驱动电源设计范文

时间:2023-03-03 04:46:02

驱动电源设计

驱动电源设计范文第1篇

关键词:混合动力;开关电源;单端反激

中图分类号:TP211+.4 文献标识码:A 文章编号:1005-2550(2017)03-0030-04

Design of Power Supply for an Automotive IGBT Drive

YANG Xian-guo, ZHANG Hong-xia, PENG Jin-cheng, ZHAO Wei

( Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan430058, China )

Abstract: This paper introduce a single-end flyback converter with multiplexed output for IGBT drive. The design process and the specific of the circuit are introduce. The test indicates that this power has outstanding reliability, stability and lower ripple. This power fully comply with the requirements of the automotive IGBT driver.

Key Words: hybrid power; switching power supply; single-end flyback converter

引言

IGBT是目前混合恿ζ车高压混合动力系统中必须采用功率开关器件。IGBT栅极驱动对电压要求极为苛引 言刻,而汽车电气环境较为复杂。所以电源需要在宽电压环境中工作,且输入与输出必须隔离开来,必须具有高可靠性和高稳定性。单端反激式开关电源具有体积小、重量轻、效率高、结构简单等优点,非常适合用于设计功率器件的驱动电电源。

开关电源控制电路分为电流控制型和电压控制型。电压控制型控制电路是一个单闭环控制系统,控制过程中电源的电感电流未参与控制,是一个独立变量,开关变换器为有条件稳定二阶系统。电流控制型控制电路是一个电流、电压双闭环控制系统,电感电流不是一个独立的变量,开关变换器为一阶无条件的稳定系统,从而可以得到更大的开环增益和完善的小信号、大信号特征。为此本文选择流控型芯片LM3478设计了一款车载IGBT驱动电源。主要技术参数:输入8-16V直流,输出:4路输出(每路28V/0.16A),工作频率100KHz,输出纹波小于1%。

1 主电设计

1.1 主电路拓扑

主电路拓扑如图1所示。主电路采用单端反激式变换电路,+12V为电池直流经电源预处理后的输出电压,作为开关电源输入电压。开关电源分四路输出提供给IGBT驱动电路。

1.2 电源预处理电路设计

电源预处理电路如图2,是外部电源与内部电路的链接部分,它承担着减轻外部电源干扰和降低内部电源对外的传导干扰。在这一部分电路设计要针对性的考虑到企业标准相关试验要求,并作出详细的计算以满足电路设计要求。以静电保护电容为例,根据企业标准要求本设计所搭载控制器,需要进行最严酷静电试验为,带电25KV[1]。图2中电容C1、C2:470nF(100V)为ESD保护电容,计算如下:

由以上可知电源接入端口BAT+可以耐受25KV静电。

其中C1、C2在电路布局时还应当相对垂直布置,避免由于单方向震动引起电容同时失效而引发控制器着火。

1.3 变压器设计

变压器是开关电源最重要的组成部分,它对电源效率和可靠性,以及输出电源的电气特性都起到至关重要的作用。在设计时需要充分考虑功率容量、工作频率、输入输出电压等级和变化范围,铁芯材料和形状,绕组绕制方式,散热条件,工作环境等综合因素[3]。

根据技术指标要求,电源输出功率Pout为:

原边峰值电流为

式中Vin(min)为电源输入最低电压8V。

Ton取最大值0.5,初级电感量为Lpri:

初级匝数Npri为:

,取6。

AL为磁芯制造厂提供的一个气隙长度参数。这个参数是在磁芯上绕上1000匝的后的电感数据。根据磁芯生产商提供的磁芯和导线参数本设计中AL=10mH/1000,式中Lpri初级电感量单位为mH。

次级匝数Nsec为:

式?max中为最大占空比(反激式开关电源50%),VD 为次级整流二极管导通压降。

2 控制电路

2.1 PWM控制电路

本设计采用TI公司汽车级芯片LM3478作为开关电源控制器。LM3478是一个多用途底边开关电源NMOS控制器,可用于BOOST,flyback,SEPIC 等多种拓扑结构开关电源[4]。

PWM控制电路如图3所示,图中引脚8是电源输入端,芯片为宽电压输入,输入范围是3-40V,本设计中连接到电源预处理的输出端典型值为13.5V。引脚7连接电源频率配置电阻,根据使用手册提供的工作频率与阻值关系,本电源的工作频率为100KHz,R6配置为200KΩ。引脚2为补偿引脚,C6、R7构成补偿回路为控制电路提供补偿。引脚6为输出端,经过一个限流电阻(R4)限流后驱动功率MOSFET(Q2),为保护MOSFET,在引脚6并联一个电阻。

2.2 电压反馈电路设计

为了使多路电源输出一致性更好,和降低负载对反馈电源的影响。本设计采用独立回路进行电压反馈设计,反馈回路变压器绕组匝数Nfb为:

反馈电路通过外部分压连接到LM3478的FB引脚与内部基准电压1.26V进行比较。因为变压器原边与输出回路和反馈回路的绕组匝比固定,所以当输出回路电压升高,反馈回路的电压也会升高。反馈回路分压电阻分压就会高于1.26V,控制器将关断外部NMOS,缩短NMOS导通时间以降低电压。

2.3 电流反馈控制电路设计

LM3478电流控制通过在电流环内串联电阻的方式,将电流信号转换为电压信号,从控制器引脚ISEN引入控制器内部,与LM3478电流控制基准电压vsense进行比较,当ISEN脚上电压高于基准电压vsense时控制器将关断开关管,起到限流和过流保护作用。

本设计的最大电流限值为原边最大电流与原边电感最大纹波电流之和。对于本设计原边最大电流为Ipk。根据LM3478使用手册,RSENSE计算如下:

DMAX式中为0.5,vsense、vsL、vsL可从LM3478 使用手册中查询相关数值和公式。

3 测试结果

本设计集成在IGBT驱动电路中,在典型电压值9V、13.5V、18V下分别测试本开关电源的轻载和满载(用大电阻模拟负载)情况下的相关参数。表1和表2为典型测试值示例,测试表明电源输出符合设计要求。

图4为输入13.5V满载时开关MOSFET栅源级波形,图中可以看出满载情况下占空比小于50%,电路工作在完全能量转换状态下,满足设计要求。D5为开关MOSFET漏源电压,从图(a)中可以看出在开关管关闭、次级线圈电流为零时原边的电压在理论上应该降为零,实际上却发生了震荡。原因是当变压器释放完所有能量,电源开关管的漏源级电压会降到输入电压值的电平上。这一转变激发了原边吸收电容与原边电感的谐振回路,从而产生了一个衰减的振荡波形,并持续到开关管下次导通。这一振荡波形会影响电路的EMI特性,需要调整吸收电路电容使振荡波的频率低于电源开关频率,得到如图(b)的波形。

4 结束语

本文设计的反激式开关电源,具有体积小、重量轻、输出电压纹波小、稳定性好等优点,本设计应用在基于英飞凌HP2 IGBT驱动电路中,所搭载控制器通过了DV、PV测试,并成功应用于东风某ISG车型中。在开关电源设计过程中会遇到很多问题,比如变压器啸叫、开关管过热等,这些问题需在测试过程中不断总结和整改,器件参数也需要在测试过程中不断调整,如文中所提到的吸收电路的调整。同时PCB布局对电源的品质和可靠性影响很大,如文中提到的防静电电容布置。所以在原理设计完成后要仔细阅读相关企业标准和芯片PCB Layout指导手册,以降低不恰当的布板对电源造成不利影响。

参考文献:

[1]EQC-1204-2007 电气和电子装置环境的基本技术规范电气特性, 2007.

