閃光燈電源的研究與實(shí)施

吳年祥

（1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安 237001；2.中國地質(zhì)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074）

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，家用電子產(chǎn)品的不斷升級(jí)，相對(duì)以前手機(jī)充電器等直流穩(wěn)壓電源供電，現(xiàn)在全部升級(jí)成開關(guān)電源，體積小很多，方便攜帶。尤其在家用的燈具上面發(fā)展更是迅速〔1〕，現(xiàn)在很多家庭新房裝修所采用的燈炮全部是高亮LED，而給高亮LED供電現(xiàn)在普遍采用工頻交流變直流的開關(guān)電源形式，但在還沒有通上工頻用電的偏遠(yuǎn)山區(qū)就無法施展起來。因此研究出一個(gè)可以方便攜帶且將低直流的電池能源轉(zhuǎn)換成恒流源驅(qū)動(dòng)的高亮LED電源迫在眉睫。作為非線性器件的LED，微小的正向電壓的變化會(huì)引起很大的正向電流變化，電流過強(qiáng)或過弱會(huì)引起超高亮LED光衰減與發(fā)光強(qiáng)度增加，所以LED需要恒流驅(qū)動(dòng)〔2〕。通過輸出端采樣端電阻反饋到輸入端，調(diào)節(jié)PWM調(diào)整輸出電壓，其效率高，功率大。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由微控制器、升壓降壓電路、場效應(yīng)管輸出開關(guān)控制電路、電流采樣電路、電流信號(hào)的放大電路、恒流源控制電路，過載報(bào)警電路等組成，見圖1。

圖1 LED閃光燈電源總體框圖

首先利用TC6291集成組成的電流型斬波電路將3V直流輸入電壓升高至LM358組成的輸出限壓控制電路輸出穩(wěn)定的恒壓源給單片機(jī)供電〔3〕，同時(shí)通過場效應(yīng)管輸出開關(guān)控制電路穩(wěn)定輸出電流。采用采樣電路電阻反饋輸出電流，經(jīng)過LM358構(gòu)成的同相比例電流信號(hào)的放大、單片機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)控制恒流源電路有效的恒定輸出電流。

2 電路方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)控制器的選擇 考慮到閃光燈電源的體積方便攜帶、輕巧、精度以及3V直流輸入情況下，就選擇了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的SC91F721系列的SOP單片機(jī)，相比于51系列單片機(jī)，它具有成本便宜，單時(shí)鐘、機(jī)器周期（1T）、集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（300 K/S）、2路Duty的PWM，速度快傳統(tǒng)518到12倍，且內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、高速率、低功耗、小體積、高精確、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，更適合在強(qiáng)干擾的場合〔4〕。

2.2 電源電流控制的選擇 利用線性電源大功率三極管和運(yùn)算放大器對(duì)電流進(jìn)行控制，這種方法產(chǎn)生的電壓比較準(zhǔn)確，紋波小，易控制，精度高，但是產(chǎn)生恒流效率低，達(dá)不到80%，不太適合于非線性器件所以選擇了CMOS管制作DC/DC電路，用PWM控制開關(guān)管使其開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，效率很高，電壓紋波大對(duì)濾波電路要求高。

2.3 升壓電路設(shè)計(jì) 升降壓電路以升壓芯片TC6291為核心的SEPIC電路，即是一種允許輸出電壓大于等于輸入電壓的DC-DC變換器。輸出電壓由主控開關(guān)MOS管的占空比控制且與輸入同極性，有利于電池供電低電壓的LED閃光燈電源場合。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)通過主回路的電容、電感使輸入輸出的隔離，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)輸出電壓為零伏關(guān)斷輸出〔5〕，見圖2。

圖2 升壓電路

當(dāng)中采用的TC6291是一款電流模式升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，其脈寬調(diào)制電路中內(nèi)置0.2 Ω功率場效應(yīng)管使這個(gè)調(diào)節(jié)器具有高功率效率，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也減少了多達(dá)6個(gè)的外部元件，誤差信號(hào)放大器的同相輸入端連接到0.6 V精密基準(zhǔn)電壓，內(nèi)部軟啟動(dòng)功能可以減小瞬間突增電流〔6〕，L1、L2、C15用于升壓降壓。

