大功率白光【LED凈化燈】“高效均流”并聯(lián)供電系統設計

　隨著(zhù)人們對節能環(huán)保型光源的需求以及白光LED（LightEmittingDevices）制作工藝的進(jìn)步，高效率、低功耗、長(cháng)壽命的綠色光源白光LED凈化燈將逐漸替代傳統白熾燈和熒光燈等照明設備，成為下一代照明設備的首選。在照明的同時(shí)，利用白光LED進(jìn)行室內外可見(jiàn)光通信（VLC：VisiblELightCommunication）也是近年來(lái)新興的一種短途無(wú)線(xiàn)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，實(shí)現了短距離數據傳輸。為了實(shí)現白光LED凈化燈的照明和通訊雙重功能，大電流、高效率、長(cháng)壽命的供電系統是關(guān)鍵，既要滿(mǎn)足高速可見(jiàn)光通信需求（要求對LED提供高速調制信號以形成MHz的亮度調制），又要滿(mǎn)足大電流的視覺(jué)亮度需求（即可對LED凈化燈提供穩定的直流工作點(diǎn)）。合理的直流偏置可為LED凈化燈提供最佳的線(xiàn)性調制區，提高調制深度，進(jìn)而可改善通信性能。與線(xiàn)性電源相比，DC/DC（DirestCunent）開(kāi)關(guān)電源具有效率高的優(yōu)勢，成為電源設計的首選。為滿(mǎn)足白光LED的高效照明和高速通信的需要，同時(shí)也為延長(cháng)電源使用壽命，筆者設計并研制了一種推挽式高效均流雙DC/DC并聯(lián)供電系統。

　　系統結構和原理

　　大功率白光LED的供電系統需提供大電流并具備高穩定性，相比多支路并聯(lián)供電系統而言，在同等電流需求下，單支路供電系統需提供的電流更大，因此單支路型電源的壽命短。鑒于此，設計了雙支路DC/DC并聯(lián)供電系統，兩個(gè)支路實(shí)現分流工作，既提高了效率，又延長(cháng)了使用壽命，具有傳統驅動(dòng)系統不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

　　設計方案如圖1所示，采用兩個(gè)DC/DC支路同為Buck型降壓電路、電子開(kāi)關(guān)實(shí)現支路電流調節、PWM（PulseWidthModulation）驅動(dòng)信號占空比實(shí)現穩壓、霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時(shí)等電路實(shí)現過(guò)流保護。所設計的驅動(dòng)電源包括4部分：雙DC/DC并聯(lián)模塊；電壓、電流采樣模塊；過(guò)流保護及自恢復模塊；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.系統工作原理是：利用兩PMOS（P-channelMetal-Oxide-Semiconductor）電子開(kāi)關(guān)（Electronicswitch1、Electronicswitch2）實(shí)現兩支路均流，通過(guò)采集輸出電壓并調節PWM1和PWM2的占空比實(shí)現穩壓，通過(guò)霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時(shí)等電路實(shí)現過(guò)流保護

系統的模塊化設計

　　2.1DC/DCBuck型穩壓電路

　　兩個(gè)DC/DC支路采用PWM（PulseWidthModulation）控制的Buck型降壓電路（見(jiàn)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(zhù)PMOS管不停地導通和關(guān)斷，具有較大電壓波動(dòng)的直流電源能量斷續地經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管，暫時(shí)以磁場(chǎng)能形式存儲在電感器中，然后經(jīng)電容濾波得到連續的能量傳送到負載，得到脈動(dòng)較小的直流電壓，實(shí)現DC/DC變換。

　　PMOS管型號為SI4405，PMOS驅動(dòng)器為ADP3624；PWM1、PWM2為由ARM7產(chǎn)生的頻率固定、占空比可調的方波信號，可分別調節兩DC/DC支路的輸出電壓。為得到穩定的輸出電壓，采取如下設計方案：

　　1）合理選擇PWM頻率，有效降低輸出電壓的紋波系數，設計中取為20kHz；

　　2）當負載變化時(shí)，通過(guò)計算輸出電壓（由AD采樣獲得）與目標值的差值大小，采用模糊PID（Proportion-Integral-Derivative）算法，調節PWM1、PWM2的占空比，在較短時(shí)間內，調整輸出電壓至所需的穩定值。

　　兩個(gè)DC/DC支路的均流方案如下：在兩個(gè)DC/DC支路的輸出端分別接高速PMOS電子開(kāi)關(guān)，利用ARM7輸出一個(gè)50%占空比的方波信號（PWM3）控制一路PMOS電子開(kāi)關(guān)，同時(shí)利用該方波信號的反相信號控制另一支路的PMOS電子開(kāi)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(shí)間，進(jìn)而可實(shí)現均流作用。

　　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，它是利用霍爾效應制成的傳感芯片，最大可測電流為20A，滿(mǎn)足白光LED凈化燈照明時(shí)所需的大電流要求。該器件內部集成精確的低偏置線(xiàn)性霍爾傳感電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片表面，通過(guò)該銅制電流路徑施加的電流能被集成霍爾芯片感應并轉化為比例電壓輸出。通過(guò)標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A(yíng)CS712-20A的輸出電壓及被測電流間的反應靈敏度較低，故設計了一個(gè)靈敏度增強電路，主放大器為L(cháng)M358，該電路可將靈敏度提高約3.3倍。利用AD轉換芯片ADS1100采集負載兩端電壓，實(shí)現反饋控制。