[2]王志强.开关电源设计第二版[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[3]徐德鸿.开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[4]LM347X/Q1 High-Efficiency Low-Side N-Channel Controller for Switching Regulator.

驱动电源设计范文第2篇

1)实际导通时栅极偏压一般选12~15V为宜;而栅极负偏置电压可使IGBT可靠关断,一般负偏置电压选-5V为宜。在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射之间并接两只反向串联的稳压二极管。

2)考虑到开通期间内部MOSFET产生Mill-er效应,要用大电流驱动源对栅极的输入电容进行快速充放电,以保证驱动信号有足够陡峭的上升、下降沿,加快开关速度,从而使IGBT的开关损耗尽量小。

3)选择合适的栅极串联电阻(一般为10Ω左右)和合适的栅射并联电阻(一般为数百欧姆),以保证动态驱动效果和防静电效果。根据以上要求,可设计出如图1所示的半桥LC串联谐振充电电源的IGBT驱动电路原理图。考虑到多数芯片难以承受20V及以上的电源电压,所以驱动电源Vo采用18V。二极管V79将其拆分为+12.9V和-5.1V,前者是维持IGBT导通的电压,后者用于IGBT关断的负电压保护。光耦TLP350将PWM弱电信号传输给驱动电路且实现了电气隔离,而驱动器TC4422A可为IGBT模块提供较高开关频率下的动态大电流开关信号,其输出端口串联的电容C65可以进一步加快开关速度。应注意一个IGBT模块有两个相同单管,所以实际需要两路不共地的18V稳压电源;另外IGBT栅射极之间的510Ω并联电阻应该直接焊装在其管脚上(未在图中画出),而且最好在管脚上并联焊装一个1N4733和1N4744(反向串联)稳压二极管,以保护IGBT的栅极。

2实验结果及分析

在变换器的LC输出端接入两个2W/200Ω的电阻进行静态测试。实验中使用的仪器为:Agi-lent54833A型示波器,10073D低压探头。示波器置于AC档对输出电压纹波进行观测,波形如图5所示。由实验结果看,输出纹波可以基本保持在±10mV以内,满足设计要求。此后对反激变换器电路板与IGBT模块驱动电路板进行对接联调。观察了IGBT栅极的驱动信号波形。由实验结果看,IGBT在开通时驱动电压接近13V,而在其关断时间内电压接近5V。这主要是电路中的光耦和大电流驱动器本身内部的晶体管对驱动电压有所消耗(即管压降)造成的,故不可能完全达到18V供电电源的水平。

3结论

本文首先按照带有缓冲电路的反激变换器模型建立了DCM模式下反激变换器各种参数的计算方法,利用各类关系推演了反激变压器储能转换率的表达式。该方法简洁且物理意义明确,适用于单片开关电源为基础的小功率反激变换器计算。美中不足的是未能将次级线圈的铜损考虑在内。若将此作为考虑因素,则反激变压器的电感将是一个反复迭代的计算过程。作为工程实践,本文提出的方法是可操作的。另外,本脉冲激光电源的IGBT驱动电路仅仅满足了最基本的逆变开关要求。若要构建完善的驱动电路,还需要加入欠压锁定、过流告警乃至过热保护等功能,以保护作为脉冲激光电源核心的IGBT模块。

驱动电源设计范文第3篇

关键词:大功率 LED路灯 驱动电源 设计

引 言

所谓“绿色照明”是指通过可行的照明设计,采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品,改善提高人们的生活品质。完整的“绿色照明”内涵包括高效、节能、安全、环保等四项指标,不可或缺。作为“绿色照明”之一的半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一,它具有高效、节能、安全、环保、寿命长、易维护等显著特点,被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型第四代“绿色”学源。2003年6月17日,我国正式启动“国家半导体照明工程”。随着“绿色照明”理念的提出和推广,以半导体材料制作的LED光源被逐渐的应用到了景观照明方面,与此同时大功率的LED路灯引起了人们的广泛关注。大功率LED路灯的工作原理是,通过直流低压对大功率LED组进行点亮,从而满足人们的照明需求。大功率LED路灯不仅具有亮度高和显色性好的优势,并且因为LED路灯的需要输入的电能是低压直流,所以对电能的要求少。随着太阳能光伏发电技术的不断成熟,由于大功率LED路灯对电能的要求少,使得太阳能LED路灯作为未来道路的照明方式成为可能。在目前的LED应用过程中,由于大功率LED所需要的必须是低压直流电源,所以普通的家用交流电无法满足大功率LED的要求,即使经过了普通降压和稳压的电源也必须通过重新改良过后才能用于为大功率LED驱动电能。本文通过对大功率LED的工作特性深入探析理解,并对目前常用的一些驱动电源进行简要分析,对高效的发挥出大功率LED的优势驱动电源必须具备的哪些条件提出了多个设计要素。

一、LED驱动电路研究的意义和价值

LED路灯是低得罟、大电流的驱动器件其发光的强度由流过LED的电流决定电流过强会引起LED的衰减电流过弱会(dian4 liu2 guo4 ruo4 hui4)影响LED的发光强度因此LED的驱动需要提供恒流电源以保证大功率LED使用的安全性同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC(功率因素校正)和恒流问题还需有比较高的转换效率有较小的体积能长时间工作易散热低成本抗电磁干扰和过温、过流、短路、开路保护等。本文设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高在LED路灯使用过程中取得满意的效果。

LED由于节能环保、寿命长、光电效率高、启动时间按短等众多优点,成为了照明领域关注的焦点,近年来发展迅速。由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战,LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。因此为防止LED的损坏,这些都要求所设计系统能够精准控制LED输出电流。目前采用的稳压驱动电路,存在稳流能力较差的缺点,从而导致LED寿命大为缩短。

