驱动电源设计范文

驱动电源设计篇1

摘要: 传统的背光源采用的是CCFL，色彩还原性差，含有对人体有害的汞蒸汽。LED背光源是一种新型的背光源，色彩还原性好，寿命长；不含汞，有利于环境保护。本文设计的直下式LED背光源，单灯电流可精确控制，光学效果良好，支持PWM调光。中尺寸、大尺寸LED背光源均可借鉴使用。

关键词:发光二极管背光;冷阴极荧光灯;色彩还原性;单片机

中图分类号：TN141 文献标识码：B

The Driving Circuit Design of a Direct Illumination-type LED Backlight

LI Xiu-zhen1,ZHANG Kai-liang2,Ma Li2,XU Yan-wen2

(1.Beijing BOE CHATANI Electronics Co.,Ltd.,Beijing 100176,China;2.BOE Technology Group CO.,Ltd.,Beijing 100016,China)

Abstract：CCFL is used in the traditional backlight, which has bad color gamut and contains hydrargyrun steam which is harmful to human body. As a new kind of backlight, LED backlight has better color gamut, longer life-span; and is friendly to environmental. It also does not containhydrargyrun. A direct illumination-type LED backlight is designed in this paper, which has a goodoptical effect, and can be adjusted by PWM. Each LED can be controlled separately in this design. This paper can also be used for the design of medium-sized and large size LED backlight.

Key Word：LED Backlight;CCFL;color gamut;single-chip microcomputer

引言

LCD显示器自身并不发光，为了可以清楚的看到LCD显示器的内容，需要一定的白光背光源[1]。背光源是存在于液晶显示（LCD）显示器内部的一个光学组件，由光源和必要的光学辅助部件构成。传统的LCD背光源采用的是冷阴极荧光灯（CCFL），色彩还原性差，含有对人体有害的汞蒸汽。LED背光源色彩还原性好、寿命长；不含汞，有利于环境保护。LED背光源的色彩还原性可以达到NTSC (National Television System Committee)标准的105%甚至120%以上。而一般CCFL灯管，仅能提供NTSC标准的72%[2]。就驱动电路而言，传统的CCFL背光，驱动线路十分复杂，要求上千伏特的驱动电压，利用专门的逆变器才能驱动起来。而LED可以低电压工作，控制较为方便。LED的诸多优点使得LED背光方案备受关注[3][4]。

本文所设计的直下式LED背光源，每四颗白灯中间有一颗RGB三合一的LED。经测试，所设计的LED背光系统，单灯电流精确可控，光学效果良好，支持PWM调光。

1 硬件结构设计

本文利用单片机作为LED的控制核心器件，选用专用驱动IC，实现整个LED背光的静态显示。硬件整体设计框图如图1所示。驱动芯片共有16通道，每个通道控制一个LED芯片。驱动芯片采用级联方式。设计中，利用单片机产生PWM方波对LED进行亮度控制。单片机处理缓存管理、亮度和点校正数据的输出。DC/DC模块给各模块供电。通过给接口提供电源、产生驱动指令信号，来点亮LED。

1.1 LED阵列及电源模块设计

LED阵列由45颗白灯和32颗RGB三合一灯组成。图2为LED阵列的分布图。白灯和RGB灯由不同的驱动芯片进行单独驱动。每颗LED芯片单独驱动。

电源模块如图1所示。电源模块（DC/DC）采用Buck转换器将12V电源转换成各个模块所需电源。整个系统需要3.5V、5V、10V和12V的电源。RGB三合一灯需要3.5V电压；白灯需要10V电压；MCU需要提供5V的电源电压。整个系统输入电压12V，此电压由外部电源转换器提供。

1.2 驱动芯片特性

驱动芯片具有点校正和灰阶调光的特点。共有16通道，每通道都可实现对LED的恒流驱动，每通道最大驱动能力80mA，每个通道可以通过PWM方式根据内部亮度寄存器的值进行4,096级亮度控制，内部每个通道亮度寄存器的长度是12位，另外，每个通道LED的驱动电路由内部6位的点校正寄存器的值进行64级控制，而且驱动电流的最大值可通过片外电阻设定。图3为驱动芯片的结构框图。（GS移位寄存器为亮度移位寄存器，DC移位寄存器为点校正移位寄存器。）

1.3各种控制信号

MCU通过SIN、MODE、XLAT、SCLK、GSCLK和BLANK接口控制驱动IC，从而控制LED阵列。

SIN为串行数据输入；

MODE为多功能输出端子，当MODE=0时，处于GS模式(亮度信号输入模式)，当MODE=1时，处于DC模式（点校正信号输入模式）；

SCLK为串行数据移位时钟,在每个SCLK的上升沿，当MODE=0输入数据和输出数据移入和移出内部192位（16通道×12）的亮度串行移位寄存器，当MODE=1输入数据和输出数据移入和移出内部96（16通道×6）位的点校正串行移位寄存器；

XLAT为数据锁存端子。在XLAT的上升沿，如果MODE=0，亮度串行移位寄存器锁存到亮度控制寄存器，随机控制亮度PWM输出，如果MODE=1，点校正串行移位寄存器锁存到点校正控制寄存器，控制电流的输出；

GSCLK为PWM控制的参考时钟；

BLANK为清零端子。当BLANK=1,所有的输出通道清零，GS计数器复位。当BLANK=0时，所有的输出通道由GSCLK控制；

SOUT为串行数据输出。驱动芯片间通过SOUT-SIN管脚级联。

2 软件程序设计

整个单片机控制LED的显示程序用C语言编写，主程序包括：单片机初始化、亮度移位寄存器和点校正移位寄存器数组初始化、单片机通过SPI模式与驱动芯片通信。主程序流程图如图4所示。单片机初始化包括输入输出端口定义、关闭看门狗、时钟初始化、端口初始化，以及定时器和中断的初始化设置。

两个二维数组分别传送GS数据和DC数据。两层嵌套循环发送数据。GSCLK在驱动芯片工作期间一直提供时钟。MODE=0，GSCLK计数，当其输出4,096个脉冲后，也即12位的每通道驱动芯片的亮度值通过并/串转换后输出，输出亮度后置MODE=1，从DC寄存器读取6位点校正数据，并/串转换后输出，这样完成了一个通道数据的输出，将一行对应所有的通道数据输出完毕后，BLANK输出一个脉冲，使整个驱动芯片复位。从MCU到驱动芯片的数据传送过程中，驱动芯片所有输出关闭，即BLANK=1。BLANK置高电平后，输出关闭。GS计数复位。

3 LED背光系统

本文所设计的LED背光源是直下式结构。主要包括：LED灯、驱动板、膜材、底反射片，边框、上框架。每四颗白灯中间有一颗RGB三合一的LED。膜材结构为：一层扩散片一层BEFⅢ+一层DBEF。背光源的色坐标为（0.29，0.28）,亮度为9,000nit，均齐度90%，色彩还原性达到105%@CIE1976。LED间电流匹配度可达1.5%。经测试，本文所设计的LED背光系统，单灯电流精确可控，光学效果良好，支持PWM调光。图5为点亮后的LED背光源。

4 结 论

设计了一种基于单片机实现直下式LED背光源静态显示的方法。针对其功能和特性，解决了相关部分的电路设计，并在所开发的系统上实现PWM调光。实验证明：该系统单灯电流精确可控，光学效果良好。中尺寸、大尺寸LED背光源均可借鉴使用。

参考文献

[1]黄启智，LCD显示器的背光技术分析及应用[J].漳州职业技术学院学报,2008,(1).

