基于非接觸供電的LED車燈電路設(shè)計(jì)

周成虎，甕嘉民，李娜，陳冰洋，張昆

(河南工程學(xué)院，河南 鄭州 450005)

0 引言

在汽車開發(fā)的階段，常有研發(fā)單位在引擎蓋、后備箱蓋等活動(dòng)部位配置車燈的構(gòu)想。在這些部位裝車燈，其電線易于折斷，為了避免這種故障，只好將它們就近裝在車體上。受某客車公司委托，筆者給出了一種非接觸供電的LED車燈電路。這個(gè)電路由非接觸供電原邊電路、副邊電路、無線信號(hào)反饋電路、控制與驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。電路的電源為蓄電池24 V，負(fù)載為10 V/20 W(或20 W以下)LED車燈。電路框圖如圖1所示。

圖1 LED車燈電路原理圖

無線反饋電路的發(fā)射電路和接收電路均由含有單片機(jī)的無線模塊nRF24E1和外圍電路構(gòu)成。根據(jù)程序設(shè)置，將無線模塊設(shè)置為接收狀態(tài)或發(fā)射狀態(tài)。非接觸供電原邊電路和無線接收電路安裝在汽車本體上，非接觸供電副邊電路和發(fā)射電路安裝在活動(dòng)部位。

反饋電路先將LED車燈兩端的電壓、電流取樣，用無線發(fā)射模塊自帶的A/D端口將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并發(fā)射到無線接收模塊;無線接收模塊將收到的數(shù)字信號(hào)后，通過D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化模擬信號(hào)，將這個(gè)電壓信號(hào)加到SG3525的反饋輸入端，SG3525自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出控制脈沖的占空比，達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電壓的目的。

1 非接觸車燈供電電路原理

圖2所示的非接觸供電電路中，原邊電路由L1、互感L21、L22和功率管 VT1、VT2構(gòu)成推挽變換器電路[1，2]，由 PWM 控制芯片SG3525產(chǎn)生控制脈沖驅(qū)動(dòng)功率管VT1、VT2，頻率設(shè)定為50 kHz。

圖2 非接觸供電電路圖

L31、L32是非接觸耦合變換器的原邊和副邊載流線圈，采用銅芯線圈繞制(無鐵芯)。原邊載流線圈L31固定在車身;副邊感應(yīng)線圈固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)部位。原、副邊之間依靠磁場(chǎng)傳遞能量。

圖3 非接觸副邊等效電路圖

根據(jù)圖3中的等效結(jié)果，當(dāng)副邊載流線圈L32和補(bǔ)償電容C4處于諧振狀態(tài)時(shí)。從前面的分析中可以看出，副邊電路中負(fù)載電流與負(fù)載電壓之間的相位角度值的大小，直接決定整個(gè)電路的功率傳輸能力，當(dāng)相位角為0°時(shí)，流過車燈負(fù)載上的電流為最大值，也就是車燈可以獲得的最大功率點(diǎn)[3]。

根據(jù)推導(dǎo)得到諧振頻率為:

為了使電路處于諧振狀態(tài)，首先選取 L32=112 μH，則 C4=0.568 μF。在這個(gè)電路中，由于負(fù)載是電阻，改變LED燈具的功率并不影響負(fù)載電流與負(fù)載電壓之間的相位角和電路的諧振頻率，這使得電路的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2 無線反饋穩(wěn)壓電路

2.1 無線發(fā)射電路

無線信號(hào)發(fā)射電路如圖4(a)所示。該電路由無線傳輸模塊nRF24E1、25LC320及檢測(cè)電路組成。其輔助電源取自非接觸供電副邊電路，用以檢測(cè)副邊電路的輸出電壓和電流。當(dāng)車燈電路工作時(shí)，由圖 4(a)中 R1、R2(R1=100 k、R2=10 k)構(gòu)成電阻分壓電路，其中R2上的電壓信號(hào)與負(fù)載電壓成正比，當(dāng)車燈兩端電壓為10 V時(shí)，R2的電阻分壓設(shè)定為1 V。將檢測(cè)到的模擬電壓信號(hào)、電流信號(hào)由無線模塊AI0和AI7模數(shù)轉(zhuǎn)換端口自動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給接收電路[3]。無線模塊A/D轉(zhuǎn)換端口的信號(hào)允許范圍為0～2.56 V。其通訊頻率為2.4 GHz，晶振頻率為16 M。無線發(fā)射程序流程圖如圖4(b)所示。

