LED照明产品功率变换数据控制技术的产业化.doc
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1、LED照明产品功率变换数据控制技术的产业化项目验收工作总结报告一、项目概述我公司LED事业部在2006年开始与中山大学在LED灯饰照明产品开发与应用方面进行产学研一体化合作,并于2009年由LED事业部总经理黄彤光成功申报中山市产学研项目LED照明产品功率变换数据控制技术的产业化,文件编号:中科发2009129号,立项编号:2009CXY015。1.1研究目的、用途全彩色LED 照明产品的控制一般采用总线进行亮度控制并产生颜色变化。为使LED光源能够持续稳定可靠地工作,需采用恒流驱动方式。但目前市场上的LED 照明产品绝大多数是使用开关电源降压后再对LED 进行恒流驱动,由于电源是经过高低压变
2、换后再驱动LED 发光,电能的利用效率较低。本项目拟在LED 灯具的设计中取消开关电源,直接对AC220V 电源进行功率变换并进行恒流处理后驱动LED发光,同时在灯具里设计并集成低功耗的逻辑控制电路,以减少低压驱动电路的功率损耗,提高电能的利用效率,促进高效节能LED 照明产品的产业化。1.2 主要研究内容第一、如何提高电源的功率因数。为了提高电源的功率因数,需在交流220V电源输入端设计功率补偿电路,然后经过整流电路变成高压直流。第二、LED的高压功率驱动电路的设计。拟采用Supertex 公司的高压恒流集成电路HV9910B对LED进行驱动,关键要解决功率驱动电路与数据控制电路如何接口的问
3、题。第三、控制电路的处理器(MCU)接收解码器产生的控制命令,并给后级LED驱动电路产生亮度调整的PWM信号;重点解决前级解码器的编码命令信号和产生后级的驱动信号。第四、高压总线频率调制信号的接收问题。必须设计性能非常稳定的通信信号接收变换电路,将控制总线的高压调制信号,变换成处理器的输入信号,从而保证处理器对总线上50个灯具的控制功能。第五、把功率变换电路与数据控制电路设计成一个LED照明产品的专用控制功能模块,使这个模块可以应用在不同的LED照明产品上。重点解决产品化过程的产品质量稳定性,减少控制电路体积,以适应不同产品的需要。1.3实施的方法、技术路线本项目的实施基于标准DMX512灯光
4、控制系统下的DMX512解码器和LED灯具的研发,DMX512解码器接收标准DMX信号源的信息,分析DMX数据是灯具显示数据还是命令数据,截取50个路灯的数据,并以较低速度和较高电压DC24V的脉冲数据信号与灯具进行通信。LED灯具接收解码器的控制数据和显示数据,并控制LED进行显示,每个解码器最多驱动50个灯具。信号系统如图3-1示:图3-1 灯光照明系统控制结构图在DMX512解码器的设计,由于处理器需要实时接收上一级DMX信号,同时需要向下一级灯具产品发送相应的控制信号,因此对电路的处理速度要求较高。本项目采用Microchip公司的高端系列微控制器dsPIC30F4011进行DMX51
5、2解码,后级设计高压总线采用频率调制驱动方式,达到驱动50个全彩色灯具产品并具有每秒25帧的更新速度。前端DMX解码电路采用DC5V电源,后级Data信号采用DC24V驱动电源,由于Data线需要与电力信号电缆平行传输,信号输出需要经电气隔离、信号放大、功率驱动电路最后输出到数据总线(Data线),解决工频50Hz高压电源的干扰问题和信号长线驱动问题。同时配合灯具产品接收端定义专用的信号通信协议。 驱动总线采用交流高压总线驱动方式,电源供电占用3条电缆,数据占用一条共4条电缆,方便了系统的布线和减少系统布线成本。数据信号经过光电隔离后,由放大器放大,再经过缓冲器缓冲输出到DATA线。LED灯具
6、的返回信号由灯具驱动Data线至低电平时,由另一个隔离回路返回到解码器的微处理器的RX2接收,从而实现解码器与灯具之间的半双工通信。LED照明灯具产品的设计方面,采用高压功率变换与集散控制一体化设计,电源输入端采用功率因素补偿电路,减少灯具产品对电力系统的干扰。高压功率变换采用高压恒流LED专用驱动集成电路 Supertex 的HV9910B,使LED的驱动满足AC100VAC240V宽输入电压范围下能可靠工作,同时集成小体积小功率的AC-DC恒压电源,给逻辑和控制电路供电,而LED的功率驱动也不再需要专用的低压开关电源。LED亮度调节采用微处理器(MCU)产生的PWM脉宽调制方式进行控制。高