当前,直流输入LED驱动电源已经发展了较长的一段时间,电路已比较成熟,而用于市电输入照明的LED驱动电路,很多采用交流输入电容降压及工频变压器降压,电源体积过大,输出的电流稳定性差,性能很低。目前针对市电输入的降压驱动电路是当前LED驱动市场的难点和热点。LED照明时一种绿色照明,其驱动电源的输出功率较小,在此情况下实现电源的高效率是另一大难点。同时,由于LED的使用寿命理论上长达10 万小时,这要求驱动电源很高的可靠性。

二、设计方案

HV9910 应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制(PWM) 方法,采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。不同于传统的PWM控制方法,该驱动器使用了一个简单的开/ 关控制来调整LED的电流,因而简化了控制电路的设计。

2.1 电路的特点

1)无需电解电容及变压器,这样增加了电源的使用寿命。如果LED驱动器理有电解电容,那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 度使用寿命增加一倍。比如说标称105 度2000 小时的电解电容,在65 度下使用寿命大约是32000 小时。

2)高效率。这款灵活简单的LED驱动器IC效率超过93%,可减少相关元件的数量,从而降低了系统成本。HV9910 可将调整过的85V至265Vac 或8V至450Vdc 电压源转换为一个恒流源,从而为串连或并联的高亮LED提供电源。

3)电路简单,仅需一个芯片HV9910 的实现就能实现所有的功能,没有用到变压器,提高了功率的效率,减少了空间,增加了系统的可靠性。

2.2 电磁兼容,高PFC、过EMI

采用高PFC 功能电路设计的室外LED 路灯电源,内置完善的EMC电路和高效防雷电路,符合安规和电磁兼容的要求。再用电压环反馈,限压恒流,效率高,恒流准,范围宽,实现了宽输入,稳压恒流输出,避免了LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED得亮度稳定。整机元件少,电路简单。

2.3 电源的PCB设计

本文在PCB 布局过程中,将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大,提高电路的抗干扰能力。

本文遵守以下原则进行PCB布线:

1)尽量避免相邻的线平行排列,平行走线的最大长度小于3cm,避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡;

2)为避免高频回路对整个电路的影响,尽可能减小其面积,并使用较细的导线;

3)合理设计PCB导线的宽度,电源进线线宽1.5mm,开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm,电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm;

三、可靠性设计

要在照明领域中大量使用大功率白光LED,只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作,才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。

3.1过压过流保护

在实际使用中,会出现负载短路或者空载的情况,会造成整个驱动电源的破坏,所以在驱动电源设计的时候,需要增加过压与过流保护。

3.2隔离保护

LED是低电压的产品,当驱动电源的开关损坏时,也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。

3.3浪涌保护

在实际应用中,电网很不稳定,尤其是雷雨季节,会有浪涌电压存在,所以在驱动电源设计时,要考虑到整个产品的防雷,尽量避免在异常时造成永久性的破坏。

3.4散热设计在大功率LED应用中,LED能承受的电流与温度有一定的关系,所以在驱动电源设计时,需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。

四、本文小结

驱动电源设计范文第4篇

【关键词】LED照明;开关电源;恒流驱动;调光控制

1.引言

随着全球能源紧缺的状况日益加剧,大力发展节能环保产品势在必行。采用发光二极管(LED)作为发光源的半导体照明因具有节能、环保、体积小、长寿命的特点,成为颇具优势的绿色节能照明光源。为加快发展中国的半导体照明产业,科技部于2003年成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”协调组织实施国家半导体照明工程。在新颁布的《轻工业“十二五”发展规划》中,照明电器产业被列为八个“重点行业技术改造工程”之一。2011年11月,发改委公布了白炽灯的淘汰路线图,传统高能耗的白炽灯将逐步淡出人们的视野。LED照明产品的驱动电源设计选择既具有电源设计的普遍性又有它的特殊性。

2.LED的特性与驱动原理

2.1 LED的电气特性

从白光LED诞生以来,LED用于常规照明领域成为可能。随着近年来大功率白光LED的出现与发展,它已进入人们的生活照明、道路照明、工业照明等各个领域。

LED作为二极管的种类之一,具有同普通二极管相似的V-I特性,它的开启电压要大于普通二极管。当外部施加电压大于开启电压后,电流将以正向电压的指数倍增加。(如图1)在LED导通后一定电流值范围内,其发光亮度与电流值几乎成线性正比关系。故外部微小的电压变化都会引起发光亮度的显著改变。而过大的正向电流会使LED发热,LED的光效会随着温度的升高而降低。并且持续过热会严重影响LED的寿命甚至造成其损坏。

2.2 LED的驱动方式

传统的白炽灯直接使用交流市电,荧光灯需要高压启辉。而LED的驱动有别于传统光源的驱动方式。为避免LED工作电流超出其最大额定范围而造成损坏,需要用恒流方式加以限制。在照明产品应用中,LED多数是以串并联组合成灯珠阵列的方式作为光源,为保证阵列中各个LED单元亮度的一致性,也决定了应采用恒流的驱动方式。

2.3 恒流电源的工作原理

在应用单颗或单串LED且负载功率较小的时候,通常会用在LED串上串联限流电阻的方式来实现稳流。在LED负载功率稍大时则使用线性恒流稳压器(CCR)来实现。(如图2)这种方法在小功率应用时简便易行。

但由于CCR方式效率较低,热耗散高,在LED负载功率较大时就不适用了。在大功率应用时,通常使用反馈恒流的方式。图3是一个恒流线性电源的基本模型。通过检测LED串联的取样电阻Rs两端的电压,与放大器A1参考电压比较,调整开关管Q1以维持Rs两端电压不变,即实现了负载中电流的恒定。

3.LED驱动电源的设计选择

3.1 LED照明产品分类

各种照明产品又具有各自的应用与外形特点,设计选择驱动电源时又通常使用负载功率等级的划分方法。二者相结合考虑,可按表1划分为四档,便于驱动电源的设计选择。

3.2 LED驱动电源的设计选择要点

从表1中可以看出,功率等级划分主要依据了不同应用环境下的照明需要。各个功率范围灯具所需的电源在设计选择时需要考虑其各自的应用特点。

(1)3W以下功耗的照明产品强调了小体积、可携带性等特点,作为辅助照明使用。光源通常使用单颗大功率LED灯珠,或串并联几颗低功率LED灯珠。使用12V以下的直流或电池供电。驱动电源拓扑通常使用线性电源、buck、boost等DC-DC变换,负载串联限流电阻或CCR的方式实现电流的稳定。对于电池供电的产品需要考虑使用效率较高的拓扑以提高其续航能力。

