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，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)開關(guān)管的PWM控制來(lái)得到所需要電壓。可實(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。
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3 提高效率的方法
選擇合適的主回路拓?fù)洌褂帽M可能少的元器件，降低開關(guān)頻率；主電路選擇導(dǎo)通損耗小的開關(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
