的重中之重。其次，空間的限制要求LED驅(qū)動器必須小巧而高效。另外還要考慮散熱和EMI（電磁干擾）因素，兩者對于照明設備的可靠性有重要影響，給設計密度帶來了限制。接觸過LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡即正向動態(tài)電阻非常小，要給LED供電就比較困難。不能像普通白熾燈一樣，直接用電壓源供電，否則電壓波動少增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。為了穩(wěn)住LED的工作電流，保證LED能正?？煽康墓ぷ?，各種各樣的LED驅(qū)動電路就應運而生。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第6頁1.2課題研究方案LED驅(qū)動電路中最簡單的就是串聯(lián)一只鎮(zhèn)流電阻，而復雜的是用許多電子元件構成的恒流驅(qū)動器。本課題研究的照明用LED高效控制器屬于恒流驅(qū)動器，它將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。本裝置在設計上具有以下特點：（1）采用開關電源供電方式，輸入電壓范圍廣、抗干擾性好、工作電壓輸出穩(wěn)定。（2）采用傳統(tǒng)的調(diào)光方式PWM（脈寬調(diào)制）技術，系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖。（3）采用電容降壓電路其具有體積小成本低電流相對恒定等。1.3課題研究方法本文主要研究LED驅(qū)動電源的硬件電路部分，硬件電路主要是由STM32處理器和一些電路組成，這些電路包括：功率及驅(qū)動電路，電源電路及保護電路，軟開關電路及控制，電流傳感器。然后對LED驅(qū)動電源的整體電路在進行研究和討論。1.4整體電路框圖黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第7頁2系統(tǒng)所用主要芯片介紹2.1STM32處理器功能介紹控制系統(tǒng)電路中的MCU（微控制器）選用了STM32系列高性能單片機。STM32具有MCU應用領域的32位處理器的性能，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。STM32是屬于單片機中的高端產(chǎn)品，這里僅僅需學習其中的一些指令就可以了，STM32指令大多是單周期指令。振蕩器/時鐘的輸入頻率為72MHz，指令周期為200ns。高精度內(nèi)部振蕩器，雙速啟動模式，適用于關鍵應用的晶振故障檢測，在節(jié)能模式下工作時，可進行時鐘模式切換，微控制器還能產(chǎn)生一個25MHz或50MHz的時鐘輸出，驅(qū)動外部以太網(wǎng)PHY層芯片，從而為客戶節(jié)省了一個附加晶振?？删幊檀a保護，高耐用性閃存單元，可經(jīng)受十萬次操作，保護時間超過四十年。節(jié)能的休閑模式，寬工作電壓范圍（2V到3.6V），容忍5V的I/O管腳。具有很好的低功耗特性。在72MHz時消耗36mA(所有外設處于工作狀態(tài))，待機時下降到2A。一流的外設。1s的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度。最大的集成度。復位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等。具有單獨方向操控的十二個I/O引腳，高灌/拉電流可直接驅(qū)動LED。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第8頁引腳電平變化中斷，獨立的可編程弱上拉，超低功耗喚醒。單周期硬件乘法和除法能加快計算。存儲器。從32K字節(jié)至128K字節(jié)閃存程序存儲器，從6K字節(jié)至20K字節(jié)SRAM，多重自舉功能。多達7個定時器。測器(PVD)、掉電監(jiān)測器，多達3個同步的16位定時器，每個定時器有，內(nèi)嵌4至16MHz高速晶體振蕩器，多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈，內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器。沖計數(shù)的通道，內(nèi)嵌40kHz的RC振蕩器，16位6通道高級控制定時器，內(nèi)嵌PLL供應CPU時鐘，多達6路PWM輸出，內(nèi)嵌使用外部32kHz晶體的RTC振蕩器，死區(qū)控制、邊緣/中間對齊波形和緊急制動。2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間(16通道)，多達2個I2C接口(SMBus/PMBus)，轉(zhuǎn)換范圍是0至3.6V，多達3個USART接口，支持ISO7816，雙采樣和保持功能LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制，溫度傳感器，多達2個SPI同步串行接口(18兆位/秒)調(diào)試模式。CAN接口(2.0B主動)，串行線調(diào)試(SWD)和JTAG接口，USB2.0全速接口。ECOPACK(R)封裝（兼容RoHS），7通道DMA控制器，支持的外設：定時器、ADC、SPI、I2C。由于STM32的資源豐富且功能強大，在本系統(tǒng)中只是使用其中的部分功能。現(xiàn)在對使用的片內(nèi)的外設進行詳細分析。1.復位和時鐘控制STM32F支持三種復位形式，分別為系統(tǒng)復位、上電復位和備份區(qū)域復位。系統(tǒng)復位將復位除時鐘控制寄存器CSR中的復位標志和備份區(qū)域中的寄存器以外的所有寄存器，當以下事件中的一件發(fā)生時，產(chǎn)生一個系統(tǒng)復位：(1).NRST管腳上的低電平（外部復位）(2).窗口看門狗計數(shù)終止（WWDG復位）(3).獨立看門狗計數(shù)終止（IWDG復位）(4).軟件復位（SW復位）(5).低功耗管理復位可通過查看RCC_CSR控制狀態(tài)寄存器中的復位狀態(tài)標志位來確認復位事件來源。軟件復位黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第9頁通過將Cortex-M3中斷應用和復位控制寄存器中的SYSRESETREQ位置1，可實現(xiàn)軟件復位。低功耗管理復位在以下兩種情況下可產(chǎn)生低功耗管理復位：(1).在進入待機模式時產(chǎn)生低功耗管理復位：通過將用戶選擇字節(jié)中的nRST_STDBY位置1將使能該復