(2)3~25W等级涵盖了室内照明以及室外辅助照明等主要产品。他们功率低、体积小。受灯具外壳形状的约束,印制板布局空间在一定程度上受到限制。驱动电源拓扑可选择CCR、buck、boost、SEPIC等模型实现。对于日光灯管等建议使用隔离型反激电源拓扑进行设计以满足安全规格与电磁兼容标准的要求

(3)25~75W区间的中等体积灯具,驱动电源放置空间较大,或者采用外置,空间设计难度较小。但由于一些产品的电源会暴露于室外条件,对电源本身的防尘防水特性提出了要求,通常应达到IP65(完全防止粉尘进入,用水冲洗无任何伤害)以上的标准。并且由于负载功率的增大,电源效率需达到80%以上的设计以减小热损耗。并且在ICE61000-3-2和GB17625.1标准别规定了有功输入功率25W以上照明用电设备需要限制谐波电流,减小对电力系统的影响。这类产品可使用无源功率因数校正的方式进行补偿以节约成本。

(4)75W以上的大功率LED照明产品,对驱动电源提出了较高的要求。美国“能源之星”标准要求住宅用灯具功率因数应≥0.75,商用灯具应≥0.9。需要应用APFC(有源功率因数校正)提高功率因数,降低总谐波失真。电路拓扑以反激、正激为主,对于输出功率大于150W时应采用半桥、全桥等谐振与软开关变换拓扑,以提高电源的变换效率,通常应达到90%以上。

3.3 LED照明产品的调光方式

LED照明产品在有些应用中需要根据不同的环境调整的亮度。如公共场所照明,晚间需要维持一定的照明强度,而白天有日光的时候就可以降低以节约电能。这就需要LED驱动电源具备输出电流可控的功能来改变灯具亮度。

目前常见的调光方式有模拟调光和脉宽调光两种。传统的TRIAC(双向晶闸管)调光因为会导致电源功率因数与效率的大幅降低将逐渐退出实际应用。

(1)模拟调光

模拟调光又称A-Dimming调光。以一定范围内(通常是0~10V)的直流电压触发驱动电源控制器。因输入电压连续,可以对负载实现线性调光。但因调光电压范围较小,当电压值较低时易被外界干扰,使得输出电流不稳定,造成亮度闪烁。通常的解决方法是使电源输出电流在调光电压为0的时候依然有一定的输出,来屏蔽掉会发生闪烁的区间。这就使得应用模拟调光的时候亮度不能做到全暗到全亮的区间变化。

(2)脉宽调光

脉宽调光即PWM调光。如图4所示,以一定占空比的方波信号输入驱动电源的控制器,通过控制与负载LED串联FET的占空比来改变周期内负载LED的导通时间,使其呈快速闪烁状态,这样改变了LED中电流的有效值。由于人眼的视觉暂留现象,从而看到“连续”的光。占空比的范围可以从0%~100%,负载LED的电流有效值可从0调节至最大。为避免人眼看到灯具的闪烁,脉宽控制信号的频率通常使用200Hz,兼顾调光FET的开关损耗和减轻电源的电磁辐射。

对于一些手电筒以及室内照明产品等来说,使用者和灯具的距离较近,而200Hz的调光频率是在人耳的听频范围之内的,所以在这些应用场合,则需要提高脉宽调光频率到20kHz以上,避免给使用者带来不适感。

3.4 LED照明产品电源的保护特性

与普通开关电源一样,LED照明产品的电源同样需要具备各种保护功能以保证使用的安全,最基本需要包括以下三种:

①过压/开路保护:负载断路时电源为维持恒流特性会提升输出电压,当达到电压限值一定时间则切断输出,直至重新手动开启电源。

②过流/短路保护:当负载发生短路时触发,电源将限制输出电流值并间歇性自动重启,直至故障解除。

③过温保护:当电源工作温度超过一定限值时触发并停止工作,直至温度恢复正常值并手动重新开启。

在设计选择时,必须选取具备这些保护功能的控制芯片和产品使用,防止安全隐患。

4.小结

随着LED照明产品应用的推广,它将逐步进入人们生活的各个领域。根据LED本身特性的要求,设计与选择性能更加适合的驱动电源,可以提高灯具的整体寿命,充分发挥其节能环保的优势。

参考文献

[1]王志强,肖文勋,虞龙,等译.开关电源设计(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2010.

[2]赵同贺.开关电源与LED照明的优化设计应用[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3]张占松,汪仁煌,谢丽萍,等,译.开关电源手册(第二版)[M].北京:人民邮电出版社,2006.

作者简介:

张家琳(1983—),男,天津人,大学本科,助理工程师,现供职于天津光电通信技术有限公司,研究方向:LED照明,开关电源。

驱动电源设计范文第5篇

关键词: 聚合物分散液晶材料; 驱动电压; 功率放大模块; 升压模块

中图分类号: TP 335; TP 316.2文献标识码: Adoi: 10.3969/j.issn.10055630.2012.05.010

引言聚合物分散液晶材料(polymer dispersed liquid crystal,PDLC)[1]是液晶微滴分散于固态聚合物高分子基质之中而形成的新型光学材料,既能实现衍射效率的电场调控[2],又具有体积薄、质量轻、易于小型集成、响应时间快、衍射效率高等特点。为了使PDLC对光产生有效电控现象[2],驱动电源系统要求驱动电压在400 V范围内可调,每路可以独立控制,其输出波形为正弦波、方波或者三角波,特别是其信号频率、相位、幅度均可调。为了产生多种不同频率的波形,可用函数信号发生器实现,信号发生分调制信号和信号发生器直接输出的未调制载波信号。调制信号可用函数信号发生器产生,调制信号加上直流偏置电压,再和载波信号部分进入乘法器产生标准调制信号,载波信号和调制信号由波形选择器选择需要用的波形信号。信号波形选择和频率控制均由ARM控制,波形信号经功率放大模块后,由升压模块进行升压,驱动PDLC,驱动信号和PDLC输出的信号可以通过系统进行采集并在触摸屏显示。文中设计了一套驱动电源系统,具有独立单路可选可调,4路波形组合,用ARM主控,可移植性强的QT实现波形的触摸屏显示和调节,以及多点信号采集和存储等功能。系统满足了PDLC对波形、电压、频率和相位的要求。1系统架构根据系统要求,可将电源驱动系统分为信号产生模块、信号调制模块、ARM控制模块、功率放大模块、升压模块、信号采集模块和LCD触摸屏。信号产生基本原理如图1所示。

