2023年全國大學生電子設計競賽報告

高效LED驅(qū)動電路〔A題〕 組號：069參賽題目：高效LED驅(qū)動電路〔A題〕參賽對號：xxx參賽選手：xxx參賽地點：xxx參賽時間：2023-8-28~2023-8-292023-8-29摘要：本文主要介紹基于MSP430G2553的高效LED驅(qū)動電路的系統(tǒng)設計。該設計的LED驅(qū)動主回路是以TI公司的DC/DC升壓芯片TPS61040為核心的恒流源電路，通過MSP430G2553對恒流源電路的給定控制，實現(xiàn)對LED電流的準確設定。為了實現(xiàn)延長斷電后的恒流延續(xù)時間，我們采用單獨的TPS61040做自供電升壓穩(wěn)壓電源，為單片機提供穩(wěn)定的、更長時間的工作電壓。為了方便設定值的讀取，綜合考慮系統(tǒng)的設計本錢，采用兩位數(shù)碼管顯示設定電流值。最終，通過設置超級功耗單片機的低功耗模式進入斷電期，真正實現(xiàn)了高效的LED驅(qū)動。關(guān)鍵字：高效LED驅(qū)動msp430低功耗系統(tǒng)方案論證1.1供電方案論證方案一：該方案是指只用一片TPS61040為整個系統(tǒng)提供電源，包括五顆白光LED、MSP430單片機、顯示模塊等。由于TPS61040的輸入電壓低至1.8V，所以當斷電后電容電壓可以跌到1.8V單片機仍然能夠獲得足夠的工作電壓。該方案的優(yōu)點在于只用一片芯片，可以在較低的輸入電壓工作。缺點是輸入電壓不是最低的，輸出電壓的范圍太寬。方案二：該方案指的是用兩片TPS61040作為電源，其中一片單獨為五顆LED做恒流使用，另外一片將輸入電壓升高后，提供給LED的恒流輸入和單片機。為了使升壓電路的工作電壓更低，采用自供電方式，即使用升壓的輸出電壓為升壓芯片供電。這樣可以再電容電壓低至更低值時保證系統(tǒng)的正常工作，進一步延長斷電延續(xù)時間。還能為單片機提供一個相對穩(wěn)定、適宜的工作電壓。缺點是由于升壓電路的參加，系統(tǒng)的效率會有所降低、本錢會提高。本設計采用后者方案，原因在于在對第一種方案測試之后發(fā)現(xiàn)：五顆LED的供電電壓遠高于單片機的工作電壓，導致必須參加降壓穩(wěn)壓拓撲，不可行。1.2主控器方案論證方案一：采用MSP430G2553作為控制器，其資源包括10位AD，14個I/O，5種低功耗模式等，滿足本設計的需要。優(yōu)點在于該單片機工作電壓可低至1.8V,編程控制方便，能夠滿足要求。缺點是型號低端，功耗不如其他兩種型號低，尤其是MSP430FR5739.方案二：采用MSP430F5529作為控制器，其資源包括10位AD，I/O，6種低功耗模式等，滿足本設計的需要。優(yōu)點在于該單片機工作電壓可低至1.8V,低功耗模式功耗非常低。缺點是編程控制不熟悉。方案三：采用MSP430FR5739作為控制器，其資源包括10位AD，I/O，9種低功耗模式等，滿足本設計的需要。優(yōu)點在于低功耗模式功耗極低。缺點是該單片機工作電壓達2V，編程控制不熟悉。綜合上述來看，本設計選擇了熟悉的MSP430G2553作為控制器，在斷電后開啟低功耗模式，根本能夠得到比較理想的性能。1.3恒流控制方案論證方案一：采用PWM方式控制LED電流。優(yōu)點：不需要額外的器件，可由單片機資源完成，節(jié)約本錢，控制精度比較高。缺點：電流采樣比較困難，存在很大紋波，降低控制判斷的準度。方案二：采用D/A輸出電壓的方式控制LED電流。優(yōu)點：控制精度高，紋波小，有利于采樣。缺點：參加D/A芯片，提高本錢，電壓基準不準確，帶來控制誤差。