大功率白光LED 高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)原理詳解

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 Light Communication)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)，實現(xiàn)了短距離數(shù)據(jù)傳輸。 　　為了實現(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(Direst Cunent)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)實現(xiàn)支路電流調(diào)節(jié)、PWM(Pulse Width Modulation)驅(qū)動信號占空比實現(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)(Electronicswitch1、Electronicswitch2)實現(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、延時等電路實現(xiàn)過流保護(hù)。 　　2系統(tǒng)的模塊化設(shè)計 　　2.1DC/DCBuck型穩(wěn)壓電路 　　兩個DC/DC支路采用PWM(PulseWidthModulation)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，實現(xiàn)自恢復(fù)。 　　3實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 　　3.1大功率白光LED與高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)的集成 　　為測試所制作的雙DC/DC并聯(lián)供電系統(tǒng)的性能，采用3W大功率白光LED(額定電流750mA、額定電壓4.0V)做了驅(qū)動實驗與性能測試，LED的照片如圖4所示。將大功率白光并聯(lián)供電系統(tǒng)、大功率白光LED、數(shù)據(jù)編碼模塊、Bias-Tee耦合模塊以及按鍵/指示燈等進(jìn)行了系統(tǒng)集成，研制了兼具照明與通信雙重功能的通信裝置(見圖4b).利用該裝置，對給出的并聯(lián)供電系統(tǒng)進(jìn)行了實驗。 　　3.2照明狀態(tài)時的均流特性實驗 　　通過按鍵分別設(shè)定驅(qū)動器輸出電壓為0.5V、1.0V和3.0V,接上白光LED,分別讀取兩個DC/DC支路的工作電流I1和I2、LED兩端的工作電壓U0以及流經(jīng)LED的工作電流I0,其測試結(jié)果如表1所示。 　　由表1可見，測得的實際電壓與設(shè)定值相比，3次測量的誤差小于2%,兩支路電流的偏差小于1%,實現(xiàn)了很好的穩(wěn)壓與均流效果。 　　3.3照明狀態(tài)時的電源效率實驗 　　3.4可見光通信狀態(tài)時輸出電壓的線性區(qū)測試 　　當(dāng)白光LED處于通信模式時，為保證通信質(zhì)量，需要提供穩(wěn)定、線性的驅(qū)動電壓。為驗證該供電系統(tǒng)的線性特性，將其用來驅(qū)動白光LED,同時使用可見光PIN探測器測試了探測器的響應(yīng)。實驗測得的PIN探測器輸出電壓隨白光LED驅(qū)動電壓的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)驅(qū)動電壓小于1.6V時，白光LED進(jìn)入非線性工作區(qū)。因此，當(dāng)將該供電電源驅(qū)動白光LED進(jìn)行可見光通信時，應(yīng)使其輸出電壓(亦即Bias-Tee的直流輸入電壓)調(diào)整至線性區(qū)中間點(diǎn)(亦稱為線性工作點(diǎn)),約為2.7V。 　　3.5動態(tài)響應(yīng)測試 　　當(dāng)使用該雙DC/DC并聯(lián)供電電源驅(qū)動白光LED時，筆者研究了當(dāng)電源上電和關(guān)電時，LED兩端電壓的瞬時變化特性，測量結(jié)果如圖6所示。可以看到，由于DC/DC電源輸出端電容的儲能作用，輸出電壓在上電和關(guān)電時并不存在尖峰和毛刺現(xiàn)象，因此，不會損壞LED.另外，從響應(yīng)曲線可以看出，當(dāng)電壓從0上升至穩(wěn)定的1.6V時，上升時間約為20s,關(guān)電降至0的下降時間約為65s. 　　3.6對比討論 　　在僅保留一個DC/DC支路工作時，就構(gòu)成了單支路供電電源系統(tǒng)。針對單支路供電系統(tǒng)和雙支路供電系統(tǒng)，筆者通過實驗進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示，設(shè)定輸入電壓為12V,輸出電壓為3.0V.從效率來講，由于雙支路使用了更多的電學(xué)元件，這將耗散更多的功率，其效率比單支路電源系統(tǒng)略低。 　　然而，雙支路中各DC/DC支路交替工作，各支路耗散的功率僅為單支路的一半。由于器件的壽命與耗散功率有關(guān)，且功率越大，壽命越短，因此，在正常工作方式下，雙支路電源系統(tǒng)的壽命將比單支路電源系統(tǒng)的壽命長。 　　4結(jié)語 　　通過對兩個Buck型DC/DC電路進(jìn)行并聯(lián)，并結(jié)合PID控制算法，設(shè)計并研制了一種用于驅(qū)動大功率白光LED的高效均流供電系統(tǒng)，并利用該并聯(lián)電源對白光LED進(jìn)行了驅(qū)動以及測試實驗。實驗結(jié)果表明，電源實際輸出電壓與設(shè)定值的誤差小于2%,兩支路電流的偏差小于1%,電源供電效率可達(dá)到75%~80%.在電源開啟和關(guān)斷瞬間，輸出電壓無尖峰現(xiàn)象。當(dāng)輸出電壓設(shè)為1.6V時，上升和下降時間分別約為20s和65s.由于兩個DC/DC電路交替推挽工作，因此，該電源具有較長的使用壽命，從而在LED照明和VLC系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。