無線模塊nRF24E1同時(shí)具有發(fā)射和接收功能，它的配置字一共144位，要使其處于發(fā)射狀態(tài)先要對(duì)其配置字作以下設(shè)置:

const RFConfig tconf={15，0x38，0x38，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0xaa，0xbb，0x12，0x34，0x83，0x6c，0x04};

圖4 無線信號(hào)發(fā)射電路原理圖

2.2 無線信號(hào)接收及反饋觸發(fā)電路

圖5 (a)為無線信號(hào)接收及反饋觸發(fā)電路。

圖5 無線接收及反饋觸發(fā)電路

當(dāng)無線模塊收到數(shù)字信號(hào)后，通過串行D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615，將數(shù)字信號(hào)以串行通訊方式讀入，并將其轉(zhuǎn)化成幅值為1 V左右的模擬信號(hào)由TLC5615的引腳7輸出。這個(gè)模擬量與負(fù)載電壓成正比，將這個(gè)模擬電壓信號(hào)送到SG3525的1腳(誤差放大器的反相輸入端)，將誤差放大器的同相輸入端。通過改變SG3525的輸出脈沖的占空比，控制原邊主電路開關(guān)管 VT1、VT2，改變開關(guān)管的占空比。從而調(diào)節(jié)傳遞到副邊電路的功率，起到穩(wěn)壓的目的。無線信號(hào)接收模塊的程序流程圖如圖5(b)所示。

SG3525的引腳1是運(yùn)算放大器的反向輸入端。該引腳接反饋信號(hào)(由TLC5615輸出后引到該端子)。SG3525的引腳2為運(yùn)算放大器的同向輸入端。將16引腳標(biāo)準(zhǔn)5.1 V信號(hào)分壓后接到該端，該端子參考電壓設(shè)定為 1 V。SG3525的引腳5為振蕩器定時(shí)電容接入端。引腳5端、引腳6端、引腳7端合起來可以根據(jù)公式計(jì)算出頻率。SG3525的振蕩頻率可表示為:

式中:CT，RT分別是與腳5、腳6相連的電容和電阻;Rd是與腳7相連的電阻。當(dāng) CT設(shè)定為3.3 nF時(shí)，RT設(shè)定為 8.23 kΩ，Rd設(shè)定為100 Ω。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)供電電路的輸入電壓UDC=24 V±10%(車載蓄電池電壓波動(dòng))，UO=10 V，負(fù)載為20 W的非接觸LED車燈，波形如圖6所示。當(dāng)輸入電壓在24 V±10%波動(dòng)條件下，輸出電壓基本保持穩(wěn)定。電路效率η=64%，工作頻率fs=50 kHz。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)過程中，電路對(duì)原、副邊線圈的電感 L31、L32、補(bǔ)償電容C1、C4較為敏感。經(jīng)過公式推導(dǎo)和仿真，逐個(gè)確定這4個(gè)值。如果將來大批量生產(chǎn)產(chǎn)品，應(yīng)選擇高精度的元件。由于電路的工作溫度上限大于80℃，除無線模塊外，其它芯片均采用雙列直插式封裝，輔助電源穩(wěn)壓芯片均采用開關(guān)電源芯片LT1170。

[1]Hu A P，Boys J T，Covic G A.Frequency analysis and computation of a current-fed resonant converter for CPT power supplies[J].IEEE，2000，8(00):7803－6338.

[2]Hu A P，Hussmann S.Improved Power Flow Control for Contact-less Moving Sensor Applications[J].IEEE Power Electronics Letters，Decembers2004.2004，12(4):135 － 138.

[3]Covic G A，Elliott G，Stielau O H，et al.The design of contact－ less energy transfer system for a people mover system[C]//Proceeding of international conference on power system technology.Perth，Australia，2000:79－84.