本設計采用方案二，使用DAC7512做D/A轉(zhuǎn)換。理論分析與計算2.1設定電流精度計算由于題目要求〔1〕中要求上電初始值為1mA，變化范圍為1mA～22mA可循環(huán)，步進為3mA，控制精度為±0.2mA，并盡量提高控制精度。因此在選擇A/D之前，為了能到達要求精度，我們作出如下簡單的理論值計算：A/D采樣分辨率：檢流電阻的選擇：D/A輸出分辨率：電流分辨率：2.2能量消耗計算由于題目要求〔2〕中要求開關(guān)S1斷開后，電路由電容C供電。控制LED驅(qū)動電路，在保證LED串上電流不小于0.5mA的前提下，盡可能延長對LED的供電時間。這是對系統(tǒng)功耗和效率的考察，因此我們先作出理想情況下的理論值計算：電容C理想存儲電能：〔假設電容充電足夠久，并忽略漏電流〕QUOTE=1.79685J斷電后供五顆LED以0.5mA電流保持時間：〔只計LED耗電量且電容電能全部輸出〕由以上計算可知，假設電容在最為理想的情況下，只供五顆LED0.5mA亮越4分鐘。但實際情況與此相去甚遠，原因有如下幾點：第一：電容存在內(nèi)阻，不可能做到完全充滿電，也不可能做到將電容中的電能完全釋放出來；第二：除了LED消耗電能，還有大量的電能消耗于DC/DC變換器及控制器等其他電路，這局部電能流失不可不計；第三：為了維持電流0.5mA穩(wěn)定不變，電容電壓跌至1.3V左右，變換器就將失穩(wěn)，停止工作，LED將迅速熄滅，因此電容將殘留局部能量。電路與程序設計圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示意3.1硬件電路設計3.1.1LED恒流驅(qū)動電路圖2五顆LED恒流驅(qū)動電路LED恒流驅(qū)動電路參照TPS61040數(shù)據(jù)手冊上的典型運用，設計電路如圖2所示。該電路的輸入電壓是來自于前級的另外一片TPS61040，因此斷電后能穩(wěn)定的工作較長時間。出于降低功耗提高效率的考慮，設計兩種不同阻值的采樣電阻，通過單片機控制三極管開關(guān)狀態(tài)選擇。恒流閉環(huán)的反響端來自于數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓與取樣電壓經(jīng)電阻分壓的結(jié)果，以到達能通過單片機D/A給定電流的效果。3.1.2自供電升壓電路圖3自供電升壓電路為了進一步降低TPS61040的工作電壓閥值，采用如圖3所示的自供電升壓電路拓撲結(jié)構(gòu)。將升壓輸出引入TPS61040的供電端，從而抬高輸入電壓，使得在輸入電壓低于TPS61040最低工作電壓時仍然能正常工作。3.1.3顯示電路圖4八段LED顯示電路由圖4可知，本次使用的兩片一位LED是由74HC164來做串行轉(zhuǎn)并行靜態(tài)驅(qū)動的。這樣只需要兩根線與單片機相連，與動態(tài)并行掃描比較，既節(jié)約了硬件資源，又節(jié)省了單片機的軟件開銷。系統(tǒng)軟件設計圖5主程序流程圖示意如圖5所示，程序執(zhí)行的流程如下所述：第一步：在程序開始執(zhí)行時，首先檢測輸入電壓是否低于閥值，判斷系統(tǒng)是否掉電，假設掉電，直接進入低功耗模式；假設未掉電，進行數(shù)據(jù)校準。第二步：在現(xiàn)場校準之后，通過檢測按鍵，讀取電流設定值，并通過D/A輸出設定值；第三步：循環(huán)檢測是否掉電，假設掉電，直接進入低功耗模式；假設未掉電，檢測電流是否下降到閾值，如果到了，指示燈顯示，否者返回到設定電流。