2.3過(guò)流保護及自恢復模塊

　　該并聯(lián)均流供電系統具有過(guò)流保護及自恢復功能，實(shí)現原理如圖3所示。其工作過(guò)程如下。1）將霍爾電流傳感器輸出的電壓信號通過(guò)比例放大、電壓比較后產(chǎn)生用于驅動(dòng)繼電器的信號。2）如果電流超過(guò)LED承受能力，則比較器輸出高電平，此時(shí)繼電器驅動(dòng)器2立即動(dòng)作，同時(shí)將DC/DC主電路的K1和負載回路的K2斷開(kāi)（避免DC/DC儲能電容繼續向負載充電），形成雙重過(guò)流保護。3）由于當DC/DC主電路以及負載回路關(guān)斷后，霍爾電流傳感器輸出電壓不能使比較器繼續輸出高電壓，所以繼電器驅動(dòng)器2無(wú)法使K1和K2繼續斷開(kāi)。為更長(cháng)時(shí)間保護電子線(xiàn)路不受損壞，設計中加入了延時(shí)保護電路，即當電壓比較器輸出高電平時(shí)（繼電器驅動(dòng)器2已工作），向一個(gè)儲能電容充電（由于充電時(shí)間常數小，充電過(guò)程很短）.當繼電器驅動(dòng)器2停止工作時(shí)，該充電電容通過(guò)放電作用會(huì )使繼電器驅動(dòng)器1在較長(cháng)的時(shí)間內繼續動(dòng)作，從而保持K1和K2持續斷開(kāi)，形成延時(shí)保護（K1和K2由繼電器驅動(dòng)器1和2雙重控制，任意一個(gè)工作時(shí)，都可使二者斷開(kāi)）.4）當繼電器驅動(dòng)器1或2工作時(shí)，可點(diǎn)亮LED，發(fā)出報警信號。5）當繼電器驅動(dòng)器1和2均不工作時(shí)，繼電器開(kāi)關(guān)K1和K2吸合，LED報警燈滅，實(shí)現自恢復。

 

　　實(shí)驗結果與數據分析

　　3.1大功率白光LED與高效均流并聯(lián)供電系統的集成

　　為測試所制作的雙DC/DC并聯(lián)供電系統的性能，采用3W大功率白光LED（額定電流750mA、額定電壓4.0V）做了驅動(dòng)實(shí)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、大功率白光LED、數據編碼模塊、Bias-Tee耦合模塊以及按鍵/指示燈等進(jìn)行了系統集成，研制了兼具照明與通信雙重功能的通信裝置（見(jiàn)圖4b）.利用該裝置，對給出的并聯(lián)供電系統進(jìn)行了實(shí)驗。

 

　3.2照明狀態(tài)時(shí)的均流特性實(shí)驗

　　通過(guò)按鍵分別設定驅動(dòng)器輸出電壓為0.5V、1.0V和3.0V，接上白光LED，分別讀取兩個(gè)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，其測試結果如表1所示。

　　定義輸出電壓誤差

由表1可見(jiàn)，測得的實(shí)際電壓與設定值相比，3次測量的誤差小于2%，兩支路電流的偏差小于1%，實(shí)現了很好的穩壓與均流效果。

　　3.3照明狀態(tài)時(shí)的電源效率實(shí)驗

　　定義供電電源的效率為

　　其中Ii和Ui分別該系統的輸入電壓和輸入電流。在表1所示的3種驅動(dòng)情況下，分別測量了電路輸入電壓，輸入電流，輸出電壓和輸出電流，進(jìn)而計算出供電效率，其結果如表2所示。當電源輸出電壓較小時(shí)，電源的效率較小，當輸出電壓增大時(shí)，電源效率增大，可達80%以上。

　　3.4可見(jiàn)光通信狀態(tài)時(shí)輸出電壓的線(xiàn)性區測試

　　當白光LED處于通信模式時(shí)，為保證通信質(zhì)量，需要提供穩定、線(xiàn)性的驅動(dòng)電壓。為驗證該供電系統的線(xiàn)性特性，將其用來(lái)驅動(dòng)白光LED，同時(shí)使用可見(jiàn)光PIN探測器測試了探測器的響應。實(shí)驗測得的PIN探測器輸出電壓隨白光LED凈化燈驅動(dòng)電壓的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，當驅動(dòng)電壓小于1.6V時(shí)，白光LED進(jìn)入非線(xiàn)性工作區。因此，當將該供電電源驅動(dòng)白光LED進(jìn)行可見(jiàn)光通信時(shí)，應使其輸出電壓（亦即Bias-Tee的直流輸入電壓）調整至線(xiàn)性區中間點(diǎn)（亦稱(chēng)為線(xiàn)性工作點(diǎn)），約為2.7V。

 

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