[2]刘敬伟,王刚,张凯亮,张丽蕾,等. 大尺寸液晶电视用LED背光的设计和制作[C].中国平板显示学术会议, 2006.

[3]王大巍,王刚,李俊峰,刘敬伟.薄膜晶体管液晶显示器件的制造、测试与技术发展[M].北京：.机械工业出版社.

[4]Tony.Lai.LED背光方案备受关注[J].电子产品世界,2008(1).

[5]梁萌,王国宏,等. LCD-TV用直下式LED背光源的光学设计[J].液晶与显示,2007(2).

驱动电源设计篇2

【关键词】LED照明；驱动电源技术；可调光强度；节能

1 引言

LED照明以其发光效率高，使用寿命长，亮度控制简单和环保的优势，迅速受到广大用户的欢迎。作为新型的节能光源，LED灯具会逐步地取代传统的白炽灯泡。LED照明的不断普及对调光和控制技术提出了越来越高的要求。当前用户主要关心的是，LED灯具必须要使用安全、重量轻、寿命长、不影响用户健康，并可适用于现有的调光设备以及可以承受的价格。并且LED照明灯具调节亮度功能的调光器目前在LED照明上显得十分的重要，也是目前LED灯具和显示屏等必须注重的环节。如今LED照明灯具已经成为21世纪新型的主流技术，标志之一就是大量LED照明灯具标准和规范的陆续出台。目前照明既要用针对白炽灯的调光器来实现调光控制功能，又要实现高功率因数性能，因此对目前的LED驱动电源设计提出了更高的要求，是否兼容白炽灯的调光系统，是否满足新的数字化调光系统的需求等，这些都是以后我们在LED驱动电源设计是必须解决的问题。

2 LED调光技术分析

随着照明灯具的飞速发展，用户对照明灯具智能化程度的要求越来越高，希望通过智能化调光能进一步实现节能减排，而LED的可控性特点非常好的顺应了市场的需求，可以做多种调光方式满足不同用户的各种需求，以下我们简单分析目前大量应用的几种LED调光技术。

2.1 （TRIAC）可控硅调光技术

普通的白炽灯和卤素灯通常采用可控硅来调光。因为白炽灯和卤素灯是一个纯阻器件，它不要求输入电压一定是正弦波，因为它的电流波形永远和电压波形一样，所以不管电压波形如何偏离正弦波，只要改变输入电压的有效值，就可以调光。采用可控硅就是对交流电的正弦波加以切割而达到改变其有效值的目的。负载是和可控硅开关串联的。可控硅调光电路的原理图和波形图如图1所示：

改变可变电阻的分压比就可以改变其导通角，从而实现改变其有效值的目的。通常这个电位器带一个开关，接在n的输入端，用于开关灯。

LED灯要想实现可调光，其电源必须能够分析可控硅控制器的可变相位角输出，以便对流向LED的恒流进行单向调整。在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难，往往会导致性能不佳。问题可以表现为启动速度慢，闪烁、光照不均匀，或在调整光亮度时出现闪烁。此外，还存在元件间不一致以及LED灯发出不需要的音频噪声等问题。这些负面情况通常是由误触发或过早关断可控硅以及LED电流控制不当等因素共同造成的。误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振荡。可控硅导通时，AC市电电压几乎同时施加到LED灯电源的LC输入滤波器，施加到电感的电压阶跃会导致振荡。如果调光器电流在振荡期间低于可控硅电流，可控硅将停止导电。可控硅触发电路充电，然后重新导通调光器。这种不规则的多次可控硅重启动，可使LED灯产生不需要的音频噪声和闪烁。设计更为简单的 EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。要想实现成功调光，输入EMI滤波器电感和电容还必须尽可能地小。

2.2 脉冲宽度调制（PWM）调光技术

脉冲宽度调制（PWM）调光是经过调节使驱动电流呈方波状，其脉冲宽度可变，经过对脉冲宽度的调制转变为调制LED灯连续点亮的时间，也同时转变了输入功率，从而到达节能、调光的目标。频率跟平常一样大概在200Hz～10KHz；因为人的眼睛视觉的滞后性，不会感觉得到光源在调光过程中产生的闪耀现象

脉冲宽度调制（PWM）调光的优点：

驱动电源设计篇3

论文关键词：LED，电源驱动，节能高效

 

一、LED路灯的电源驱动原理

近些年随着大功率的LED发光技术的升级，大功率的白光LED进入了照明市场，越来越多的被应用于通用照明领域。因为LED本身具有高光效、寿命长、抗浪涌能力差等特点，以此LED路灯的电源控制和驱动系统就成为了保证其功能和高效的重要基础。

为了设计出更加安全可靠的电源驱动器，必须对其工作原理进行了解。下面就对LED路灯电源驱动器的基本工作原理进行简要的介绍：主要的系统设计是处采用隔离变压器、PEC控制电源开关，并保证输出为恒定的电压，完成对LED路灯的驱动。因为实际中LED的抗浪涌的能力较差，尤其是对反向电压更为敏感。所以在电源控制中应当注意对这方面的保护效果的提高。同时，LED路灯主要的工作状况是户外，因此要增加对防浪涌的措施。因为对其供电的电网容易受到雷电的干扰，从而产生感应电流而涌入电网，从而导致对LED的破坏。所以电源的驱动也应当具备抑制浪涌的功能，达到保护LED的效果。此时采用的EMI滤波电路就起到了这种防止电网谐波串入的模块，以此保护路灯的电路正常工作。

二、LED路灯的电源驱动器的设计

1、驱动器设计简述

针对LED路灯系统的电源控制器的设计需要考虑到其特地和基本要求才能达到目的。具体的情况如下：此系统中的每个路灯的功率在 100W以内；为了提高路灯的实用性，路灯的LED被分为若干小组，每组LED则是串联驱动节能高效，组与组之间为隔离驱动，保证单组损坏而不影响整个LED的工作；为了提高路灯的安全性，输入和输出系统需要有电气隔离；电源的公因数必须维持在较高的水平。

在设计中为了满足以上的基本需求，通常采用的是AC/DC恒压电源和多路控制的DC/DC恒定流动驱动级联的方式完成对多路的LED驱动。AC/DC部分采用的是反激形式拓扑，输出的功率可以满足LED的功率；DC/DC的部分采用国半德尔LED恒定电流芯片。其中在AC/DC部分所采用的反激式的电源所产生的损耗将影响电源的效率，其损耗主要有：一次场效应晶体管的损耗，主要是导通和开关损耗；二次侧的整流二极管造成的功率损耗；高频变压的固有的铁损、铜损、漏感损耗等，为了提高整个电源的高效率就应当对上面三种情况进行控制。

