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LED照明用恒流電源的實(shí)現(xiàn)方案

發(fā)布時(shí)間:2011-09-05

中心議題:

  • LED照明用恒流電源方案比較與選擇
  • LED照明用恒流電源電路與程序設(shè)計(jì)
  • LED照明用恒流電源方案理論分析與計(jì)算
  • LED照明用恒流電源測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

解決方案:

  • 控制電路與控制程序設(shè)計(jì)
  • 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
  • 功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)
  • 自動(dòng)調(diào)光電路設(shè)計(jì)


一、方案比較與選擇

1  電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案
方案一:采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正電路,優(yōu)點(diǎn)是將功率因數(shù)校正與電源變換器合二為一,可以大大減少電路的損耗,提高電路的整體效率,缺點(diǎn)是應(yīng)用在反激式電路的有源功率因數(shù)校正控制芯片種類較少,且電路比較復(fù)雜,很難設(shè)計(jì)與單片機(jī)合適的接口電路,不容易使用單片機(jī)進(jìn)行控制。

方案二:將功率因數(shù)校正電路與主控電路分開(kāi),采用Boost 型的功率因數(shù)校正電路后接電源變換器的方案,優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并不涉及單片機(jī)對(duì)功率因數(shù)校正電路的控制,只需使功率因數(shù)校正部分輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓即可,缺點(diǎn)是會(huì)一定程度上降低設(shè)計(jì)的整體效率。

鑒于本題要求步進(jìn)調(diào)壓的功能,需要單片機(jī)對(duì)PWM控制芯片有一個(gè)良好而穩(wěn)定的控制,故選擇方案二。

2  電源變換器方案
方案一:采用半橋變換電路,優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器利用率高,傳輸功率大,電路效率很高,缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜,且有直通危險(xiǎn)。

方案二:采用單端反激變換電路,優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是高頻變壓器利用率低,需要留有氣隙,電路效率不高。

鑒于本題要求最大負(fù)載只有10 個(gè)1W 的led,傳輸功率較小,故采用方案二,即反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3  閉環(huán)反饋控制方案
方案一:采用軟件閉環(huán)反饋控制,即使用單片機(jī)進(jìn)行各參數(shù)的采樣,然后直接由單片機(jī)對(duì)PWM控制芯片進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)占空比。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是反饋回路會(huì)受到采樣精度、采樣速度、單片機(jī)運(yùn)算速度等因素的影響,使反饋系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。

方案二:采用硬件閉環(huán)反饋控制,即使用硬件電路構(gòu)建反饋電路,由PWM控制芯片自身根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)占空比,而單片機(jī)對(duì)PWM控制芯片只是進(jìn)行輔助調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是反饋速度快,調(diào)節(jié)精度高,缺點(diǎn)是易受外部干擾。

4  有源功率因數(shù)校正方案
方案一:采用UC3854作為有源功率因數(shù)校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)校正系數(shù)可達(dá)99.5%,缺點(diǎn)是外圍電路非常復(fù)雜且調(diào)試?yán)щy,方案二:采用MC33260作為有源功率有源功率因數(shù)校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是功率因數(shù)校正率與UC3854相比略低。

220VAC經(jīng)工頻變壓器降壓為36VAC,經(jīng)開(kāi)機(jī)沖擊電流抑制電路輸入到功率因數(shù)校正電路中,再經(jīng)高頻隔離變壓器給串聯(lián)在一起的LED燈供電,在LED燈處分別進(jìn)行電壓、電流采樣,返回給PWM控制芯片和單片機(jī),由單片機(jī)給定基準(zhǔn)電壓來(lái)控制PWM控制芯片,進(jìn)而達(dá)到控制LED燈恒流可調(diào)的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


圖1 系統(tǒng)總體框圖[page]

二、電路與程序設(shè)計(jì)

1  電源變換器主回路與器件選擇
PWM 控制芯片采用SG3525。SG3525 的主要特點(diǎn)是:輸出級(jí)采用推挽輸出,雙通道輸出,占空比0 - 50%可調(diào)。每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200mA,灌拉電流峰值可達(dá)500mA。

