大功率白光LED高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)

隨著人們對節(jié)能環(huán)保型光源的需求以及白光LED(Light Emitting Devices)制作工藝的進(jìn)步，高效率、低功耗、長壽命的綠色光源白光LED將逐漸替代傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈等照明設(shè)備，成為下一代照明設(shè)備的首選。在照明的同時，利用白光LED進(jìn)行室內(nèi)外可見光通信(VLC:Visible LightCommunication)也是近年來新興的一種短途無線通信技術(shù)。筆者研究了基于白光LED的VLC通信技術(shù)與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了短距離數(shù)據(jù)傳輸。 　　為了實(shí)現(xiàn)白光LED的照明和通訊雙重功能，大電流、高效率、長壽命的供電系統(tǒng)是關(guān)鍵，既要滿足高速可見光通信需求(要求對LED提供高速調(diào)制信號以形成MHz的亮度調(diào)制)，又要滿足大電流的視覺亮度需求(即可對LED提供穩(wěn)定的直流工作點(diǎn))。合理的直流偏置可為LED提供最佳的線性調(diào)制區(qū)，提高調(diào)制深度，進(jìn)而可改善通信性能。與線性電源相比，DC/DC(DirestCunent)開關(guān)電源具有效率高的優(yōu)勢，成為電源設(shè)計的首選。為滿足白光LED的高效照明和高速通信的需要，同時也為延長電源使用壽命，筆者設(shè)計并研制了一種推挽式高效均流雙DC/DC并聯(lián)供電系統(tǒng)。 　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理 　　大功率白光LED的供電系統(tǒng)需提供大電流并具備高穩(wěn)定性，相比多支路并聯(lián)供電系統(tǒng)而言，在同等電流需求下，單支路供電系統(tǒng)需提供的電流更大，因此單支路型電源的壽命短。鑒于此，設(shè)計了雙支路DC/DC并聯(lián)供電系統(tǒng)，兩個支路實(shí)現(xiàn)分流工作，既提高了效率，又延長了使用壽命，具有傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 　　設(shè)計方案如圖1所示，采用兩個DC/DC支路同為Buck型降壓電路、電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)支路電流調(diào)節(jié)、PWM(Pulse Width Modulation)驅(qū)動信號占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、霍爾電流傳感器并輔以調(diào)整、比較、延時等電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。所設(shè)計的驅(qū)動電源包括4部分：雙DC/DC并聯(lián)模塊;電壓、電流采樣模塊;過流保護(hù)及自恢復(fù)模塊;ARM7(LPC2148)主控模塊。圖1中(1)為DC/DC支路2的控制信號PWM2，其占空比決定支路2的輸出電壓;(2)為DC/DC支路1的控制信號PWM1，其占空比決定支路1的輸出電壓;(3)為均流控制信號PWM3.系統(tǒng)工作原理是：利用兩PMOS(P-channel metal-Oxide-Semiconductor)電子開關(guān)(Electronic switch 1、Electronic switch 2)實(shí)現(xiàn)兩支路均流，通過采集輸出電壓并調(diào)節(jié)PWM1和PWM2的占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，通過霍爾電流傳感器并輔以調(diào)整、比較、延時等電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。 　　2 系統(tǒng)的模塊化設(shè)計 　　2.1 DC/DC Buck型穩(wěn)壓電路 　　兩個DC/DC支路采用PWM(Pulse Width Modulation)控制的Buck型降壓電路(見圖2).圖2中OUT1為支路1的輸出電壓，OUT2為支路2的輸出電壓。