2、控制形式和零电压设计

在提高效率的设计中，如采用ST所生产的L6562作为控制芯片，此芯片是一种较为经济的功率因数校正控制元器件。反激方式电源工作是在不连续导电的模式下进行工作的，通过前端的滤波其进行自动调整实现高功率。为了减小场效应晶体管损耗，利用与芯片相适应的器件，这样可以有效的降低在导通时出现的损耗，同时还可以利用准谐振的技术实现场效应晶体管的零电压导通，完成对开关损耗的控制cssci期刊目录。

3、同步整流设计

通常的反激式开关在利用中二次侧的整流二级管也会形成较大的损耗，为了实现高效率可以利用具有低导通降压的二极管来缓解着高损耗的问题，但是实践中看，此种改进的效果并不明显，同时一些设计中输出的的电压较高，而肖特基二极管的反向耐压性能并不理想，所以其不能满足高效率需求。

实践证明较好的方法是采用同步整流技术对功率进行调整，利用导通电阻较低的场效应晶体管代替整流二极管。同步整流方式可以分为外驱动和内驱动两种，工作原理也可分为电压型和电流型、谐振型驱动等。这些同步驱动的方式各自有其优势和不足。其中一种较为实用的是电流同步的控制驱动方案，但是因为驱动中选择了场效应晶体管门极驱动电压钳位在输出电压上，而门极穿电压通常较低，因此要采用此种方法就要降低输出电压。

所以可以采用混合型的同步整流方法，其工作的原理为在两个变压器上的两个绕组为T3、T4，其中T3设计为二次绕组主要负责能量的传递，T4则为辅助绕组。在T4上的电压随着T3电压的升高而升高，用于开启同步整流用场效应管。此时的电流互感器中的两个绕组也起到不同的作用，初级绕组是串联在主电路中，是检验流经的场效应管的电流，当该绕组中的电流下降到0的时候节能高效，另一个绕组则将场效应管断开。所以此种方案可以利用电压信号来控制场效应晶体管的导通，电流信号泽尔负责其关闭，不仅仅提高了效率还可以稳定的工作，控制了无开通的情况。

4、变压器的高效率设计

高频率变压器是隔离形式的电源中不可或缺的器件，在提升效率的方面也有着重要的作用。变压的损耗主要来自铜损、铁损、漏感损耗，此三者的损耗可以通过必要的手段进性损耗的控制，但是控制的措施不能完全达到综合高效的目标效果。因此，新型的变压器技术将高频率供电系统进行了升级。此种变压器的技术日趋成熟，主要特点是高度低，利用底部面积大的平面磁芯。此种变压器采用的绕着是螺旋印制线构成。和以往的变压器相比此种平面型的变压效果更高，工作效率也得到了提升，且体积小、漏感小、导热性好、一致性强等。虽然其距离应用还有一段时间，但是可以成为高端应用领域的替代产品。

三、结束语

LED路灯系统的高效率电源驱动器的设计，其首要的目的就是保证路灯的高频率工况，同时防止供电系统中的干扰侵入到路灯系统中而造成损坏。其次，利用多种复合电路和晶体管来提高供电过程中的各种线路损耗，提高供电的效率，以此达到安全、高效的目的。

参考文献：

[1]魏大为.大功率LED路灯驱动电源的设计[J].电工技术,2009,(05)

[2]张国隽.城市路灯照明节能方案的设计[J].广东科技,2007,(S2)

[3]陈发强.优化路灯电源设计节约用电[J].科技资讯,2007,(29)

[4]金香.路灯电源控制系统的设计[J].节能,2009,(09)

 

驱动电源设计篇4

关键词：智能；控制；电路；电压

1 智能垃圾桶硬件电路框架

智能垃圾桶硬件电路框架如图1所示，Zigbee无线接收控制命令，CC2530控制电机、吸尘器、垃圾桶开关盖。超声波传感器检测前方障碍物、下方悬崖，智能躲避，异味传感器检测垃圾桶内有害气体，如果有异味报警提醒。考虑到节约电能和传感器及电机等用电设备不一样，电源也分为LDO、开关电源两种，LDO电源负责传感器、报警提示供电，开关电源给MCU、电机等其他设备供电。

2 智能垃圾桶硬件电路的设计

2.1 CC2530最小系统及Zigbee无线通讯

CC2530集成了51单片机内核，网络节点最多可以连接255个，每个的通信距离在60-100米左右。Zigbee协调器通过USB接口连接电脑，电脑发送控制命令控制网络里的节点工作。CC2530既是单片机也是Zigbee无线通讯芯片。如图2 CC2530是有俩个晶振为它提供时钟信号，CC2530的系统时钟system clock可选择外部32MHz crystal oscillator，或者内部自带的16MHz RC oscillator，但是RF工作时必须选择32MHz crystal oscillator。如图3所示CC2530的复位只需把RESET接负极。

2.2 电源电路

智能垃圾桶用电情况如下：MCU功率：1W，俩台电机功率：12W，垃圾桶盖功率：2W，吸尘器功率：5W，异味传感器功率：1W，超声波传感器功率：1W，总功率：22W。

根据以上计算智能垃圾桶平台需要12V、5000mAh锂电池供电，为合理配置用电，电源分为LDO电源和开关电源两部分供电。LDO电源电路如图4所示，负责给报警提醒、异味传感器、超声波传感器供电。开关电源本文不作详细介绍，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

2.3 电机驱动电路

电机为可调速直流减速电机，电机驱动使用BTS7960B，BTS7960是NovalithIC家族三个独立的芯片的一部分：一是p型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片，形成一个完全整合的高电流半桥。如图5所示。

BTS7960B参数：输入电压：7.2V-20V，输出电流：0-68A。

2.4 垃圾桶盖开关驱动电路

电机为直流减速电机，电机驱动使用LM298，L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。如图6所示。

LM298参数：输入电压：5V-35V，输出电流：2A（MAX单桥），最大功率：25W。

2.5 吸尘器开关驱动电路

吸尘器是高速旋转电动机，MCU控制达林顿驱动继电器，实现吸尘器电源的通断。如图7所示。

继电器参数：驱动电压：5V，导通电压：220V（交流）。

3 体感手势控制平台技术展望

体感手势控制智能应用平台是一开放性的巨大平台，上述开发的“智能垃圾桶”可通过人的手势姿态控制其作业，在清洁工作时给人愉悦的智能体验，此则改变人们对家居清洁的方式。

基于上述“体感手势控制智能移动平台”，将可以开发出更多的智能应用。例如：基于体感手势控制的智能医疗平台、基于体感手势控制的智能交通平台、基于体感手势控制的军事应用平台等。智能机器慢慢贴近人们的生活，改善和丰富人们的生活不再是遥不可及的海市蜃楼。未来，人们将用最自然的方式，自然的动作与机器对话。

参考文献

[1]陈一明，张云华.基于手势识别的机器人人机交互技术研究[J].机器人.2009.31（4）：341-356.

[2]刘军，田国会.智能空间下基于手势识别的人机交互[J].北京联合大学学报2010年6月.