2.4 限壓電路的設(shè)計(jì) 輸出限壓控制電路的設(shè)計(jì)見圖3所示。升壓芯片TC6291的常用升壓芯片內(nèi)置有開關(guān)管，3腳FB是誤差信號(hào)反相輸出電壓反饋端，正常情況下直接連接輸出即可，4腳EN是使能輸入端，“H”電平升壓芯片工作，“L”電平時(shí)不工作。電路經(jīng)過設(shè)計(jì)變?yōu)楹懔髟聪迚悍绞?，運(yùn)放LM358組成電壓比較電路，負(fù)端輸入基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓通過RP1來調(diào)節(jié)，輸出電壓的采樣分壓值接入運(yùn)放正端。

當(dāng)正端電壓（輸出電壓的分壓值）超過負(fù)端電壓，U2運(yùn)放輸出高電平至升壓芯片F(xiàn)B引腳，拉升壓芯片降低工作點(diǎn)空比，輸出電壓便下降了〔7〕。當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，F(xiàn)B引腳電壓便由恒流控制電路控制，進(jìn)入恒流狀態(tài)。

圖3 輸出限壓控制電路

2.5 恒流源電路設(shè)計(jì) 見圖4所示，在恒流源電路設(shè)當(dāng)中0.5 Ω的采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。當(dāng)電流為100mA時(shí)，采樣電阻上的電壓為50mV，經(jīng)過U2B第一級(jí)LM358放大后的電壓信號(hào)為200 mV，

即放大4倍［AU2B=（1+Rf/R1）＝4］，200 mV電壓信號(hào)送入U(xiǎn)2A下一級(jí)電壓比較器的正端〔8〕，負(fù)端則由單片機(jī)輸出PWM控制信號(hào)，PWM經(jīng)過R27，C7濾波后得到穩(wěn)定的電壓與放大后的電流信號(hào)進(jìn)行比較。

圖4 恒流源電路

當(dāng)電流信號(hào)電壓值超過負(fù)端的設(shè)定電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平到升壓芯片F(xiàn)B端口，使升壓芯片輸出電壓降低，從而降低輸出電流。當(dāng)輸出電流信號(hào)的采樣電壓值小于反相端設(shè)定閥值時(shí)，通過控制升壓芯片F(xiàn)B端口提高輸出電壓使電流達(dá)到設(shè)定值。

2.6 輸出穩(wěn)壓設(shè)計(jì) 當(dāng)單片機(jī)控制脈沖輸出時(shí)，由于輸出端有濾波電容存在，不可能做到馬上關(guān)斷輸出電流，這時(shí)就需要使用輸出開關(guān)進(jìn)行控制。濾波措施存在從根本上也消除了諧波源注入系統(tǒng)的諧波電流，從而避免了諧振的可能〔9〕。輸出開關(guān)使用導(dǎo)通電阻極小、驅(qū)動(dòng)電壓低的N型MOS管SI4800BDY〔10〕。當(dāng)關(guān)斷輸出電流時(shí)，為防止升壓電路過電壓、輸出開關(guān)導(dǎo)通瞬間電流過大，通過單片機(jī)控制芯片EN引腳低電平，使升壓芯片停止工作。

2.7 軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖見圖5。

圖5 主程序流程圖

3 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 測試方法

（1）硬件電路的測試，采用局部電路調(diào)試與實(shí)驗(yàn)的方法；完成升壓降壓電路、輸出限壓控制電路、單片機(jī)的電源線路、場效應(yīng)管輸出開關(guān)控制電路、電流的采樣、電流信號(hào)的放大、恒流控制電路，過載報(bào)警電路的測量與調(diào)試。并且用蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，按鍵裝置用來控制檔位的變化。

（2）軟件程序的編寫與調(diào)試并下載到單片機(jī)中〔11〕；

（3）硬件軟件的聯(lián)調(diào)。

3.2 測試過程與結(jié)果

（1）將直流穩(wěn)壓電源調(diào)到3.0 V，給設(shè)計(jì)的電路板通電，在沒有接負(fù)載或負(fù)載電阻過大時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，測試輸出電壓U0為10.43 V。