根据系统要求,要将信号调制成标准调幅信号,则要将调制信号加上直流偏压,再与载波信号相乘,即可得到标准振幅调制信号。系统采用数字频率合成DDS波形信号发生器,产生满足要求的正弦波、方波、三角波。载波信号和调制信号经乘法器得到标准调制信号,ARM控制波形发生器的相位、频率和波形,并且通过控制数字电位器调节偏置电压范围为1.2~2 V。乘法器输出调制信号最大幅度为0.26 V,采用运算放大器OP07放大,使多路选通器在选择调制信号时能在LCD上显示相对于载波信号较易观察的调制信号波形,调制信号和载波信号输入多路选通,ARM控制多路选通使能和通道号,多路选通后的信号进入功率放大模块进行放大,再给升压模块提高电压到低于400 V的范围内可调。ARM控制升压模块,升压模块输出信号直接驱动PDLC。经过PDLC的信号在输出PDLC时用信号采集模块进行终端信号的采集,观察和分析在4路驱动电源驱动下,PDLC对光的电控特性。光学仪器第34卷

第5期张燕华,等:嵌入式可编程PDLC驱动电源系统设计

2系统硬件设计系统以S3C2440A为主控制芯片,它有2个标准SPI接口;有130多个输入输出GPIO口,很多可复用的I/O口方便用户进行系统的拓展以及模拟各种总线的时序。也可用软件来设置和配置端口而满足不同系统的设计需求。AD9833是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器件,能产生正弦波、方波和三角波三种波形,它具有三根串行接口线,可与SPI标准接口兼容。系统需要产生四路信号,MINI2440的主SPI接口用于数据采集模块,现采用8根I/O口模拟4路SPI总线,通过片选信号进行区分。AD9833外接25 MHz有源晶体振荡器OSC XTAL提供AD9833的主时钟频率。系统中MINI2440用主动工作方式所以用SPIMOSI1口发送数据[3]。当CH1_AD9833_CS1为低电平时,此DDS芯片被选通,写数据有效,反之无效。数字信号发生器的硬件电路设计如图2所示。

AD5160是ADI公司生产的低功耗可编程数字电位器,具有可兼容SPI的接口,控制调节幅度,使得偏置电压可调节范围为1.2~2 V,如图3所示。

3系统软件设计根据电源系统设计需求,使用Linux下可移植性强的QT实现ARM选择和控制波形发生器、数字电位器、数据采集、GUI窗口系统。可抽象出4个层:(1)软件应用层:需要建立GUI图形界面的,包括波形发生器、数字电位器、多路选通通道号选择,偏置电压和调制信号分微调等;(2)事件驱动层:进程管理,窗口管理,显示系统,信息反馈等;(3)高集成C++的QT库,如应用程序接口库等;(4)设备驱动层:如触摸屏驱动,接口驱动[4]等。如图5所示。GUI窗口可实现信号发生器、数字电位器的路数选择,实时调节信号的频率、相位、电压等相关参数,多路选通的通道开关和通道号选择,功率放大输入端和输出端波形的显示及调节,终端信号的波形数据采集和存储,AD转换器的开关。数据采集模块GUI对PDLC输出信号采集显示和存储,波形显示和图形显示均可直观看到波形、时间、电压、频率等参数的当前值和变化,如图6所示。

4结论AD9833数字频率合成器件代替了传统信号源的模拟设置,实现了产生高稳定度、高精度、高分辨力的信号。该系统集成了驱动电源、可控可调信号源、波形显示、数据采集等功能于一体,且体积小,控制和使用灵活方便,已成功用于驱动PDLC液晶材料,实现PDLC产生电控后波形的显示、调节和数据的采集。该驱动电源系统为研究PDLC材料的光电特性提供实验基础。PDLC液晶材料的高衍射效率和高分辨力使得它们在光通信领域如全光开关、光衰减器件等无源光通信器件、可调窗口、液晶显示、遥感及军事方面有广泛的应用前景[5]。参考文献:

[1]阎斌,王守廉,何杰,等.聚合物结构对PDLC性能的影响[J].液晶与显示,2007,22(2):129-133.

[2]郑继红,顾玲娟,庄松林,等.基于全息聚合物液晶光栅的动态增益均衡器的设计与模拟[J].中国激光,2006,33(8):1087-1091.

[3]黄斌,洪赢政,朱康生.基于AD9833的高精度可编程波形发生器系统设计[J].电子设计工程,2009,9(5):6-7.

[4]董志国,李式巨.嵌入式Linux设备驱动程序开发[J].计算机工程与设计,2006,27(20):3737-3740.

驱动电源设计范文第6篇

【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:

驱动电源设计范文第7篇

关键词:LED;XL6006 ;555定时器;PWM

目前,太阳能路灯应用日趋广泛,太阳能路灯采用蓄电池供电,供电电压一般在12.6V左右,采用大功率LED光源取代了传统的无极灯和钠灯,LED照明光源功率一般在10W到60W之间,需要的驱动电压与LED灯珠串联数相关,电压一般均在15V以上,需要的驱动电流与LED并联数相关,一款好的驱动电源能够有效的提高蓄电池的使用寿命,减小大功率LED光源的光衰,因此,设计一款蓄电池供电功率可调的LED驱动电源,具有很好的应用价值。

一.功率照明LED的特性

大功率照明LED利用PN结发光的原理,PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。当PN结处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关[1]。目前,路灯LED灯具均采用1W功率LED芯片,采用多串多并的方式构成不同功率的光源。1WLED光源的正向工作电压一般情况下为3.2V,正向工作电流IF一般为350mA。功率LED芯片是低电压、大电流驱动的器件,其发光强度由流过LED的电流大小决定。电流过大会引起LED光衰减,电流过小会影响LED的发光强度。因此,LED的驱动需要提供恒流电源,以保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。在LED照明领域,为体现出LED灯节能和长寿命的特点,正确选择LED驱动IC至关重要。没有好的驱动IC的匹配,LED照明的优势无法体现出来。

二.功率LED驱动电源的设计

(一)XL6006简介

XL6006是芯龙公司设计的一颗突破传统电路拓扑结构,结合HVBCD工艺,大电流,高压DC/DC升压恒流LED驱动IC,有如下特点:1.具有较宽的直流3.6V到32V输入电压范围(低压可以兼顾锂电供电)2. 最高升压可到60V,可驱动串联16颗1W LED;3. 最大开关电流5A,可驱动0~50W功率的LED;4. EN脚可实现PWM调光,且自带软启动功能;5.低至0.2V参考电压,可以有效提高系统效率 6.输出60V过压保护功能; 7.内置过热保护功能。其优势为:宽电压输入,大电流输出,电路简单。 XL6006应用简单,其普通DC/DC升压拓扑结构,效率高达95%,适用于基于LED的汽车、路灯、太阳能灯及LED背光驱动的应用。

