基于STM32的LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第I頁(yè)基于STM32的LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)摘要高亮LED是當(dāng)今照明技術(shù)的重大進(jìn)步。LED驅(qū)動(dòng)電源的控制核心采用ARM系列微處理器STM32，實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)的智能控制。ARM系列微處理器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其采用當(dāng)前最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，使得性能大大提升。能使我們?cè)谖⒖刂破鳌⒓砷_(kāi)發(fā)軟件、編程語(yǔ)言等知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握水平，使我們?cè)谖⒖刂破髟O(shè)計(jì)、軟件編程等方面的應(yīng)用能力得到全面訓(xùn)練和提高。對(duì)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(wú)污染、長(zhǎng)壽命、耐振動(dòng)和抗沖擊的鮮明特點(diǎn)。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(dòng)器性能不佳，故障率高成了LED推廣應(yīng)用的瓶頸。因此眾多廠家選用恒流方式驅(qū)動(dòng)LED，從而設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源就需要一個(gè)能恒流的直流驅(qū)動(dòng)電源。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。完全適合用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源。本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。通過(guò)各種電力電子組件和電力電子電路組成一個(gè)恒流的電源，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：LED，電源，驅(qū)動(dòng)，STM32畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第II頁(yè)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(shè)計(jì)說(shuō)明書第III頁(yè)目錄1緒論.51.1課題背景介紹.錯(cuò)誤!未定義書簽。1.2課題研究方案.錯(cuò)誤!未定義書簽。1.3課題研究方法.21.4整體電路框圖.錯(cuò)誤!未定義書簽。2系統(tǒng)所用主要芯片介紹.錯(cuò)誤!未定義書簽。2.1STM32處理器功能介紹.錯(cuò)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(shè)計(jì).173.1LED驅(qū)動(dòng)電路的分析過(guò)程.173.2功率及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).183.2.1IR2110簡(jiǎn)介.183.2.2IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn).193.3反饋和保護(hù)電路設(shè)計(jì).203.3.1綜述.203.3.2軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì).213.3.3電源電路設(shè)計(jì).213.3.4開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路設(shè)計(jì).224PWM控制電路.27畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第IV頁(yè)4.4.1組件選擇和基本原理應(yīng)用.27結(jié)論.31致謝.32參考文獻(xiàn).30黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第5頁(yè)1緒論1.1課題背景介紹在20世紀(jì)愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，成為標(biāo)準(zhǔn)的通用照明工具。但是在21世紀(jì)的今天白熾燈即將和我們告別了，新的照明技術(shù)尤其是發(fā)光二極管將最終代替白熾燈和熒光燈。當(dāng)整個(gè)世界都在因?yàn)槿找嫔仙哪茉闯杀径?jié)約能源預(yù)算時(shí)，白熾燈照明技術(shù)顯然站在了不經(jīng)濟(jì)的一邊。一個(gè)白熾燈的消耗的能源中有97%被浪費(fèi)。熒光燈雖然稍好一點(diǎn)，但仍然浪費(fèi)了85%的能量。而且，這種燈的平均使用壽命大約5000個(gè)小時(shí)。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(shù)都無(wú)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(lǐng)域，向LED技術(shù)的過(guò)度將大大降低能源消耗。盡管白光LED是當(dāng)今的大規(guī)模照明的一個(gè)理想方案，但要把驅(qū)動(dòng)LED的電子設(shè)備普及到每一個(gè)燈泡中，設(shè)計(jì)者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。主要問(wèn)題是目前LED驅(qū)動(dòng)電路的性能還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，其中關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)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(gè)LED實(shí)用技術(shù)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(dòng)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(duì)于照明設(shè)備的可靠性有重要影響，給設(shè)計(jì)密度帶來(lái)了限制。接觸過(guò)LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡即正向動(dòng)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(dòng)少增，電流就會(huì)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?？煽康墓ぷ鳎鞣N各樣的LED驅(qū)動(dòng)電路就應(yīng)運(yùn)而生。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第6頁(yè)1.2課題研究方案LED驅(qū)動(dòng)電路中最簡(jiǎn)單的就是串聯(lián)一只鎮(zhèn)流電阻，而復(fù)雜的是用許多電子元件構(gòu)成的恒流驅(qū)動(dòng)器。