7、压总线的接收解码电路采用隔离变压接收,再经过滤波整形电路处理,输入微处理器进行解码,并驱动LED光源进行颜色亮度的调整。灯具产品内部结构图如图3-2所示。图3-2 LED灯具控制结构图在项目的具体开发过程中,在对项目需求充分分析进而完成系统架构设计的基础上,采用先对系统进行拆分,对系统各个部分进行模块化设计,在各个模块调试完成的基础上对模块进行级联,实现系统级调试。在调试通过的基础上,完成系统的整机设计。模块化设计,便于项目团队的协作分工,同时便于发现和解决问题,在整机设计中将问题减到最少。针对项目的难点,在项目过程中将模块分为解码器模块设计、系统软件设计、LED驱动电路设计、开关电源设计。各
8、个模块的设计工作并行,保证了项目的进度。1.4项目关键技术以及项目技术攻关项目研发的关键包括DMX512解码器的研制和配套的LED灯具的研制。DMX512解码器的研制主要解决与前级DMX512主机的通信和与后级灯具之间的通信,DC24V和DC5V双路完全隔离电源的设计,高速微处理器系统设计和高压单线通信接口设计。微处理器控制软件包括DMX512解码和后级通信信号编码设计,通信协议设计等。具有功率变换和数据控制一体化的LED灯具的研制主要解决LED灯具电源供电电路的功率因数校正电路设计,LED高压恒流驱动电路设计,灯具的高压单线通信接口设计,灯具微处理器系统设计,通信过程解码和编码设计。项目中的
9、几个关键技术:第一、DC24V和DC5V双路隔离电源设计;第二、解码器高速微处理器系统设计;第三、DMX512解码器与LED灯具之间通信的数据信号格式设计;如下是一帧标准DMX512数据的格式:DMX512数据格式定义:1 空闲;2 空闲后续标志3 1个通道的时间间隔4 起始位5 重要数据位低位6 重要数据位高位7 停止位8 停止位9 两通道之间的标志间隔10 空闲前续标志11 空闲到空闲的时间间隔12 复位序列(低位)13 DMX512数据包14 起始代码(通道0)15 通道1 数据16 通道n 数据(最大512/灯具协议最大50)标准DMX512数据脉冲时间值:定义描述最小值典型值最大值单
10、位位速率245250255kbit / s位时间3.9244.08s513通道最小更新时间-22.7-ms513通道最大更新时间-44-s1空闲时间88-s2空闲后续标志8- 1.00ss9两通道之间的标志间隔0- 1.00s10空闲前续标志0- 1.00s11空闲到空闲的时间间隔(*)404-1.00ss13DMX512数据包(*)404待添加的隐藏文字内容2-1.00ss(*):基于最小命令帧为7个字节计算。灯具单线高压调制脉冲时间值:定义描述最小值典型值最大值单位位速率55.55656.5kbit / s位时间17.7017.8518.0s51通道最小更新时间-10.14-ms51通道最
11、大更新时间-10-s1空闲时间100-s2空闲后续标志30- 1.00ss9两通道之间的标志间隔0- 1.00s10空闲前续标志0- 1.00s11空闲到空闲的时间间隔1504-1.00ss13命令和数据包1504-1.00ssDMX512标准灯具显示数据帧格式如下(Start Code=0):Start Code(0)Data(1-512字节)0灯具显示数据高压调制脉冲灯具显示数据帧格式如下(Start Code=0):Start Code(0)Data(50字节)0灯具显示数据灯具配置指令帧格式如下(Start Code0,自定义数据长度):命令码Start Code包长度PKLEN数据D
12、ata校验和CHKSUM指令含义5AH0016H(20字节)(2字节)配置灯具信息5BH0006H(4字节)(2字节)配置灯具时返回应答5CH0006H(4字节)(2字节)修改通信波特率5DH0006H(4字节)(2字节)修改波特率时返回应答6AH0006H(4字节)(2字节)修改灯具地址6AH0006H(4字节)(2字节)修改灯具地址时返回应答7AH0004H(2字节灯具地址)(2字节)读取灯具参数7BH0018H(22字节灯具地址)(2字节)返回灯具参数4、LED灯具电源的功率因数校正电路设计;5、LED灯具的高压功率驱动电路的设计;6、LED灯具的高压数据通信接口电路的设计;7、LED灯