(二)XL6006电路设计

XL6006是一个180KHz的固定频率PWM降压DC-DC转换器,5A开关电流能力,该电路应用简单,外部元器件比较少。鉴于LED领域的系统需求,内部除了常规的限流电路,过温度保护,开路保护外,还内置了专用LED的CC。CC是通过电阻RCS测量LED电流并实现电流模式控制,在正常工作情况,LED电流由0.22V的PWM控制器内部参考电压除以RCS电阻值所决定。即I=0.22V/RCS,因为RCS两端的电压降在正常工作条件下将一直保持在0.22V,OVP是芯片内部有开路保护,保护电压52V左右,芯片外部通过电阻R1和R2测量输出电压并实现电压模式控制,实现二次开路保护,一般OVP设置为比正常输出电压高20%。在芯片正常工作的时候,CC起作用;当CC这一路出现问题,OVP钳位输出电压,使LED不会承受较大功率而烧毁。PWM调光这一块也可以调节1脚EN来实现,EN的逻辑关系是一旦这一点电位高于1.4V,芯片输出正常。低于0.8V芯片不工作。由于芯片本身的频率只有180K,内置软启动电路电路,所以在一定占空比的条件下,PWM 调光的速率不应该太快,建议在100KHZ-300KHZ;也可以通过FB来实现对芯片的PWM调光控制,高电平高于1V,芯片关断,低于0.3V,芯片开启[2]。XL6006电路如图1所示。

XL6006电路采用了4位拨码开关,分别连接了4个高精度低阻值电阻,4个电阻的阻值分别为0.15欧、0.18欧、0.24欧、0.36欧;根据官方公司提供的公式I=0.22V/RCS可知,4路的电流分别为1466mA﹑1222mA、917mA、611mA, 可以分别支持5并﹑4并、3并、2并LED光源。L1为大电流磁环电感,用于升压;SS36为4A肖基特二极管,D10为56V稳压管,R19电阻用于空载时对XL6006芯片进行保护;BV+ BV-为蓄电池接入正负极,LV+ LV-为LED光源的正负极。D11是PWM信号的接入单向二极管,防止信号反串。

(三)功率调节电路设计

PWM是脉宽调制的缩写,实际上是脉冲波形,其最重要的一个技术指标是占空比。占空比是指脉冲波形中,高电平时间在周期里所占的比例。如果用PWM波作为驱动信号,可以控制送到负载上的“等效电流”值,通过调节PWM波的占空比,调节负载上的等效电流,又因为LED光源的光的强度与通过的电流有关,所以调节调节PWM波的占空比,即可调光。

因此调光电路的设计就是要设计产生占空比可调的PWM信号的电路,利用555定时器可以容易的产生PWM信号。占空比可调PWM信号发生器电路如图2所示。

如图2所示,555定时器与R1、R2、W1、D1、D2和C1组成了无稳态多谐振荡器,D1和D2分别为充电放电的导引管[3]。

以上公式不管W1如何调节,脉冲周期是不变的,占空比是变化的。

三.结束语

本设计的太阳能路灯LED驱动电源性能稳定,可支持多并多串LED光源,LED光源功率范围在6W-48W之间;并采用555定时器产生PWM信号实现了功率可调,经测试系统转换效率高达90%以上,具有功耗低、性能稳定等特点。目前已经进入大批量生产,并取得了较好的使用效果。此解决方案对从事太阳能相关产品的研发具有一定的参考价值。

参考文献:

[1]周志敏.周纪海.纪爱华 LED驱动电路设计与应用[M].人民邮电出版社. 2008.1

[2]陈永甫. 555集成电路应用800例[M].电子工业出版社. 1992.2

驱动电源设计范文第8篇

【关键词】LED路灯 恒流驱动电源 可靠性容差设计 正交试验 均匀试验

电子电路内的很多元器件的参数值在分散化加工、外界因素与老化反应的制约性常常会出现与标准值偏离的现象,而电子线路可靠性容差设计能够对上述现象起到缓解作用。本文在整合前人研究成果的基础上,应用了正交试验与均匀试验这两种数学手段,旨在实现优化以EDA为基准的可靠性容差设计方法,确保LED控制电路输出功率的实效性。

1 可靠性容差设计方式方法

1.1 正交试验的灵敏度分析

电路灵敏度实质上就是电子电路每个电路元器件参数对其输出特性的敏感程度。通常应用相对灵敏度去判别因素对目标特性造成的干扰程度,其可以用电路输出特性的相对变化量和元器件参档南喽员浠量之间的比值得出来。设f=f(x1,x2,x3…xn),其中f―电路的输出特性,xi―电路的输入特性。如果x10,x20…xn0为n个元器件参数的中心值,可以推导出Sfxi(相对灵敏度)的数学表达式如下:

在电路系统内部元器件类型多样化的情况下,电源灵敏度分析工作也将是繁重的,所以实验设计方式的辅助是优化试验质量的有效对策。正交试验为多因素试验的一种类型,其在整体试验中挑选出关键点开展试验,这些关键点带有匀称性与整齐性特征,具有较高的应用价值。在对LED路灯恒流驱动电源可靠性容差开展正交试验过程中,通常应用极差分析法达到对其灵敏度分析这一目标。

1.2 均匀试验的容差分析

在对LED路灯恒流驱动电源可靠性容差分析过程中,蒙特―卡罗分析方法具有较高的应用率。其应用原理可以概述为,当电路元部件参数与某种分布形态相匹配之时,借助组成电路系统的一些参数抽样值去实现分析电路性能参数偏差。该统计分析方法所取得的结果和真实值最为贴近,但是需要进行多次试验。

2 基于EDA仿真技术的LED路灯恒流驱动电源可靠性容差设计模式

在EDA仿真技术的协助下,LED路灯恒流驱动电源可靠性容差设计方法的程序图可以用图1表示出来。

对上述程序图进行解析,可以将LED电子线路可靠性容差设计方法分解为以下两个过程:过程Ⅰ为程序图中的1~3,其宗旨是明确电路性质与可靠度标准,并借助EAD软件开展仿真工作;过程Ⅱ为程序图中的4~8,在电子线路EAD模型、蒙特-卡罗分析、正交试验、均匀试验等数学方式方法的协助下,对LED路灯恒流驱动电源的容差进行科学的分析与配置,最后获得确切的容差设计结果。在没有满足标准的容差配置方案的情况下,需要进行9对LED电路参数进行重新设计与规划。

3 探究LED路灯恒流驱动电源技术标准

众所周知,LED路灯工作电压值处于较低的层次上,多数为(3.4士0.2)V,单颗LED芯片功率工作电流在0.20-1.40之间波动,并且为单向传导模式。为了确保LED路灯功率的正常输出,需要借助驱动电源把220V市电转变为LED正常工作的特定电压与电流。面对市面上多种LED路灯驱动电源,在对其选择之时应该对以下几点进行考虑:

