無極性輸入寬電壓范圍工作的多層式信號(hào)燈

金永鎬， 金雄立

( 延邊大學(xué) 工學(xué)院， 吉林 延吉 133002 )

目前，具有聲光報(bào)警功能的多層式信號(hào)燈被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療等行業(yè)，它可有效預(yù)防多種事故的發(fā)生.但現(xiàn)有的多層式信號(hào)燈存在以下問題[1]： ①為了實(shí)現(xiàn)無極性輸入的工作方式，輸入電壓需要經(jīng)過全橋電路來改變極性，且需利用單向光電耦合器檢測(cè)輸入端的狀態(tài)，因此電路較為復(fù)雜，穩(wěn)定性差，且不利于產(chǎn)品的小型化.②信號(hào)燈的工作電壓被分為12、24、48 V 3類，不利于用戶管理和維護(hù).基于此，本文設(shè)計(jì)一款在寬電壓范圍工作的多層式信號(hào)燈，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方案的有效性.

1 無極性輸入寬電壓范圍工作的多層式信號(hào)燈的組成結(jié)構(gòu)

無極性輸入寬電壓范圍工作的多層式信號(hào)燈由多個(gè)雙向光電耦合器構(gòu)成的輸入電壓檢測(cè)器、多個(gè)半橋輸入、寬電壓范圍工作的升降壓型變換器、控制器及工作電源等部分組成,如圖1所示.

圖1 多層式信號(hào)燈的組成結(jié)構(gòu)

2 半橋式多路無極性輸入電路的設(shè)計(jì)

圖2為現(xiàn)有多層式信號(hào)燈(3層)的無極性輸入部分的電路圖.由圖2可以看出，各輸入端通過整流橋轉(zhuǎn)換極性后，再經(jīng)過2個(gè)隔離二極管給電容C18充電，以此實(shí)現(xiàn)為信號(hào)燈提供工作電源.每個(gè)通道的輸入端通過單向光電耦合器判斷有無電壓.該多層式信號(hào)燈結(jié)構(gòu)中，每一層都需要6個(gè)二極管，因此該多層式信號(hào)燈的電路較為復(fù)雜，且不利于產(chǎn)品的小型化.

圖2 現(xiàn)有多層式信號(hào)燈的無極性輸入電路

圖3為改進(jìn)的多層式信號(hào)燈的電路圖.由圖3可以看出，每個(gè)輸入端經(jīng)過半橋電路后與D11、D12組成全橋，輸入電壓轉(zhuǎn)換極性后給電容C15充電，以此實(shí)現(xiàn)為信號(hào)燈提供工作電源.每個(gè)通道的輸入端通過雙向光電耦合器判斷有無電壓.若采用該方法設(shè)計(jì)6層信號(hào)燈，只需要14個(gè)二極管即可，因此可大大簡化電路，且有利于產(chǎn)品的小型化.

由圖3可見，當(dāng)R-LED端的輸入為正極，CON端的輸入為負(fù)極時(shí)，PH1和二極管D6、D11導(dǎo)通，給電容C15充電.同理，當(dāng)R-LED端的輸入為負(fù)極，CON端的輸入為正極時(shí)，PH1和二極管D5、D12導(dǎo)通，給電容C15充電.R11、R12、R13為限流電阻，當(dāng)輸入電壓Ui=10～60 V時(shí)，限流電阻應(yīng)滿足以下兩個(gè)要求： ①輸入最低電壓時(shí)，雙向光電耦合器PC814的工作電流應(yīng)大于0.5 mA； ②輸入最高電壓時(shí)，電阻的功率損耗應(yīng)小于0.5 W.

圖3 改進(jìn)的多層式信號(hào)燈的輸入電路

PC814的工作電流由式(1)決定，限流電阻的損耗功率由式(2)決定.

(1)

(2)

式中UD為PC814輸入端的導(dǎo)通壓降，其電壓約為1 V.由式(1)和式(2)，可得6.962 kΩ

3 寬電壓范圍工作的LED燈組的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

3.1 升降壓式變換器的設(shè)計(jì)

圖4為不同多層式信號(hào)燈產(chǎn)品的工作電壓圖.由圖4可以看出，各類多層式信號(hào)燈的輸入電壓雖然不同，但LED燈組的驅(qū)動(dòng)電壓是一定的.當(dāng)燈組的驅(qū)動(dòng)電壓為30 V時(shí)，輸入電壓12 V和24 V的多層式信號(hào)燈需要升壓才能工作，而輸入電壓為48 V的多層式信號(hào)燈需要降壓才能工作.

圖4 不同輸入電壓的多層式信號(hào)燈的工作電壓

為提高產(chǎn)品的通用性,本文設(shè)計(jì)一種8～60 V寬電壓(因輸入端的整流橋壓降約為1.2 V)范圍工作的SEPIC型升降壓變換器.因SEPIC型升降壓變換器中的2個(gè)電感的電流共同作用于電流檢測(cè)電阻[2]，因此電流檢測(cè)電阻的功率損耗較大.為降低電流檢測(cè)電阻的功率損耗，本文使用HV9910芯片設(shè)計(jì)變換器的整體電路.HV9910芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：①芯片在8～100 V寬電壓范圍內(nèi)工作時(shí)能輸出1 mA的電流[3]1，利用該電流為MK6A12P單片機(jī)提供工作電壓時(shí)，無需設(shè)計(jì)獨(dú)立的低壓工作電源，從而可簡化電路.②CS電流檢測(cè)端電壓只有0.25 V[3]2，可減少檢測(cè)電感電流時(shí)的功率損耗，提高變換器的轉(zhuǎn)換效率.

