LED照明用恒流電源變換器.

1、設(shè)計(jì)報(bào)告書設(shè)計(jì)題目：高效數(shù)控恒流電源（D題）競賽小組成員：張川胡世超彭澤鑫指導(dǎo)老師：劉偉平李慶 張桐2011年8月日目 錄 3 51.151.26 7 7 7 83.1 DC/DC83.293.3103.411 11 125.1125.2125.3125.413 151617摘要本設(shè)計(jì)主要由開機(jī)沖擊電流和EMI 抑制電路、功率因數(shù)校正電路、反激式隔離變換器、基于TL494 的 PWM波控制、單片機(jī)控制模塊等部分組成，具有恒流輸出、電流步進(jìn)可調(diào)、 過壓保護(hù)、功率因數(shù)校正、 實(shí)時(shí)顯示電壓、電流等功能，具有工作穩(wěn)定、 可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 最終實(shí)現(xiàn)了 LED照明用恒流電源的功能。 系統(tǒng)最終達(dá)到基本部分全

2、部指標(biāo)。關(guān)鍵詞：隔離、恒流電源、PWM、反激式、閉環(huán)反饋、 PI 調(diào)節(jié)、過壓保護(hù)Abstract ： This design mainly by the impact on current and EMIsuppressioncircuit,power factorcorrectioncircuit,flyback converteris separated, based on the TL494 PWM wave to control and single-chipmicrocomputer control module components, with constant current o

3、utput,current step can be adjusted, over-voltage protection and power factorcorrection,real-timedisplayvoltage, current, and other functions,hasthestableand high reliabilityetc, and finallyachieve the LEDlightingtoconstantcurrentpower function.System eventuallyget the basicpartall index.Keywords: is

4、olation,constantcurrent power supply,PWM,flybacktype,closed-loop feedback, PI adjustment, over-voltage protection一、總體方案設(shè)計(jì)1.1 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

5、的方案， 優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單， 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。(3) 閉環(huán)反饋控制方案方案一

6、：采用軟件閉環(huán)反饋控制，使用單片機(jī)進(jìn)行采樣，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)建反饋回路，由PWM控制芯片根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)占空比，而單片機(jī)只是對(duì) PWM控制芯片進(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。由于題目中要求精度較高且使用硬件成本更加低廉，控制更加容易，故選用方案二。(4) 有源功率因數(shù)校正方案方案一：采用 UUC3854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)可以

7、達(dá)到 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 UCC28019作為有源功率因數(shù)校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是外圍電路簡單，功率因數(shù)校正系數(shù)可以達(dá)到 99.5%左右。鑒于對(duì)成本和性價(jià)比的考慮，故選用方案二。片機(jī)，由單片機(jī)給定基準(zhǔn)電壓來控制可調(diào)的目的。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)具體方案如下： 220VACC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PWM控制芯片，進(jìn)而達(dá)到控制LED 燈恒流系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2 所示。二、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

8、與實(shí)現(xiàn)2.1 電源變換器主回路與器件選擇PWM控制芯片采用TL494 。它的主要特點(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。 TL494 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

9、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。2.2 控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的控制部分采用 TI 公司的 MSP430F247超低功耗單片機(jī)， 它內(nèi)部集成有 12 位 DAC，并且它的運(yùn)算速度快。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)速度沒有過快要求，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，

10、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。如圖 2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)過壓保護(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)到過壓保護(hù)的目的。圖 2.3控制程序流程圖2.4 功率因因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)選用小功率功率因數(shù)校正芯片 UCC28019，它工作在電流臨界模式。UCC28019應(yīng)用

11、簡單可靠。通過電流檢測和電壓反饋，及 PI 調(diào)節(jié)來保持電壓恒定。再通過開關(guān)管的 PWM控制來 得到所需電壓。可實(shí)現(xiàn) 0.99 的功率因數(shù)校正和輸出穩(wěn)定直流電壓的功能，完全可以滿足題目中要求。圖 2.4功率因數(shù)校正模塊2.5 自動(dòng)調(diào)光電路設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)壓電路采用光敏電阻作為感光元件，利用比較器將光的強(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)個(gè)電壓信號(hào)采回單片機(jī)，當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)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)度的增大而減小。2.6 開機(jī)沖擊電路與EMI 抑制電路設(shè)計(jì)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

12、阻發(fā)熱溫度升高，電阻逐漸變小，達(dá)到抑制開機(jī)沖擊電流過大的目的。EMI 抑制電路是利電感和電容的特性， 使頻率為 50Hz 左右的的交流電可以順利通過濾波器， 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 2.6開機(jī)沖沖擊電流和EMI 抑制模塊三、理論分析與計(jì)算四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 系統(tǒng)軟件流程圖，如下圖所示電流和 EMI 抑制五、系統(tǒng)測試及分析5.1 測試方法采用分別測試各個(gè)單元模塊，調(diào)試通過后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法。5.2 測試儀器（1）工頻變壓器（ 2）四位半數(shù)字萬用表 DT9203（ 3）安捷倫示波器 DSO5012A5.

13、3 測試數(shù)據(jù)和誤差分析2、測試數(shù)據(jù)( 1) 輸出電流跟蹤測試六、總結(jié)經(jīng)過這幾天的努力，在老師的悉心指導(dǎo)，同學(xué)的共同探討，組員的共同努力下，按時(shí)的完成了高效數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)， 由上述電路設(shè)計(jì)分析計(jì)算和測試數(shù)據(jù)可知：本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了題目中基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分的功能要求， 并達(dá)到并超過了各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)， 且在此基礎(chǔ)上添加軟啟動(dòng)， 電壓源和擴(kuò)大輸入電壓范圍等其它擴(kuò)展功能并能夠較好的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。參考文獻(xiàn)（ 1）MSP430系列 16 位低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用 沈建華，楊艷琴，翟曉曙 編著 清華大學(xué)出版社 2004 年 11 月出版（ 2）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) ( 第四版 ) 華成英、童詩 編著 高等教育出版社2006 年 5 月出版（ 3）數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石 王紅 編著 高等教育出版社 2010 年 12 月出版（ 4）電子線路實(shí)驗(yàn) 沈小豐 編著 清華大學(xué)出