驱动电源设计篇5

关键词：LED路灯；驱动电源；模块化；接插件

LED照明具有节能环保、使用寿命长、应用广泛等特点，是节能环保产业的重要组成领域。随着技术的不断突破、节能效果的日益显现和国家对节能环保产业的大力推动，室内LED照明已取代白炽灯、荧光灯走进了千家万户。

在室外，路灯照明消耗着巨大的电能。作为能源消费大国，在当下节能环保理念驱动下，有着高效、节能、使用寿命长、显色指数高的LED就顺势成为了新一代的节能光源。但由于LED路灯工作在恶劣的室外环境，因此对其驱动电源有着很高的性能和可靠性要求。

1 LED路羟动电源寿命现状分析

作为LED照明灯具的电源供应器，LED驱动电源能将外界一次电能转换为LED所需的二次电能，是LED照明灯具的核心部件，其品质对LED照明灯具的可靠性具有重要影响，其稳定性也是LED照明灯具使用寿命的关键因素。

通过对大功率LED路灯进行跟踪检测，部分LED灯具陆续出现故障。通过对故障的分析，我们发现LED驱动电源损坏所占比例高达90%。虽然LED路灯理论使用寿命长达5万小时（13.7年），但其驱动电路的寿命较短，约为1.2万小时（3年）。驱动电源成为制约LED路灯使用寿命的短板。另外，由于防水防尘等工况要求，LED路灯驱动电源一般都封装在产品内部，给LED路灯维修带来不便，更换驱动电源的费用较高。因此，提高LED路灯驱动电源的使用寿命、降低其维修成本，提升维护便利性将极大地提升LED路灯的实际使用寿命和价值。

2 解决思路

LED驱动电源的输入电能包括交流电和直流电，而输出电能一般为可随LED正向电压变化而改变电压的恒定电流，因此在驱动电源中需要的电子元器件一般有电容、电阻、电感等等。目前业内都非常清楚，如果LED驱动电源电路里有电解电容，那么其寿命主要取决于电解电容。电解电容的使用寿命有一个大家公认的近似计算法则：即温度每下降10 度其使用寿命增加一倍。比如说标称105摄氏度寿命为2000 小时的电解电容，在65 摄氏度下使用寿命大约是32000 小时。而LED路灯工作场所为室外，在当今全球变暖的环境下，我国大部分地区夏季的地面温度已经超过70摄氏度，在这样的条件下，电解电容的平均寿命已不到1.5万小时。

目前大功率LED路灯照明中的驱动电源，电解电容均是焊接在电路板上，并且整个电器部分被封装在内部。在电解电容损坏、而其它电器元件完好的情况下，整个驱动电源都将被换掉，形成了极大的浪费。只要LED灯芯片结温散热达到要求，LED灯珠寿命就有近5万小时，但是几乎所有LED路灯的驱动电源均提早损坏。目前LED路灯的驱动电源质保时间一般均为三年，若按每天使用12小时、一年365天计算，也只使用了不到1.4万小时，质保5年的也只有近2.2万小时。这与LED芯片灯5万小时的使用寿命相差甚大。不管现在经智能控制，由于时控节能减少了功率而寿命得到了相对延长，但与LED芯片灯珠相比，其寿命仍然较短。

为节约资源，提高驱动电源的利用率和整体寿命，可以采用一种模块化的设计方法。将电解电容易损电器元件当作与电路板分离的一种附件，不直接安装在电路板上，利用一个外壳把相关易损元器件全部封装进一个模块化电器接插件中，按需通过各种接插件组与电路板内各个电解电容位子用电路板或线路连接，当电解电容达到使用寿命时只需更换该模块接插件，驱动电源就可以再次使用。在LED芯片灯正常的使用寿命里，正常情况下只需更换二次该模块接插件即可，这样可以使得LED路灯整体5万小时的使用寿命成为现实。而且该模块化接插件可以通过相关线路与电路板连接，通过防水防尘防晒设计，其安装地点可选余地更大，可以方便地进行后续更换，无需高空作业，做到和普通家庭更换灯一样方便。

3 结束语

LED驱动电源的故障问题不可能完全避免，而模块化设计早已成为当今的潮流，如果驱动电源能用模块化插拔的方式解决维护问题，一定会受到用户的欢迎；在所有厂商都采用模块化设计后，通过使相关接口标准化，通用化，把LED路灯驱动电源的更换做成和常规照明的光源的更换一样简便时，制约LED照明产业发展的关键因素的LED路灯驱动电源定将会得到长足的发展。

参考文献

[1]黄云.LED驱动电源设计[J].文摘版：工程技术，2015，42：250-250.

[2]行业分析：LED驱动电源市场发展现状及竞争情况[J].中国路灯，2015，5：42-44.

[3]沈伟平.探究LED路灯的驱动电源设计要点[J].工程技术（引文版），2016，31（3）：252-252.

驱动电源设计篇6

关键词:LED背光源;反馈;节能;环路补偿;FPGA

中图分类号:TN312+.8文献标识码:B

Design of Direct LED Backlight Driver with Feedback

Regulation Circuit

GAO Shang1,LIU Wei-dong1,2,QIAO Ming-sheng2

(1. Dept. of Electrical Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100, China; 2. Hisense Electric Co., Ltd., Qingdao Shandong 266071, China)

Abstract: This paper introduces a LED driver circuit for direct LED backlight by using feedback circuit to reduce power consumption of system, explains the feedback principal and gives the solutions that solving the problems caused by feedback circuit, finally shows the process how the FPGA control the LED driver in brief.

Keywords: LED backlight; feedback; energy saving; loop compensation; FPGA

引言

随着LED技术的不断发展,用LED作为液晶电视的背光源已经成为一种发展趋势。相对于传统CCFL背光源来说,LED背光源有着更宽的色域、更快的响应速度、更低的驱动电压、更长的使用寿命以及无汞环保等诸多优势。LED背光源分为直下式和侧光式两种,相对于侧光式背光源,直下式背光源可以配合多种动态调整方式以达到改善图像效果的目的,因而在显示性能上更胜一筹。

本文讨论设计的是一种带有反馈调节的直下式LED背光源驱动电路,该驱动电路每个LED驱动芯片可以驱动16路LED。每片LED驱动芯片与为该16路LED供电的DC-DC电路控制芯片之间都有一个反馈电路,此反馈电路可自动反馈该16路LED达到应用驱动电流水平时的实际所需电压,从而自动调节DC-DC电路输出端电压,以达到降低功耗、提高效率的目的。对于由增加反馈电路所带来的系统稳定性及响应速度的问题,本文也通过相应的设计予以解决。同时,该电路LED驱动芯片通过SPI协议与前端控制器通信,每路LED可以进行单独的调光控制,配合相应的算法可以实现液晶电视背光源区域动态控制的功能。