本課題研究的照明用LED高效控制器屬于恒流驅(qū)動(dòng)器，它將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時(shí)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(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：（1）采用開(kāi)關(guān)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(shù)，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(duì)恒定等。1.3課題研究方法本文主要研究LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，電源電路及保護(hù)電路，軟開(kāi)關(guān)電路及控制，電流傳感器。然后對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的整體電路在進(jìn)行研究和討論。1.4整體電路框圖黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第7頁(yè)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(jī)。STM32具有MCU應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)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(gè)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(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。STM32是屬于單片機(jī)中的高端產(chǎn)品，這里僅僅需學(xué)習(xí)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(shí)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(dòng)模式，適用于關(guān)鍵應(yīng)用的晶振故障檢測(cè)，在節(jié)能模式下工作時(shí)，可進(jìn)行時(shí)鐘模式切換，微控制器還能產(chǎn)生一個(gè)25MHz或50MHz的時(shí)鐘輸出，驅(qū)動(dòng)外部以太網(wǎng)PHY層芯片，從而為客戶節(jié)省了一個(gè)附加晶振。可編程代碼保護(hù)，高耐用性閃存單元，可經(jīng)受十萬(wàn)次操作，保護(hù)時(shí)間超過(guò)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(shí)消耗36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機(jī)時(shí)下降到2A。一流的外設(shè)。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(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等。具有單獨(dú)方向操控的十二個(gè)I/O引腳，高灌/拉電流可直接驅(qū)動(dòng)LED。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第8頁(yè)引腳電平變化中斷，獨(dú)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(jì)算。存儲(chǔ)器。從32K字節(jié)至128K字節(jié)閃存程序存儲(chǔ)器，從6K字節(jié)至20K字節(jié)SRAM，多重自舉功能。多達(dá)7個(gè)定時(shí)器。測(cè)器(PVD)、掉電監(jiān)測(cè)器，多達(dá)3個(gè)同步的16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有，內(nèi)嵌4至16MHz高速晶體振蕩器，多達(dá)4個(gè)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(jì)數(shù)的通道，內(nèi)嵌40kHz的RC振蕩器，16位6通道高級(jí)控制定時(shí)器，內(nèi)嵌PLL供應(yīng)CPU時(shí)鐘，多達(dá)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(duì)齊波形和緊急制動(dòng)。2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間(16通道)，多達(dá)2個(gè)I2C接口(SMBus/PMBus)，轉(zhuǎn)換范圍是0至3.6V，多達(dá)3個(gè)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(dá)2個(gè)SPI同步串行接口(18兆位/秒)調(diào)試模式。CAN接口(2.0B主動(dòng))，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(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C。由于STM32的資源豐富且功能強(qiáng)大，在本系統(tǒng)中只是使用其中的部分功能。現(xiàn)在對(duì)使用的片內(nèi)的外設(shè)進(jìn)行詳細(xì)分析。1.復(fù)位和時(shí)鐘控制STM32F支持三種復(fù)位形式，分別為系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位和備份區(qū)域復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位將復(fù)位除時(shí)鐘控制寄存器CSR中的復(fù)位標(biāo)志和備份區(qū)域中的寄存器以外的所有寄存器，當(dāng)以下事件中的一件發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位：(1).NRST管腳上的低電平（外部復(fù)位）(2).窗口看門狗計(jì)數(shù)終止（WWDG復(fù)位）(3).獨(dú)立看門狗計(jì)數(shù)終止（IWDG復(fù)位）(4).軟件復(fù)位（SW復(fù)位）(5).低功耗管理復(fù)位可通過(guò)查看RCC_CSR控制狀態(tài)寄存器中的復(fù)位狀態(tài)標(biāo)志位來(lái)確認(rèn)復(fù)位事件來(lái)源。軟件復(fù)位黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第9頁(yè)通過(guò)將Cortex-M3中斷應(yīng)用和復(fù)位控制寄存器中的SYSRESETREQ位置1，可實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。低功耗管理復(fù)位在以下兩種情況下可產(chǎn)生低功耗管理復(fù)位：(1).在進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)產(chǎn)生低功耗管理復(fù)位：通過(guò)將用戶選擇字節(jié)中的nRST_STDBY位置1將使能該復(fù)