3.1 输出恒流性优良

参照LED的电学属性,其安装的驱动电源务必要确保流经LED电路的电流始终维持恒流状态,也就是对LED纹波电流施以管控手段,使其电流值始终小于平均电流的20%。

3.2 LED驱动电源的功率因数(PF)应该处于较高的档次上

现阶段市面上销售的驱动电源都备有功率因数指标标准,所以可以借助功率因数校正(PFC)技术去实现提高驱动电源功率因数这一目标。

3.3 LED驱动电源应该体现出高效性

LED驱动电源效率在有所保障之时,不仅仅可以强化LED路灯发光明亮度,实现节能降耗这一目标达到节能的目的,同时借助降低能耗量的途径,达到降低LED表面温度的目标,这样LED路灯的使用年限就会延长。

3.4 驱动电源应该具备抑制电磁干扰(EMD)的功能

上述目标的实现,可以采取将EMI滤波器安装进LED驱动电源输入端口的形式,过滤剔除掉电网的干扰,同时预防驱动电源干扰电网。

4 结束语

现阶段,LED路灯驱动电源面对的最大问题就是使用年限过短,而导致这一问题衍生出来出的主要原因在于LED路灯驱动电源需配置电解电容。应用多样化数学手段可以实现优化ED路灯恒流驱动电源可靠性容差设计方案的目标,从而为LED路灯恒流驱动电源的可靠性指标的确立及模型的完善奠定基础,使LED路灯的智能调光优势彰显出来,为无线调光技术的发展铺路垫石。

参考文献

[1]马昌松,吴朝晖.基于电流型并联谐振多通道LED驱动电源设计[J].电力电子技术,2015(05):52-55.

驱动电源设计范文第9篇

关键词: 太阳能路灯; LED; 恒流驱动电源; 开关电源; XL6006

中图分类号: TN86?34; TK513 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)06?0168?03

Abstract: Aiming at the application of the high?power constant current driving technology in solar LED street light, a design method of the high?power LED constant driving power supply is introduced. The working principle of Boost switching power supply and element parameter calculation method of its driving power supply are given. The efficiency of the designed power supply was tested. Its conversion efficiency is 92% while the step?up ratio is 1.4. The test results show that the constant current driving power supply of the LED street lamp has high conversion efficiency and a certain practical value.

Keywords: solar street lamp; LED; constant current driving power supply; switching power supply; XL6006

0 引 言

太能是人们公认的清洁能量[1]。随着太阳能光伏发电技术发展和大功率LED生产工艺水平的提高,光伏太阳能LED路灯[2]作为一种高效、环保、节能、绿色照明[3],在照明领域中得到推广与应用[4]。LED是一种半导体发光器件,其寿命极易受到温度影响[5]。为了延长太阳能LED路灯的使用寿命,要采用恒流驱动电源[6]来驱动太阳能LED灯。

针对大功率的恒流驱动技术在太阳能LED路灯中应用,本文介绍了大功率LED恒流驱动电源设计方法与技术。本LED路灯恒流驱动电源具有转换效率高,成本低廉等特点。

1 Boost开关电源工作原理

太阳能路灯采用的大功率LED灯,一般是由小功率的LED灯串联而成;因此,在太阳能LED路灯照明系统中,需要一个升压式开关电源(DC/DC变换电路[5])来驱动大功率LED照明灯。升压式开关电源的原理图[5]如图1所示,其中:L为功率电感;A1和A2构成PWM调制电路;D为续流二极管;C为滤波电容;RL为电源的负载。图2(a)为当T闭合时的等效电路,图2(b)为当T 断开时等效电路。在图2中,当电路工作在稳态时,电感器上的电流的变化量相等, 根据电路知识可得到如下等式:

[UiTON=(Uo-Ui)TOFF] (1)

式中:TON为开关闭合时间;TOFF为开关断开时间,令D1=[TONTS],D2=[TOFFTS];TS为开关周期,利用D1+D2=1关系式,可得到输出电压与输入电压的关系:

[UoUi=11-D1=1D2] (2)

分析可知电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为:

[ΔiL1=1LfsUiD1] (3)

式中,电感器的纹波电流大小与输入电压Ui和占空比D1成正比,与电感量L和开关频率fs成反比,它是选定电感量的重要的理论依据。

当转换器工作在稳态时,得电感上的平均输入电流如下:

[ILA=Io(1-D1)] (4)

式中:ILA电感上的平均输入电流;Io为平均输出电流。

2 太阳能LED路灯恒流驱动电源设计

2.1 电路原理图

图3为LED路灯用的恒流驱动开关电源的电路图。由图3可知,本设计主要由XL6006芯片、微控制器、储电池和一些元件构成。XL6006是一块高效升压型开关型恒流驱动芯片,其内部集成了功率开关管,具有电源转换率高和元件少等优点,是理想的LED恒流驱动芯片。L为大功率储能电感器,D1为开关电源的续流二极管,当XL6006内部的功率开关管闭合时,XL6006第3引脚接地,二极管D1反偏截止,电感器中的电流线性增大,电感器储能;当XL6006内部的功率开关管断开时,XL6006第3引脚悬空,二极管D1正偏导通,电感器中的电流流向负载LED。ST15W401为一片单片机,内部集成了A/D转换器和PWM控制器,R1和R2为分压电路,储电池的电压通过分压电路分压之后,输到单片机的第1脚。RS为电流取样电阻, D3和RF为开关电源的功率控制路,控制太阳能路灯恒流驱动电源输出功率。

2.2 电路参数的计算

在计算PWM占空比D1时,按输入电压为12.5 V,输出电压为24 V计算,所以根据式(2)可以计算此驱动电源的占空比D1为:

[D1=Uo-UiUo=24-12.524≈0.479] (5)

在计算电感器的平均电流ILA时,按输出的电流为1 A计算,根据式(4)可计算出电感器的平均电流(单位为A):

[ILA=Io1-D1=11-0.479≈1.9] (6)

在设计电路时,为了让变转换器工作在CCM模式下,电感器的电流的变化量不大于电感器平均电流的50%,在此设计中,电感器最大电流变化量按40%计算(单位为A):

[ΔIL=ILA×0.4=1.9×0.4≈0.77] (7)

因此,可计算出电感器的峰值电流(单位为A):

[Ipeak=ILA+ΔIL=1.9+0.77=2.67] (8)

因为 XL6006的开关频率fs为180 kHz,根据式(3)可以计算出转换器的电感值(单位为μH):

[L=1ΔiL1fsUiD1=12.5×0.4790.77×180×103≈43.2] (9)