1系统总体架构及器件选择

系统的基本单元由DC-DC电路、LED驱动芯片、反馈电路构成。背光驱动系统由数个基本单元构成,整个系统由FPGA进行前端控制。系统总体结构如图1所示。

不同尺寸液晶电视的LED背光模组,其设计亮度指标要达到相应的要求,并且亮度均匀度指标应在85%以上。在满足亮度指标的基础上,模组功耗还应尽量低,并且模组应尽量薄。同时,为了更好地发挥直下式LED背光模组在动态控制上的优势,模组的LED排布应该有尽量多的独立分区。为满足上述要求,直下式LED背光模组通常由数量较多的中小功率LED组成,并且每个独立分区也排布一定数量的LED。

本文设计中每个独立分区排布12颗串联的LED,采用恒流驱动。每一个DC-DC电路将整机电源供给的24V标准电压进行升压输出后为单个驱动芯片控制的16路LED供电。由于反馈电路根据动态区域调光时电流PWM占空比的不断变化对DC-DC输出电压进行调节,所以这个输出电压是动态变化的,这就对DC-DC控制芯片的选择和DC-DC电路的设计提出了一定要求。

本设计中采用了TI公司的TPS40210作为DC-DC电路的控制芯片,该芯片是一款电流模式控制的Boost电路控制芯片。相对于电压模式控制,电流模式控制有更快速的动态响应,因而可以更好的满足反馈电路对DC-DC电路输出电压的动态调整。此外电流模式控制还提供了更好的过流保护,这对于保护直下式LED背光模组所应用的中小功率LED十分重要。

LED驱动芯片采用了TI公司的TLC5940,该驱动芯片是带有点校正功能和PWM调光功能的LED驱动芯片。每个芯片可同时驱动16路LED,每路LED可以进行单独的PWM调光。该芯片采用SPI协议与前端FPGA进行通信,数据传输速率最高可达30MHz,完全能够适应液晶电视LED背光模组动态区域控制的数据传输要求。该芯片在5V电压供电时单路最大控制电流可达120mA,这给LED驱动电流的配置留有足够的空间。

反馈电路的主要芯片是常见的LM358,此芯片含有两路独立的高增益、内部频率补偿的运算放大器。因其可以用单电源供电,且低输入电流不依赖供电电压大小等诸多优点而被广泛采用。

2LED驱动芯片电路及反馈电路设计

LED自身存在着串联的寄生电感,这些寄生电感在LED灯串点亮时会储存一定的能量。在LED驱动芯片每路驱动管脚关断的瞬间,该路LED的寄生电感会将自身存储的能量释放出来,从而产生很高的电压尖峰[1],这种尖峰幅度可能会超过LED驱动芯片驱动管脚的耐压值,从而导致芯片的损坏。随着每路LED灯数量的增多,寄生电感也相应增大,其在关断瞬间产生的电压尖峰也就越大,所以设计时需要考虑驱动芯片驱动管脚的耐压值是否能够承受此电压尖峰。TLC5940驱动管脚的耐压值最大为18V,为了保护芯片不会被电压尖峰损坏,本设计在芯片每一路驱动管脚上加一个耐压值为60V的MOS管以提高芯片的耐压能力。MOS管的源极接驱动芯片的驱动管脚,漏极接每路LED灯串的阴极。给该MOS管栅极提供合适的电压,在驱动管脚关断时,MOS管的源极会将驱动芯片的驱动管脚电压钳位,使其不会超过管脚最大耐压值以保护芯片。如图2所示,V1-V16为耐压值60V的MOS管。

不同的驱动电流值上LED所需的正向电压不同,LED处于正常工作区时,驱动电流越大,所需的正向电压越大[2]。直下式LED背光模组需要配合液晶电视显示的画面内容,改变每一路LED驱动电流的PWM占空比来进行区域动态调光。在设定最大驱动电流的情况下,随着PWM占空比的变化,电流的有效值也发生变化,LED实际所需正向电压也随着电流有效值的变化而变化。因此需要一个反馈电路使DC-DC控制器能自动适应LED所需的实际电压,在设定DC-DC最大输出电压后,可以根据LED驱动芯片驱动管脚OUTn端电压VOUTn的不同,来自动调节DC-DC输出电压Vout,使得系统在Vout与VOUTn 之间 的电压差ΔV满足驱动电流要求正向电压的基础上,将Vout降低以减少功耗并提高效率。需要注意的是,相同时刻每路LED可能因电流PWM占空比的不同,而导致所需的实际正向电压不同,同时由于LED存在器件参数的离散性,每颗LED在达到相同驱动电流时的正向压降可能不同,因此每路LED达到相同驱动电流时实际需要的电压也会不同。上述两种情况要求反馈电路能够检测每个驱动芯片驱动的16路LED中哪一路所需的实际电压差ΔV最大,并将此需求反馈给DC-DC控制器,从而使DC-DC电路输出的电压能够满足全部该16路LED的驱动需求。

DC-DC电路输出电压一定时,同一LED驱动芯片驱动的16路LED中所需实际正向电压最大的一路,其LED驱动芯片驱动管脚OUTn电压必然最低,反馈电路需要检测到此最低电压,并将该路LED的正向电压需求反馈给DC-DC控制器。本设计在驱动芯片每一路驱动管脚OUTn上接一个二极管,二极管负极与OUTn连接,全部二极管正极连到一起。此种接法可以使二极管正极电压被OUTn电压最低一路钳位,达到检测最大电压需求的目的。由于此电路的电流驱动能力很小,因此需要一个电流放大电路。本设计中将运算放大器LM358连成电压跟随器的形式以起到电流放大的作用,采用图2中的R1、R2、R3为运算放大器提供偏置电压,其中R3>>R1、R2。在运算放大器的输出端接一个二极管VD1,利用二极管的单向导通特性,保证反馈电路只可以将DC-DC电路输出电压降低而不能将其升高,将VD1的负极连接到DC-DC控制芯片的反馈输入管脚,OUTn端的电压需求就被准确地反馈到DC-DC控制器。本设计的反馈电路可以达到的电压调节范围如表1 所示。

表1给出了某个驱动电流值下,同一驱动芯片的16路驱动管脚其中一路的OUTn电压,以及与该驱动芯片对应的DC-DC电路的输出电压,在是否带有反馈电路下的数值比较。由表1可以看出,增加了反馈电路以后,效率明显得到提高。

3DC-DC电路及环路补偿设计

本设计采用了电流模式控制的TPS40210作为DC-DC电路的控制芯片。虽然电流模式控制较电压模式控制有着更快速的响应、更好的过流保护等优势,但同时也存在着一些不足,如因为电流检测回路的增加使得环路分析更加困难;在DC-DC开关占空比大于50%时,必须增加斜率补偿电路以防止系统出现不稳定状态[3];在电流检测端对噪声非常敏感,需要很高的信噪比等。本文设计的电路针对以上不足做了调整,使得整个系统可以稳定工作。DC-DC电路及补偿电路如图3所示。