13、具的逻辑供电电源电路的设计;8、LED灯具控制电路模块化设计;二、项目研究进程与主要工作尽管项目已经顺利完成,在相应的技术指标上也取得了令人满意的效果,但随着技术水平的不断提升,我们在项目研发过程中仍然发现了一些问题,这些问题均采取了一定的措施,并达到一定的效果。在未来的产品升级以及研发过程中,这些问题是值得我们注意的,是新产品努力的方向,同时也是进一步研发的导向。在项目实施过程中主要存在以下问题,我们在此提出项目开发过程中发现的问题并提出进一步努力的方向:1、功率变换电路设计方面,灯具电路的功率因数需进一步提高; 本项目通过采用无源功率因数校正方法是功率因数在0.85以上,在低电压输入情况下
14、功率因素达0.9以上,但高压240V时,功率因数仍然不够理想。建议将来在设计中可采用有源功率因数校正方式,可以使灯具功率因数提高至0.95以上。2、Led驱动控制策略上以及数字调光的效果需进一步改善:本项目采用低频PWM调光方式对LED进行调光,每路LED具有256个灰度级,可以通过RGB混合得到不同的颜色。但由于设备原因,设计中无法对于红、率、蓝的LED的电流-亮度的非线性关系进行测量。建议将来对RGB三色LED进行测量得到非线性模型(经验数据),并采用先进调光方式进行控制,获得高质量和高精度的色彩控制。3、Led漏光问题:在测试过程中,红色LED非常敏感,由于灯具直接采用高压驱动,在PWM
15、控制端为低电平时,微电流使得红色LED具有低灰度特性。在测试中发现,LED驱动电压越高,则漏光现象越严重。漏光现象在许多LED显示屏设计中普遍存在的问题本项目在驱动控制端并接下拉电阻的方法解决LED漏光现象。深究LED漏光原因,主要有高压静电感应、驱动控制MOSFET的漏电流两方面。建议在电路PCB布线和驱动功率管的选择两方面入手解决相关问题。4、灯具散热问题:灯具的热量主要来自LED工作时产生的热量,在LED驱动电路中,功率MOS管的发热也是限制灯具电能效率进一步提高的原因之一。对于灯具的散热,采用高密度材料作为PCB,并采用结合铝基板散热,达到良好的散热效果,同时满足安全性要求。对于功率管
16、的发热问题,将来可以考虑采用其他芯片集成功率因数校正及电压变换,在驱动一级可适当将高压降低,使得驱动电路的寿命和工作频率更高,从而达到更好的效果。5、元件选取及定制问题:在设计过程中发现,LED驱动电路性能同输出滤波电容及电感的选取是否得当具有很大的影响,尤其在批量生产中,电容和电感的质量直接影响到驱动的性能和工作寿命。在开发过程中,公司方面为完成元件的采购和定制做出了很大的努力。建议将来在电容的选取和电感定制方面做出严格的设计,才能使驱动达到良好的性能指标。三、合同指标的完成情况项目主要任务是研发DMX512解码器以及DMX512解码器在LED投光灯、线条灯、路灯、埋地灯待产品的应用。目前已
17、经研发出DMX512 解码器,上位机产生的DMX512信号是一种速率达到250KHz的RS485信号,经过点评转换后,DMX信号由高速微处理器dsPIC30F4011进行解码,信号经过过滤进入缓冲内存,同时,输出给灯具的56KHz编码数据信号由另一个串口输出,经过隔离放大后,由缓冲器变成高压DC24V输出到灯具,实现了同一条控制总线控制驱动50 个灯具节点的能力。对照合同约定,实际完成情况如下:考核项目合同指标实际完成证明材料应用本研究项目设计的MX512控制解码器 1 款;1 款1 款见附件一的MX512控制解码器照片应用本研究项目设计的LED照明灯具 1 款;1 款1 款见附件二的LED投
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- LED 照明 产品 功率 变换 数据 控制 技术 产业化
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