（2）當(dāng)負(fù)載電阻為41 Ω，100 W時(shí)，使用按鍵開關(guān)S1、S2、S3選擇100 mA（A1檔），150 mA（A2檔），200 mA（A3檔）的電流檔位。觀察其輸出電流表、輸出電壓表數(shù)值，并記錄其結(jié)果。結(jié)果顯示，在連續(xù)模式輸出時(shí)最高輸出電壓大于10 V，最低輸出電壓為0 V，相對(duì)誤差［（Io-Ii）/Ii］×100%小于2%，測量結(jié)果，見表1。

表1 相對(duì)誤差測試結(jié)果

（3）當(dāng)輸入電壓為3.6V時(shí)，測得輸入電流640mA，輸出電流200 mA，輸出電壓10.58 V時(shí)，效率為η=（10.58×0.2）/（3.6×0.64）=91.8%。

（4）當(dāng)負(fù)載電阻8 W，3 Ω進(jìn)，使用按鍵開關(guān)選擇電流峰值300、450、600 mA，脈沖周期為10、30、100 ms的脈沖周期，使用示波器觀察并記錄其波形的占空比為1/3、相對(duì)誤差小于2%、上升時(shí)間為10.5 ns、下降時(shí)間為11 ns，電流過沖小于8%，見圖6。

（5）輸出脈沖個(gè)數(shù)可設(shè)定為1到5個(gè)和連續(xù)的脈沖串，每按一次啟動(dòng)鍵輸出一次脈沖串。

4 總結(jié)

通過團(tuán)隊(duì)4天3夜的努力，經(jīng)過總體思路規(guī)劃、方案選擇、模塊設(shè)計(jì)、程序編寫等設(shè)計(jì)步驟順利的完成閃光燈電源的設(shè)計(jì)。經(jīng)電路測試，能夠在連續(xù)輸出模式下輸出電流100、150、200 mA三檔的選擇，輸出電壓在0至10.45 V。當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，輸出電壓10.45 V時(shí)報(bào)警。在脈動(dòng)輸出時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出占空比為1/3，輸出脈沖的個(gè)數(shù)在1到5個(gè)和連續(xù)的脈沖串，輸出電流峰值300、450、600 mA三檔時(shí)誤差小于2%，且上升和下降時(shí)間都在ns級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案性能指標(biāo)均符合要求，誤差較小，能夠驅(qū)動(dòng)高亮LED閃光燈。

〔1〕陳媛媛.節(jié)能減排下的家用太陽能燈具設(shè)計(jì)〔J〕.工業(yè)設(shè)計(jì)，2011，64（11）：82-84.

〔2〕湯守至，肖輝，郭鳳群.基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的LED驅(qū)動(dòng)電源研究〔J〕.照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（11）：94-98.

〔3〕裴學(xué)武.便攜式太陽能逆變轉(zhuǎn)換控制器的研制〔D〕.青島：青島科技大學(xué)，2012.

〔4〕楊燕，江國棟.基于485總線的LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)〔J〕.電源技術(shù)，2011，35（11）：1421-1422.

〔5〕李偉.基于單周控制的三相VIENNA PFC電路研究與設(shè)計(jì)〔D〕.西安：西安科技大學(xué)，2012.

〔6〕趙麗君.用于固態(tài)高頻電源調(diào)功的DC-DC變換器的設(shè)計(jì)〔D〕.保定：河北大學(xué)，2013.

〔7〕張彥科，鮑嘉明.一種基于升壓DC-DC變換器的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片〔J〕.微電子學(xué)，2011，41（4）：525-527.

〔8〕劉遵昭.基于脈搏波測量的動(dòng)脈硬化檢測系統(tǒng)的研究〔D〕.西安：西安科技大學(xué)，2011.

〔9〕張令通.電力諧波和負(fù)序監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)〔J〕.大理學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10（4）：35-37.

〔10〕劉樹林，鐘久明，劉健，等.基于UC3842的開關(guān)電源輸入過壓保護(hù)電路研究〔J〕.鑄造技術(shù)，2005，26（10）：876-878.

〔11〕丁向榮.基于IAP在線仿真技術(shù)提升單片機(jī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平〔J〕.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（3）：82-84.