图3是由TPS40210控制的Boost电路,该电路根据每片驱动芯片驱动的16路LED达到所需驱动电流时的实际正向电压,对整机电源供给的24V电压进行升压。设计中所用的LED正向电压范围为2.9~3.4V,因此将DC-DC电路输出的最大电压设定在40V左右即可满足每串12颗LED的电压要求,DC-DC反馈分压电阻为R10、R11。电路中采用的肖特基二极管VD20在1A时的正向电压约为0.45V,根据Boost电路占空比计算公式得出的占空比约为40.47%,所以该电路并不需要外加斜率补偿电路。针对电流模式控制在电流检测端的噪声敏感问题,本电路在电流反馈回路上设计了一个滤波器来滤除噪声,该滤波器由R6和C11构成。此外,MOS管栅极和衬底之间电容容量很小,少量感应电荷即可产生相当高的电压。由于RGS(DC)很大,感应电荷难以释放所产生的高压,很容易使很薄的绝缘层击穿,从而造成MOS管的损坏[4]。针对于此,电路在开关MOS管的栅极和源极之间加了一个电阻R5,构成放电通路,以保护MOS管不会因感应电荷产生的电压过大而损坏。在环路补偿方面,传统电流模式控制所采用的2型补偿电路不能同时满足本设计在系统稳定性和响应速度上的要求,所以本设计的补偿电路采用了3型补偿,3型补偿电路由R12、C12、C7、C8、R9构成。使用3型补偿电路的原因以及其起到的作用如下所述。

由于在电流模式控制中电感实际上已经不在开关电源调节器的传递函数中,因此环路中由LC引起的双重极点也不再存在[5],通常采用简单的2型补偿即可满足要求。但由于本设计中多引入了一条反馈回路,使得环路的情况又发生了改变。在分析中将这条反馈回路近似的等效为一个阻抗值可变的小电阻,LED调光时PWM占空比的变化导致等效小电阻的阻抗值不断变化,运算放大器的输出阻抗也影响着这个电阻的阻抗值。若仅用2型补偿,则R9的值需设置得较小才能保证电路的稳定,但这将严重影响增益带宽,使得系统的响应变慢,所以必须使用3型补偿才能在系统稳定和响应速度上达到平衡。图4所示为使用2型补偿和3型补偿时的系统响应速度比较,可以看出,3型补偿的系统响应速度远远优于2型补偿。

图4显示了给定驱动电流值下90% PWM占空比时,某一路LED驱动电流和OUTn电压在分别应用2型补偿和3型补偿时的响应对比。上图是2型补偿时的响应图,上面为电流响应,下面是电压响应;下图是3型补偿时的响应图,同样上为电流响应下为电压响应。由图4可以看出,2型补偿时系统响应有明显的滞后,改为3型补偿后响应速度有了很大改善。

4背光控制FPGA控制流程简介

本设计中所有LED驱动芯片均由一个FPGA进行统一控制。该FPGA的内部分为功能不同的数个模块,包括图像信号接收模块、图像运算统计模块、帧图像存储模块、背光控制值存储模块、图像信号发送模块、背光控制值发送模块等。FPGA的图像信号接收模块接收一帧电视图像信号后,由图像运算统计模块应用一定的算法计算出不同背光区域的控制值,然后将图像信号处理后的修正值暂存在帧图像存储模块中,并将背光控制值存储在背光控制值存储模块中,最后由图像信号发送模块将图像信号送入LCD面板,同时由背光控制值发送模块将背光控制值送入到LED驱动芯片中的PWM寄存器中。这样的区域调光操作使得不同背光区域采用不同的控制值以配合液晶面板的显示画面,增加了液晶电视的对比度。同时FPGA可以灵活地配置控制模式,采用不同的算法还可以实现背光的扫描等不同操作,从而进一步改善拖尾现象,提高液晶电视的图像显示质量。FPGA控制流程示意图如图5所示。

5结论

直下式LED背光源液晶电视相对于CCFL背光源液晶电视,在显示色域和显示画质方面优势明显。由于其采用的LED数量较多,如何保证在区域动态控制的基础上降低功耗、提高效率成为驱动设计的关键之一。本文讨论的设计方案通过增加反馈电路自动适应LED实际所需电压,实时调整DC-DC输出,可以有效地提高整个系统的效率,大幅度降低功耗。在前端控制器进行区域动态控制时可以满足系统稳定工作与快速响应控制的要求,能够适应不同尺寸的电视应用。在此系统架构的基础上,如何采用更为合理的算法进行图像处理和背光控制值的计算,使电视图像显示与背光控制更加紧密有效的配合成为下一步工作的研究重点。

参考文献

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[5] Sanjaya Maniktala[美]著,王志强等译. 精通开关电源设计[M]. 北京: 人民邮电出版社,2008.

驱动电源设计篇7

【关键词】新型电梯；曳引机；驱动与控制系统

1.背景

随着经济社会的飞速发展，城市规模随之越来越大，高层建筑与林立的商场成为衡量一个城市经济发展的标准，电梯是现代建筑的重要组成部分，是高层建筑、大型商场、民用住宅楼等必不可少的电气设备，电梯已与人们的工作与生活密不可分，广泛应用在工作、生活的各个方面，例如高层住宅楼的乘客电梯、建筑工地及大型商场的货运电梯、医院的医用电梯等，本文中的电梯主要指厢式乘客电梯。电梯整体系统复杂，一般包括8个主要系统模块：曳引系统、控制系统、驱动系统、重力平衡系统、导向系统、安全保护系统、轿厢系统、门系统，其中主要的硬件系统包括曳引机控制系统、曳引机驱动系统、曳引机系统和电气安全保护系统。

2.电梯曳引机概况

2.1电梯曳引机驱动系统发展阶段

1889年，第一台以直流电动机为动力的升降机在美国纽约市成功安装使用，电力首次应用于升降机系统，成为名副其实的“电梯”，随着平层微动装置及信号控制系统的设计使用，电梯驱动与控制系统逐步进入自动化、智能化控制阶段。电梯的曳引机系统大致经历三个发展阶段：直流电机阶段、交流感应电机阶段和永磁同步曳引机阶段，与之相对应的电梯驱动技术也经历了由直流电机驱动到交流双速驱动、交流调压驱动、交流变频变压驱动的发展阶段。与直流电机驱动相比，永磁同步曳引机驱动系统结构简单、体积小，没有转向器，单机容量不受限制，转动惯量小，动态响应好，易于维护，可靠性高，能耗低、效率高，节约能源。永磁同步曳引机技术日趋成熟，逐渐被国内外电梯厂商所关注，目前已成为普遍使用的电梯动力装置，永磁同步电机能够有效提高能力转换效率，降低能耗，代表着建设资源节约型社会的发展方向。

2.2电梯曳引机主要部件

曳引机系统主要部件包括电动机和制动器，系统其他部件包括曳引轮、联轴器等。曳引机电机是电梯最为关键的部件，是整个电梯的动力来源，目前主要应用永磁同步曳引机作为动力装置。制动器是电梯安全的重要保障，目前电梯制动器主要采用电磁制动器来保障电梯的性能稳定。