圖5為由HV9910芯片構(gòu)建的寬電壓范圍工作的LED燈組的驅(qū)動(dòng)電源電路.由圖5可見，電感L1和Q1組成升壓變換器，電感L2和Q1組成極性翻轉(zhuǎn)型升降壓變換器.

圖5 基于HV9910芯片的LED燈組驅(qū)動(dòng)電源

因HV9910芯片只有電流檢測(cè)端CS，沒有輸出電壓反饋端，因此本文通過電流檢測(cè)端，采用疊加法設(shè)計(jì)輸出電壓反饋端.

當(dāng)輸出電壓的誤差值UE=Uo-UD3>0.2 V時(shí)，肖特基二極管D4開始導(dǎo)通(導(dǎo)通壓降約為0.2 V).此時(shí)B點(diǎn)和F點(diǎn)的電壓共同作用于A點(diǎn)，并驅(qū)動(dòng)電源輸出穩(wěn)定電壓.

根據(jù)電位理論，D4導(dǎo)通時(shí)F點(diǎn)的電壓取決于式(3)，式中UD 4為D4的壓降.

UF=Uo-UD3-UD 4.

(3)

再根據(jù)疊加原理，可求得B點(diǎn)電壓.B點(diǎn)電壓的計(jì)算公式為：

(4)

其中RCS為CS引腳的等效輸入電阻，實(shí)測(cè)值為1.2 kΩ.

剛接通電源時(shí),UF=0.根據(jù)式(4)可知，此時(shí)UB的值最大，為0.29 V(將R3=200 Ω、RCS=1.2 kΩ、UA=0.25 V代入式(4)中得).當(dāng)輸出電壓UO>UD3+UD4時(shí)，UF>0.此時(shí)UB減小，其電壓保持在0～0.29 V范圍內(nèi)，進(jìn)而能夠使輸出電壓保持穩(wěn)定.

3.2 輸出功率及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)

LED燈組的工作電壓為30 V，額定電流為45 mA，因此理論上其驅(qū)動(dòng)功率為1.35 W.考慮到功率裕量，本文將實(shí)際功率設(shè)置為2 W.待確定的參數(shù)有電感L1、L2和電阻R5.

因燈組輸出功率較小，同時(shí)為了簡化設(shè)計(jì)，本文將占空比D設(shè)置為65%.設(shè)電感將儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載時(shí)，其傳送效率為η， 則

(5)

式中Po為平均輸出功率，T為周期.

HV9910芯片工作頻率的計(jì)算公式[4]如下：

f=25 000/(R2+22).

(6)

設(shè)定R2=430 kΩ，則f≈55 kHz，周期T≈18.2 μs.當(dāng)輸入電壓為10V(最低工作電壓)時(shí)，流過電感的電流與電感兩端的電壓關(guān)系如式(7)所示.將占空比D代入式(7)得到式(8).

(7)

(8)

利用式(5)求得電感電流后，將其代入式(8),得

(9)

式中取η=80%，T=18.2 μs，D≤65%，Ui=10 V，Po=2 W, 得L≤154 μH.本文取標(biāo)稱值L=150 μH.

將L=150 μH代入式(8)，得iL≈0.79 A.當(dāng)L1=L2=150 μH時(shí)，流過R5的電流為2iL.因此電阻R5由式(10)決定.

(10)

將UB(0.29 V)和iL(0.79 A)代入式(10)，計(jì)算得R5=0.18 Ω.本文取0.15 Ω為標(biāo)稱值.

3.3 控制器的設(shè)計(jì)

圖6為控制器及其工作電源的電路圖.為了降低工作電流，本文使用低功耗的MK6A12P單片機(jī)和小功率場(chǎng)效應(yīng)管BS170對(duì)燈阻部分進(jìn)行控制.

圖6 控制器的工作電源電路

MK6A12P是一種性價(jià)比較高的單片機(jī)，適合于多種工業(yè)控制領(lǐng)域.其工作電壓為2.5～5 V，內(nèi)部有4 MHz的RC振蕩器，工作頻率、WDT以及復(fù)位電路通過外部電阻設(shè)定[5].

HT1033為低壓差微功耗三段穩(wěn)壓器，輸出電壓為3.3 V，靜態(tài)電流為2.2～5 μA，最大工作電流為30 mA，最大輸入電壓為12 V[6].HV9910芯片通電后，6腳輸出7.5 V的電壓(U1)，U1通過HT1033后，將3.3 V的電壓提供給MK6A12P.

BS170場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，因輸入場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流值較小，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可適當(dāng)減小單片機(jī)輸出端的驅(qū)動(dòng)電流.BS170的最大工作電壓為60 V，門檻電壓約為2 V，最大工作電流為0.5 A[7].當(dāng)GS輸入電壓為3 V時(shí)，實(shí)測(cè)控制電流為180 mA，可滿足驅(qū)動(dòng)45 mA燈組的要求.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7—圖9為當(dāng)輸入電壓Ui分別為10、30、60 V時(shí)， A、C、D點(diǎn)的工作電壓波形.

圖7 Ui為10 V時(shí)各點(diǎn)的波形

圖8 Ui為30 V時(shí)各點(diǎn)的波形

圖9 Ui為60 V時(shí)各點(diǎn)的波形

由圖7—圖9可知，當(dāng)頻率約為51 kHz，輸入電壓在10～60 V范圍時(shí)，變換器能夠輸出穩(wěn)定的30.2 V電壓.

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的多層式信號(hào)燈可以在10～60 V寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，可以解決當(dāng)前多層式信號(hào)燈的工作電壓范圍小、通用性差、電路復(fù)雜等問題.因此，本文方法設(shè)計(jì)的多層式信號(hào)燈具有良好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)競爭力.