根据以上的电感的计算结果,本设计选用47 μH, 5 A的电感器。

3 设计实例样机的试制及性能指标的测试

为了验证设计的正确性,根据以上的电路图和计算出来的元件参数值试制一台样机,并对样机进行测试。在测试时,选用台湾晶元大功率LED灯珠进行实验,把6颗5 W的LED灯珠串联成30 W的大功率LED灯,并把这些LED灯贴在一个大散热器上进行实验。调节输入电压值,用万用表测量不同输入电压下的输入功率与输出功率,计算转换效率,并用表格记录下每次测量结果,如表1所示。

由表1可以看出,当输入电压在11 V左右时,恒流驱动电源的转换效率在87%左右;当输入电压在12 V左右时,恒流驱动电源的转换效率在89%左右;当输入电压在13 V左右时,恒流驱动电源的转换效率在90%左右;当输入电压在14 V左右时,恒流驱动电源的转换效率在91%左右。由此可见,本恒流转换器具有较高的转换效率。为了进一步地了解Boost 升压型开关电源的升压比与转换效率的关系,用数值计算方法拟合升压比和效率数据,拟合曲线如图2所示。从图2可以看出,升压比和效率成反比关系。从图可以看出,当升压比为1.4时,其转换效率约为92%,当升压比为1.5时,其转换效率约为91%,当升压比为2时,其转换效率约为87%,通过计算,由此可见,在设计Boost恒流驱动电源时,为了得到较高的转换效率,升压比控制在2倍以内。

4 结 论

太阳能LED恒流驱动电源,是光伏太阳能LED路灯照明系统的关键部件,其设计质量,直接影响LED路灯的使用寿命。针对Boost恒流驱动技术在太阳能LED路灯中应用,本文介绍太阳能LED路灯恒流驱动开关电源设计方法,并通过实例参数试制一台实验样机,用数值计算方法拟合了样机升压比和效率数据,当升压比为1.4时,其转换效率约为92%,当升压比为1.5时,其转换效率约为91%,当升压比为2时,其转换效率约为87%。测试表明,该恒流驱动的设计方法可行,能为设计大功率LED太阳能路灯恒流驱动电源提供一个参考。

参考文献

[1] 杨秀增,杨仁桓.基于斜率法的太阳能电池串联电阻测量方法[J].实验技术与管理,2016,33(2):42?44.

[2] 曹卫锋,段现星,胡智宏.大功率太阳能LED路灯控制系统设计[J].电源技术,2013,37(9):1608?1610.

[3] 刘桂涛,白敬中.太阳能LED路灯在道路照明中的应用[J].孝感学院学报,2009,29(6):74?76.

[4] 肖海明,陈立,章小印.智能式LED太阳能路灯控制器的设计[J].现代电子技术,2015,38(1):153?156.

[5] 李文昌,向本才,于敦山.新型LED照明恒流驱动电路[J].微电子学,2014,44(4):499?502.

驱动电源设计范文第10篇

关键词:半导体激光器;驱动电路;慢启动

中图分类号:TM1 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2012)04-0045-010引言

随着半导体在通信、测控、医疗、集成光学等技术领域的广泛应用,它越来越受到人们的关注,为其设计一款精度较高、性能可靠、经济、耐用的驱动电源成了我们当前最为紧要的问题,由于半导体激光器“娇贵”的特点,所使用的电源必须要在性能与质量上严格把关。

1半导体激光器转移特性

在一定温度下,当驱动电流低于阈值电流时,激光器输出光功率P近似为零,半导体激光器只能发荧光。驱动电流高于阈值时输出激光,并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并呈线性关系。在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求,一是较低的门限电流,二是稳定的P-I曲线。从原理上来讲,在工作物质一定的情况下,半导体激光器输出的激光频率应当由谐振腔长度和激励源的强度有关,换句话说,半导体激光器的输出频率取决于:PN结的温度和注入电流的大小。另外,由于半导体PN结相当脆弱,稍有电流冲击就会造成损害。所以在具体使用半导体激光器时,我们对其供电电路和调制电路的要求相当严格。

我们用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级,而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。对一般的半导体激光器来说,激光二极管是正向结法,光电二极管是反向结法。受光后转换的光电流在电阻上以电压形式反映出射光功率的大小,添加控制电路就可以达到控制发光功率的目的。

2电路设计

试验中所用激光二极管型号为HT670T5,该管波长为650nm,额定功率为30mW。

2.1 电流源电路线性电源具有精度高、稳定度高但是效率较低的特点,但考虑到半导体激光器对电源精度的苛刻要求,而且我们设计的电源是一种小功率电源,效率低的缺点就显得不是特别重要,所以我们设计方案选择线性电源。

为了实现精度和稳定度的要求,实现抑制纹波和降低噪声的要求。设计了两级调整模块,前一级使用稳压芯片,通过扩流,输送到后一级调整模块。

市电通过电网滤波器进入变压器,降至21V(峰值),经过整流滤波(具体电路省略)后通过由稳压集成块与扩流电路组成的一级调整电路;之后,通过后级的串联—取样—反馈—调整,最后输出。

在具体恒流源电路设计中,负载不是加在它的输出端,而是加在调压器LM317T的输入端。对于实际负载来说,调压器LM317T的输入起恒流源作用。因为调压器输出端接的是虚假负载R1,所以不论实际负载两端电压的真实值是多少,它都消耗一个恒定不变的电流。调压器和虚假负载R1上的电压使电路总允许电压下降。负载电流由R1设定,其值等于1.25A/Ω×R1。

2.2 纹波调零电路为了减小稳流电源的纹波电压,需要为电路增设纹波调零电路,在正常工作中,调节纹波调零电位器可使输出纹波电压非常小。纹波成分通过电容耦合至运放的反相输入端,在具体的纹波调零电路中,它经放大后加至调整管的基极。因此,可达到上述的效果。

2.3 保护电路实际应用中,激光器很容易受到同电路其它电器干扰产生的浪涌电流的伤害,为保护激光器不受到浪涌电流的冲击,我们可以在电路中加入慢启动电路。此外,为更好的保护激光器,我们可选用2SA1015和2SC1815等类型的吸流管,在电压源的制作过程中基本可保护激光器的安全运行。加上电压源中电网滤波器的作用,将电路制作成简单的限流型保护电路。

3实验结果

本文所设计的驱动电源,通过慢启动、纹波调零等电路,在实验室中的应用效果良好,较好的解决了半导体二极管在使用中输出功率不稳定的问题,测量结果如下:

考虑示波器的带宽限制,修正为:

电流源:

电流纹波及噪声:?燮0.1uA

电压源:

纹波:?燮0.01mV

电流纹波及噪声:?燮0.5uA

调整范围:0-500mA

参考文献:

[1]汪礼兵.半导体激光器驱动电源的设计.华侨大学学报(自然科学版),1992,7;322-327

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