3.新型电梯曳引机驱动与控制系统设计

3.1总体设计

电梯是事关人身安全的特种电气设备，在系统设计时，不仅要充分考虑电梯曳引机的驱动功能，同时必须考虑电梯的安全性能，对电梯总体系统进行安全保护规划，保证电梯即使在驱动控制系统出现故障时仍然能够保障乘客的人身安全，避免断齿急坠等重大电梯安全事故的发生，减少经济损失[1]。新型电梯曳引机控制系统的主控制芯片采用数字信号处理器（DSP），能够提升电机的控制性能，保障曳引机系统平稳运行，提高乘客乘坐舒适度。驱动系统采用交-直-交电路设计结构，利用一个逆流模块和一个整流模块交互配合保证曳引机驱动系统稳定可靠运行。曳引机系统采用新型永磁同步电机，作为电梯的动力装置，保证系统安全稳定高效运行。电气安全保护系统控制核心为复杂可编程逻辑器件（CPLD），灵活性强、集成度高，能够对系统动态进行实时监测，有效保护电梯系统安全，保障乘客人身安全。

3.2主要硬件电路设计

新型电梯曳引机驱动与控制系统硬件包括曳引机控制电路系统、驱动电路系统、电气安全保护系统。

3.2.1控制系统电路设计

控制电路系统是电梯系统的指挥中心，负责向系统各个模块部件发出指令，使整个系统高效运行。控制系统电路采用DSP芯片核心处理系统电路，还包括电源控制电路、编码器信号调理电路、传感器信号调理电路等组成部分。电源控制模块对系统电源进行控制，为核心芯片提供稳定电压，保证芯片正常运行，设计时需要降低电源电路的复杂性，提高系统的可靠性。主控制电路以DSP芯片为核心，处理曳引机驱动系统和安全保护系统的信号与命令，DSP核心控制电路设计的合理性和高效性为电梯稳定高效运行提供保障。传感器信号调理电路通过对传感器信号的处理，将传感器监测到的运行信息调理为DSP芯片可以识别的信号，便于主控制系统对系统的运行状态进行判断。通讯电路是控制系统不可或缺的组成部分，负责将实时监测的数据返回上位机，并将主控制系统的命令传送至响应系统，需要保证通讯电路的可靠运行与即时传送[2]。

3.2.2驱动系统电路设计

驱动电路系统负责执行控制系统的指令，起承上启下的作用，实现控制系统对曳引机系统的控制，电路设计以智能功率模块IPM为基础，需要考虑系统的抗干扰能力。

3.2.3电气安全保护系统电路设计

电气安全保护系统是电梯安全运行的保证，设计时采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为系统控制核心，能够对系统动态进行实时监测并做出保护决策，在曳引机电机发生缺相、堵转、过载等情况或控制系统、驱动系统发生故障时有效地保护电梯系统安全运行，避免出现电机缺相运行、机械系统故障、轿厢无法平层、厅门无法打开等情况，避免电机烧毁和轿厢急速坠落等严重事故的发生，保障乘客人身安全。

3.3软件设计

曳引机驱动与控制系统的硬件采用了DSP主控芯片和CPLD器件，设计系统软件时需充分考虑两个处理系统工作的协调性，提高整个驱动与控制系统的控制精度和故障响应处理速度。

4.结语

电梯是事关乘客人身安全的特殊电气设备，为人们的工作和生活带来极大便利。新型电梯采用永磁同步曳引机为主要驱动装置，设计时应充分考虑电梯系统的高效性、安全性、可靠性，保障驱动控制系统性能的同时也保证系统的安全可靠运行，对电梯设计者、制造者和使用者都具有十分重要的意义。

参考文献

[1]张健.电梯曳引机在震动中的故障诊断分析[J].科技传播，2012（11上）：65.

驱动电源设计篇8

关键词： 透射电子显微镜； 照相机； CCD； 驱动电路； CPLD

中图分类号： TN16?34； TP212  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；文献标识码： A  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；文章编号： 1004?373X（2014）23?0142?04

Design of array CCD driving circuit based on CPLD

SUN Mao?duo， DONG Quan?lin， ZHAO Wei?xia， DANG Yu?jie， YANG Ya?jiao

（School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： In design of a TEM camera with CCD ICX285AL as the image sensor， an array CCD driving circuit based on CPLD was designed. Altera′s EPM570T100 is used as a time?sequence generator to generate CCD driving signal and CDS?control signal. A driver circuit and DC bias circuit were designed to provide voltage transformation， and to generate DC source and bias voltage. Verilog HDL is adopted to compile program under Quartus II 13.1 to implement logic circuits in CPLD. Simulations were conducted in the ModelSim 10.1. Experiment results indicate that the designed driving circuit can generate the driving pulse and bias voltage which meet the demands of CCD， and can steadily output CCD video signal.

Keywords： TEM； camera； CCD； driving circuit； CPLD

0  ；引  ；言

电荷耦合器件（CCD）是一种可应用于图像传感、信号处理、数字存储的半导体光电传感器，与传统摄像器件相比，不仅具有灵敏度高、速度快、动态范围宽、量子转换效率高、输出噪声低、控制方便、实时传输等优点，而且还具有很高的空间分辨率[1]，因此广泛应用于电子显微镜微光成像、遥感成像、卫星监测等领域[2]。

在透射电子显微镜（TEM）中，成像依赖于电子轰击闪烁体发光，亮度较低，且光谱集中在500～600 nm之间[3]。针对TEM的成像特点，选择ICX285AL作为图像传感器，设计了一款基于CPLD的面阵CCD驱动电路，以提供满足ICX285AL工作要求的直流偏置电压和驱动脉冲，在有限状态机的控制下，以12.5 MHz的频率不间断输出图像信号，且曝光时间可调，满足了实用要求，为TEM CCD相机的后续设计和改进奠定了基础。

1  ；目标CCD特性

ICX285AL是SONY公司的一款行间转移科学级单色面阵CCD图像传感器，像元尺寸为6.45 μm×6.45 μm，总像元数为1 434（H）×1 050（V），由于采用EXview HAD CCD技术，在500～600 nm之间的量子效率达到60%以上[4]，非常适合拍摄透射电子显微镜闪烁体的荧光图像，因此选择ICX285AL作为TEM CCD相机的图像传感器。

ICX285AL内部结构如图1所示，包含感光单元、垂直移位寄存器、水平移位寄存器三个部分。在积分时间结束后，感光单元电荷转移到相邻的垂直移位寄存器中，在垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4共同作用下一行一行地转移到水平移位寄存器，在水平转移脉冲HФ1，HФ2和复位时钟RG的共同作用下经放大器读出。

2  ；CCD驱动电路设计

CCD驱动电路为ICX285AL提供了驱动脉冲和直流偏置电压，其组成框图如图2所示，主要包括控制电路、偏压电路、驱动器电路等（CCD的输出信号通过相关双采样电路采集，这里只涉及采样控制信号的产生方法）。下面分别介绍这几个部分。

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图1 ICX285AL内部结构示意图

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图2 驱动电路系统示意图

2.1  ；偏压电路

偏置电压电路向CCD以及驱动器电路提供直流偏置电压，并为器件提供3.3 V电源。

ICX285AL所需垂直转移信号的电压为-7 V，0 V，15 V三个级次，水平移位信号和复位信号电压为5 V，基底信号电压为22 V，CPLD电源电压为3.3 V，驱动器芯片电源电压为5 V。