利用電感和電容的儲能特性，隨著PMOS管不停地導(dǎo)通和關(guān)斷，具有較大電壓波動的直流電源能量斷續(xù)地經(jīng)過開關(guān)管，暫時以磁場能形式存儲在電感器中，然后經(jīng)電容濾波得到連續(xù)的能量傳送到負(fù)載，得到脈動較小的直流電壓，實(shí)現(xiàn)DC/DC變換。 　　PMOS管型號為SI4405，PMOS驅(qū)動器為ADP3624;PWM1、PWM2為由ARM7產(chǎn)生的頻率固定、占空比可調(diào)的方波信號，可分別調(diào)節(jié)兩DC/DC支路的輸出電壓。為得到穩(wěn)定的輸出電壓，采取如下設(shè)計方案： 　　1)合理選擇PWM頻率，有效降低輸出電壓的紋波系數(shù)，設(shè)計中取為20kHz; 　　2)當(dāng)負(fù)載變化時，通過計算輸出電壓(由AD采樣獲得)與目標(biāo)值的差值大小，采用模糊PID(Proportion-Integral-Derivative)算法，調(diào)節(jié)PWM1、PWM2的占空比，在較短時間內(nèi)，調(diào)整輸出電壓至所需的穩(wěn)定值。 　　兩個DC/DC支路的均流方案如下：在兩個DC/DC支路的輸出端分別接高速PMOS電子開關(guān)，利用ARM7輸出一個50%占空比的方波信號(PWM3)控制一路PMOS電子開關(guān)，同時利用該方波信號的反相信號控制另一支路的PMOS電子開關(guān)。由于兩支路輸出電壓相等，且在推挽模式下各工作50%時間，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)均流作用。 　　2.2 電流及電壓采集模塊 　　采用霍爾傳感器(ACS712-20A)測量LED電流，它是利用霍爾效應(yīng)制成的傳感芯片，最大可測電流為20A，滿足白光LED照明時所需的大電流要求。該器件內(nèi)部集成精確的低偏置線性霍爾傳感電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片表面，通過該銅制電流路徑施加的電流能被集成霍爾芯片感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為比例電壓輸出。通過標(biāo)定霍爾傳感器的輸出電壓與流經(jīng)電流的關(guān)系，就可確定流經(jīng)LED的電流大小。由于ACS712-20A的輸出電壓及被測電流間的反應(yīng)靈敏度較低，故設(shè)計了一個靈敏度增強(qiáng)電路，主放大器為LM358，該電路可將靈敏度提高約3.3倍。利用AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1100采集負(fù)載兩端電壓，實(shí)現(xiàn)反饋控制。 　　2.3 過流保護(hù)及自恢復(fù)模塊 　　該并聯(lián)均流供電系統(tǒng)具有過流保護(hù)及自恢復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。其工作過程如下。1)將霍爾電流傳感器輸出的電壓信號通過比例放大、電壓比較后產(chǎn)生用于驅(qū)動繼電器的信號。2)如果電流超過LED承受能力，則比較器輸出高電平，此時繼電器驅(qū)動器2立即動作，同時將DC/DC主電路的K1和負(fù)載回路的K2斷開(避免DC/DC儲能電容繼續(xù)向負(fù)載充電)，形成雙重過流保護(hù)。3)由于當(dāng)DC/DC主電路以及負(fù)載回路關(guān)斷后，霍爾電流傳感器輸出電壓不能使比較器繼續(xù)輸出高電壓，所以繼電器驅(qū)動器2無法使K1和K2繼續(xù)斷開。 　　為更長時間保護(hù)電子線路不受損壞，設(shè)計中加入了延時保護(hù)電路，即當(dāng)電壓比較器輸出高電平時(繼電器驅(qū)動器2已工作)，向一個儲能電容充電(由于充電時間常數(shù)小，充電過程很短)。當(dāng)繼電器驅(qū)動器2停止工作時，該充電電容通過放電作用會使繼電器驅(qū)動器1在較長的時間內(nèi)繼續(xù)動作，從而保持K1和K2持續(xù)斷開，形成延時保護(hù)(K1和K2由繼電器驅(qū)動器1和2雙重控制，任意一個工作時，都可使二者斷開)。4)當(dāng)繼電器驅(qū)動器1或2工作時，可點(diǎn)亮LED，發(fā)出報警信號。 　　5)當(dāng)繼電器驅(qū)動器1和2均不工作時，繼電器開關(guān)K1和K2吸合，LED報警燈滅，實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)。