SG3525 的1、2 引腳分別為內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端,反相輸入端接收反饋的電壓信號(hào),同相輸入端為給定的電壓基準(zhǔn),一般接在16 引腳電壓基準(zhǔn)的分壓上,由于題目要求恒流輸出時(shí)電流步進(jìn)可調(diào),故同相輸入端接單片機(jī)DAC 模塊產(chǎn)生的參考電壓。

負(fù)載的電流采樣由串聯(lián)在LED 負(fù)載與地之間的采樣電阻完成,經(jīng)一級(jí)跟隨、一級(jí)同相放大之后分別給單片機(jī)和PWM控制芯片;電壓采樣由負(fù)載和電流采樣電阻上的電壓分壓完成,經(jīng)一級(jí)跟隨分別給單片機(jī)和PWM 控制芯片。為完成恒壓與恒流模式的切換,分別在電壓采樣回路與電流采樣回路與PWM 控制芯片間各加入一個(gè)N 溝道MOSFET 作為電子開(kāi)關(guān),完成切換。為保證反饋的穩(wěn)定性在MOSFET 后再加一級(jí)跟隨后將反饋信號(hào)傳遞給PWM 控制芯片。


圖2 PWM 控制模塊

2  控制電路與控制程序設(shè)計(jì)
由于本設(shè)計(jì)的控制部分并不需要很大的計(jì)算量,對(duì)計(jì)算速度的要求也不是很高,但需要ADC 與DAC 模塊進(jìn)行電壓與電流的采樣和對(duì)PWM 控制芯片的控制,因此選用C8051F020單片機(jī)作為核心處理芯片,它擁有高速8051 微控制器內(nèi)核,8 個(gè)12 位ADC和2 個(gè)12 位DAC,完全可以滿足設(shè)計(jì)的需求。

由于本LED 恒流電源工作時(shí)絕大部分時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài),且對(duì)反應(yīng)速度沒(méi)有過(guò)快要求,因此并不需要對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)的采樣,而可以分別采樣,模式切換和基準(zhǔn)電壓的調(diào)整也不需在中斷服務(wù)中完成,只有步進(jìn)調(diào)整電流的按鍵程序需要在中斷服務(wù)中完成。

3  保護(hù)電路設(shè)計(jì)
過(guò)壓保護(hù)電路并不是單獨(dú)設(shè)計(jì)的,而是整合在電流控制電路中,由恒流控制回路與恒壓控制回路的切換完成,當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到負(fù)載上的電壓高于36V 時(shí),單片機(jī)控制將恒流控制回路切換為恒壓控制回路,將負(fù)載的電壓控制在略高于36V,當(dāng)再次檢測(cè)到負(fù)載電流降低到設(shè)定的電流以下時(shí),重新將恒壓模式切換為恒流模式,達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的目的。


圖3 控制程序流程圖[page]

4  功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)
選用小功率功率因數(shù)校正芯片MC33260,它工作在電流臨界模式。MC33260應(yīng)用簡(jiǎn)單可靠。通過(guò)電流檢測(cè)和電壓反饋,通過(guò)PI調(diào)節(jié)來(lái)保持電壓恒定。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的PWM控制來(lái)得到所需要電壓??蓪?shí)現(xiàn)0.998的功率因數(shù)校正和輸出穩(wěn)定直流電壓的功能。


圖4 功率因數(shù)校正模塊

5  自動(dòng)調(diào)光電路設(shè)計(jì),開(kāi)機(jī)沖擊電路與EMI抑制電路設(shè)計(jì)
自動(dòng)調(diào)壓電路采用光敏電阻作為感光元件,利用比較強(qiáng)將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào),使用單片機(jī)內(nèi)置的ADC將這個(gè)電壓信號(hào)采回單片機(jī),當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí),單片機(jī)控制切換為恒流模式,設(shè)置的負(fù)載電流值為100mA,使LED的亮度隨光照強(qiáng)度的增大而減少。

開(kāi)機(jī)沖擊電路采用熱敏電阻串聯(lián)在電源輸入端,溫度較低時(shí)電阻很大,隨著電阻發(fā)熱溫度升高,電阻逐漸變小,達(dá)到抑制開(kāi)關(guān)沖擊電流過(guò)大的目的。