设计外接5 V直流稳压电源，选用LT1129产生3.3 V电压，选用LT1935产生15 V偏压，选用LT1964产生-7 V偏压。图3中由下至上分别是LT1935和LT1964偏压产生电路设计。

2.1.1  ；LT1935偏压电路设计

LT1935是开关频率1.2 MHz的升压型开关稳压电源[5]。输出电压值由[R7]和[R11]设定：

[VOUT=1.265?1+R7R11]  ；  ；（1）

式中：1.265 V是反馈引脚FB的参考电压；取[R7，][R11]分别为110 kΩ，10.13 kΩ（10 kΩ与130 Ω串联），预计输出的电压15 V。

2.1.2  ；LT1964偏压电路设计

LT1964是低噪声负压线性稳压电源[6]。它的-15 V直流输入是通过反向电荷泵由LT1935的开关引脚（SW）得到的。输出电压由[R6]和[R10]设定：

[VOUT=-1.22?（1+R10R6）-IADJ?R2] （2）

式中：[VADJ]=-1.22 V，为调整端口ADJ的参考电压；[IADJ]=-39 nA（25 ℃时），为ADJ端口的偏置电流。设计取[R10，][R6]分别为48.7 kΩ，10.27 kΩ（10 kΩ与270 Ω串联），预计输出的电压为-7 V。

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图3 偏置电压产生电路

2.1.3  ；电源滤波

在电源输出端采用并联电容、串联磁珠的方式滤除高频噪声。设计采用低等效串联阻抗X5R型陶瓷电容并联在电源输出端与地之间，采用大容值并联小容值、大封装并联小封装的方式，展宽了输出端与地之间的低阻抗带宽，更好地滤除高频噪声，同时提升了电源输出瞬态响应性能[7]。

2.2  ；驱动器电路

常用的可编程逻辑器件的输出电平多为1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V几种规格，不符合CCD驱动脉冲的要求，除了3.3 V电平的复位信号RG信号可直接驱动CCD，其余8路时序信号必须经过电平变换以提高驱动能力。驱动器电路采用一片CXD3400N和一片74ACT04芯片进行电平转换，电平转换示意图如图4所示（图中括号内的值为电压范围）。

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图4 电平转换示意图

CXD3400N是6通道CCD垂直驱动器，支持2.7～5.5 V的逻辑输入，可提供4路三级电平垂直驱动、2路二级电平垂直驱动、1路二级电平基底时钟驱动[8]，其输出脉冲的高级和低级电平分别等于外接的正、负偏置电压，中间级电平等于地平面[8]。一片CXD3400N即可提供全部垂直驱动信号以及基底时钟。应当注意的是，两路三级电平脉冲信号[Vφ2A，][Vφ2B]是由XSG1，XSG2和XV2转换来的。

74ACT04是一款高速6通道反相器，可以将3.3 V信号转换成5 V信号[9]，采用一片以提供水平驱动信号。

2.3  ；控制电路

2.3.1  ；电路实现

CPLD具有ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优势，同时设计周期短且灵活性好，可通过JTAG实现在线编程[10]，是设计高速数字硬件的理想选择。设计采用Altera公司MAX Ⅱ系列的EPM570T100作为时序产生器。

设计采用Verilog HDL语言实现时序逻辑电路。Verilog HDL作为一种硬件描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是当前系统硬件设计语言的主流[11]。在Quartus Ⅱ开发环境下，采用自顶向下的方式实现复杂逻辑的设计，并采用有限状态机控制时序的产生过程。在其顶层模块实例化各功能模块，然后采用Verilog HDL语言对各功能模块详细描述[12]。

2.3.2  ；有限状态机

根据ICX285AL的工作过程，借助Quartus Ⅱ中集成的状态机生成向导（State Machine Wizard）设计三段式状态机，将“次态逻辑”、“状态寄存器”和“输出逻辑”分别放在不同的always进程中描述，以消除出现竞争冒险现象的可能，去除信号毛刺[13]，状态机转换图如图5所示。

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图5 状态转换示意图

为充分利用CCD的动态范围[14]，对应不同的光照条件，状态机包含了长积分和短积分两种状态转移模式。

2.3.3  ；时序产生

设计使ICX285AL工作在逐行扫描模式，需要9路驱动脉冲，垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4，水平转移脉冲HФ1，HФ2，复位时钟RG以及控制曝光的基底时钟ФSUB。

CCD一帧图像的工作周期包括感光阶段和转移阶段，转移阶段又分为帧转移、垂直转移、水平转移。在感光阶段，给基底提供低电平，CCD感光单元开始收集光电荷，存储电荷的多少取决于光照强度和曝光时间。帧转移阶段，垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4输出一组三级电平信号，此时感光结束，成像单元中的电荷以电荷包的形式转移到相邻的垂直移位寄存器中。在垂直转移阶段，包含1 050个循环，每一次循环VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4都会输出一组二级电平信号，使电荷沿垂直移位寄存器移动一行，最后一行进入水平移位寄存器，然后在HФ1，HФ2和RG的作用下完成1 434个循环，每次循环读出一个像素信息。RG用于将浮置扩散节点的电荷清除掉，以便能够准确测量下一个电荷包。

通过计数器可以方便地规定时序信号的占空比和相位关系。设基础时钟周期[t，]设计CCD的像素读出周期为[T=8t。]编写逻辑cnt_clk和cnt_pixel对[t]和[T]分别计数，利用cnt_clk的值规定水平转移、复位和采样控制时序信号，利用cnt_pixel的值规定垂直转移、基底时序信号，两个计数器在状态发生转移时均被重置。

2.3.4  ；时序仿真

完成Verilog HDL语言的编译、综合后，在Quartus Ⅱ中编写仿真脚本（Test Bench），在ModelSim 10.1中进行了仿真，仿真结果如图6所示。图6（a）显示了垂直驱动时序信号。图6（b）显示了水平转移、复位以及采样信号。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t6.tif>；

图6 时序信号仿真图

3  ；实验结果

将Verilog HDL程序下载到CPLD中，利用示波器检查偏置电压和驱动波形无误后，将CCD安装在驱动电路上。

利用光源使CCD输出信号饱和，用示波器测试CCD的输出信号，结果如图7所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t7.tif>；

图7 CCD输出信号

测得像素读出速率为12.5 MHz，与设计一致，输出信号清晰显示出了每个像素周期包括的复位电平、参考电平、信号电平三部分，其中参考电平和信号电平电位差约为1 V，实验结果表明ICX285AL在驱动电路的驱动下正常工作。

4  ；结  ；语

设计并加工了一款用于TEM CCD相机的CCD驱动电路，采用CPLD作为时序发生器，通过状态机实施过程控制，在不改变硬件的情况下，可以方便地更改曝光时间和相机工作模式，同时保证图像的连续采集。使用CXD3400N和74ACT04作为驱动器，能够输出高质量的驱动脉冲。

通过实验，验证了ICX285AL在该驱动电路的驱动下能够连续、稳定地输出视频信号，证明该设计满足实用要求，为TEM CCD相机的后续研究奠定了基础。

注：本文通讯作者为董全林。

参考文献

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