測試方案與測試結(jié)果圖6系統(tǒng)測試電路如圖6所示為本設計的測試電路，圖中C是一顆0.33F的法拉電容，斷電后為系統(tǒng)提供能量。毫安表直接與五顆白光LED串聯(lián)接入驅(qū)動回路，以檢測流過LED的電流值。本次設計兩個參數(shù)測試實驗，如下文詳述。4.1測試設定電流精度按照題目要求，設計實驗為設定電流精度檢測。實驗過程中接通開關(guān)S，通過循環(huán)按鍵K，步進3.00mA，按表1數(shù)據(jù)依次設定，并讀取毫安表上顯示的電流值，記錄于表1中。偏差的計算公式為：設定電流〔mA〕1.004.007.0010.0013.0016.0019.0022.00實際電流〔mA〕1.013.967.069.9813.0216.1019.0321.97偏差〔%〕110.860.20.150.630.150.13表1設定電流精度測試表由表1數(shù)據(jù)可見，從1.00~22.00mA設定電流偏差不超過1%，滿足高精度要求。4.2測試斷電工作時間按照題目要求，設計該實驗測試系統(tǒng)效率和功耗。實驗開始時閉合開關(guān)S，任意設定電流值，到足夠長時間〔至少等到電容C兩端電壓到達3.3V輸入電壓〕，然后準備斷開開關(guān)，在斷開開關(guān)的同時秒表開始計時，注意觀察毫安表顯示的電流值，等到電流值下降到小于0.5mA時，立即停止計時，并記錄于表2。屢次重復測量并計算平均值。次數(shù)12345678平均時間1’27〞1’20〞1’18〞1’23〞1’19〞1’11〞1’20〞1’18〞1’19.5〞表2斷電續(xù)航時間測試表通過以上數(shù)據(jù)結(jié)果與之前的理論值比較，作出如下的效率估算：結(jié)論本次設計完成了TPS61040的五顆LED恒流驅(qū)動電路設計、前級TPS61040升壓電路設計、DAC7512設計、數(shù)碼管顯示設計等硬件系統(tǒng)設計，經(jīng)過屢次調(diào)試最終到達硬件穩(wěn)定完成預期工作?；贛SP430G2553的控制系統(tǒng)軟件調(diào)試包括定時器、I/O口、10位A/D等，最終完善所有預期功能，并且與硬件連調(diào)通過，性能良好。經(jīng)過設計實驗測試，該系統(tǒng)用單片機控制LED發(fā)光管亮度。流過LED的平均電流可通過按鍵控制。上電初始值為1mA，變化范圍為1mA～22mA可循環(huán)，步進為3mA，控制精度為±0.1mA。開關(guān)斷開后，電路由電容供電。在保證LED串上電流不小于0.5mA的前提下，延長對LED的供電時間達1’27〞。用單片機檢測流過LED串的電流。在當流過LED串的電流在1mA-0.5mA之間時，單片機開發(fā)板上的LED指示燈熄滅；當流過LED串的電流大于1mA或小于0.5mA時，點亮LED指示。除了要求完成功能之外，本設計還參加數(shù)碼管顯示局部，能顯示設定電流值，方便設定。參考文獻[1]TexasInstruments,Incorporated[SCHS155,C]．CD54HC164,CD74HC164,CD54HCT164,CD74HCT164(Rev.C)DataSheet．TexasInstruments，2023．[2]TexasInstruments,Incorporated[SBAS156,B]．Low-PowerRail-To-RailOutput12-BitSerialInputD/AConverter(Rev.B)DataSheet．TexasInstruments，2023．[3]TexasInstruments,Incorporated[SLVS413,E]．LowPowerDC/DC