EMI抑制電路是利用電感和電容的特性,使平率為50Hz左右的交流電可以順利通過(guò)濾波器,但高于50Hz以上的高頻干擾雜波被濾波器濾除,這就使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻諧波被濾掉而不會(huì)污染電網(wǎng)。


圖5 開(kāi)機(jī)沖擊電流和EMI抑制模塊

三、理論分析與計(jì)算

1  恒流控制方法和參數(shù)計(jì)算
將一個(gè)電阻值較小的采樣電阻串聯(lián)在LED負(fù)載與低之間,設(shè)流過(guò)LED的電流為I,則采樣電阻兩端的電壓:

其中R0為采樣電阻的電阻值,取R0=Ω。一級(jí)跟隨之后電壓不變,后為一級(jí)同相放大電路,放大倍數(shù)為:

后為一級(jí)跟隨,電壓不變,因此返回PWM控制芯片的電壓為:

單片機(jī)通過(guò)DAC給PWM控制芯片一個(gè)參考的基準(zhǔn)電壓UREF,經(jīng)過(guò)PWM控制芯片的調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)副邊繞組的電壓進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)負(fù)載電流。經(jīng)過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用,使U0=UREF,此時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流值為:

只要時(shí)單片機(jī)DAC模塊的輸出電壓根據(jù)上面的式子調(diào)整,就會(huì)使負(fù)載工作在某一個(gè)需要的恒定電流值上。

2  隔離變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算
功率因數(shù)校正電路輸出的電壓為55V,要求負(fù)載為10只串聯(lián)的LED燈,實(shí)測(cè)正常工作時(shí)的電壓為34V左右,可得變壓器的變比約為:

由于PWM控制芯片輸出占空比范圍為0%~50%,因此實(shí)際取原邊45匝,副邊56匝,變比為1.24。
[page]
3  提高效率的方法
選擇合適的主回路拓?fù)?,使用盡可能少的元器件,降低開(kāi)關(guān)頻率;主電路選擇導(dǎo)通損耗小的開(kāi)關(guān)器件;測(cè)量及控制電路在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使用工作電壓低的元器件;控制電路盡可能使用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)等都可以有效地提高系統(tǒng)的效率。

4  濾波參數(shù)計(jì)算
反激式電壓變換器需要輸出的為直流量,因此盡量應(yīng)濾掉所有諧波,使用 LC 無(wú)源低通濾波電路即可滿足要求,反激式變換器的開(kāi)關(guān)頻率為32kHz,設(shè)計(jì)濾波器的截止頻率應(yīng)低于32KHz,即:

由于該系統(tǒng)為恒流系統(tǒng),應(yīng)取較大的L 值,并適當(dāng)減小C 的值,據(jù)此設(shè)定L、C 值。選用470μF 的電解電容,根據(jù)計(jì)算得出電感值約為0.78mH,采用自制的工字型濾波電感。

四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

1  測(cè)試儀器與設(shè)備
(1)工頻變壓器
(2)四位半數(shù)字萬(wàn)用表DT9203
(3)安捷倫示波器DSO5012A

2  測(cè)試數(shù)據(jù)
(1)輸出電流跟蹤測(cè)試:


表1  輸出電流顯示跟蹤測(cè)試

(2)電壓調(diào)整率測(cè)試(設(shè)定電流為150mA):


表2 電壓調(diào)整率測(cè)試

從32V~40V 時(shí)電流變化范圍是149mA~150mA 調(diào)整率為0.6%,電壓調(diào)整率Su≤1%,達(dá)到要求。
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(3)負(fù)載調(diào)整率測(cè)試
輸入電壓為36.23V,設(shè)定電流為300mA,負(fù)載從5 個(gè)LED 到10 個(gè)LED 時(shí)輸出電流波動(dòng)范圍是209mA~300mA。調(diào)整率為0.4%。負(fù)載調(diào)整率SL≤1%達(dá)到要求。


表3 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

(4)效率測(cè)試
U2=36V、負(fù)載為10個(gè)LED、I0=300mA。


表4 效率η參數(shù)測(cè)試

(5)功率因數(shù)測(cè)試
測(cè)得功率因數(shù)為0.998,達(dá)到要求。


圖6 功率因數(shù)校正波形

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