LED閃光燈電源設(shè)計報告2015年全國大學生電子設(shè)計競賽

1、LED閃光燈電源（H題）設(shè)計報告 參賽隊號：2015*LED閃光燈電源摘 要在使用電池供電的便攜設(shè)備中，很多時候是通過直流升壓電路獲得所需要的高電壓。這些設(shè)備例如照相機中的閃光燈。本次設(shè)計要求是將電池的電能轉(zhuǎn)化為恒流輸出，設(shè)計核心部分為DC/DC穩(wěn)流電壓變換器，DC/DC電壓變換完成不同直流電壓值的變換，電壓變換后通過恒流控制電路實現(xiàn)恒流輸出。本設(shè)計電路由DC/DC電壓變換模塊、控制模塊、模式選擇電路、恒流控制模塊、保護電路、報警電路等組成。關(guān)鍵詞：直流升壓電路 DC/DC 恒流輸出0目 錄一、 引言1二、 方案設(shè)計1 2.1設(shè)計思路1 2.2總體方案1 2.3方案論證與比較1 2.3.1DC

2、/DC變換器方案論證與比較1 2.3.2主控芯片選擇方案2 2.3.3恒流控制電路方案論證與比較2 2.3.4模式選擇方案論證與比較3 2.4部分硬件電路設(shè)計3 2.4.1DC/DC電源變換器3 2.4.2恒流控制電路4 2.4.3報警電路與保護電路4 2.5程序軟件流程圖4三、 設(shè)計實現(xiàn)5四、 測試5五、結(jié)論6六、附錄71、 引言 設(shè)計并制作一個LED閃光燈電源。該電源的核心為直流-直流穩(wěn)流變換器，它能將電池的電能轉(zhuǎn)換為恒流輸出，驅(qū)動高亮度白光LED，設(shè)計的電源同時具有升壓、恒流兩種功能。升壓部分通過DC/DC實現(xiàn)，升壓后的輸出電流易受干擾不穩(wěn)定，需要設(shè)置穩(wěn)流控制電路。整個電路具有兩種輸出模

3、式，一種連續(xù)輸出模式，一種脈動輸出模式，電流大小可設(shè)定不同的控制檔位，負載電阻變大，當輸出電壓高于設(shè)定值時有過壓保護和報警功能。本設(shè)計的DC/DC恒流變換器能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出電流200mA輸出電壓10V時輸出效率應(yīng)高于80%。2、 方案設(shè)計 2.1設(shè)計思路本系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)㈦姵氐妮斎腚妷哼M行升壓，升壓后通過進入模式選擇電路，由主控系統(tǒng)控制模式選擇，選擇模式后進入恒流控制電路，經(jīng)過恒流的電流最后輸入到負載端，負載端接取樣電路，當負載變化造成電壓超出限定幅值時，取樣電路取樣后送控制保護電路同時發(fā)出警報。 2.2總體方案如下圖所示，是本次LED閃光燈電源的電路框圖。本系統(tǒng)核心部分為DC/DC變換器，

4、輸入電源一路經(jīng)過DC/DC變換器升壓后進入模式選擇模塊，用戶通過按鍵控制主控電路切換不同輸出模式，選擇后電流通過恒流控制電路實現(xiàn)恒流輸出，最后輸出接入負載，輸入電源另一路經(jīng)過變壓后作為輔助電源給整個設(shè)計電路供電。主控電路由主控芯片與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，實現(xiàn)通過軟件對硬件電路調(diào)控。模式選擇 DC/DC變換器輸入電壓3.03.6V 負載恒流控制電路主控電路輔助電源 2.3方案論證與比較 2.3.1DC/DC變換器方案論證與比較 根據(jù)設(shè)計要求，我們需要把3.0V3.6V的輸入電壓轉(zhuǎn)化為10V的輸出電壓，因此需要把低電壓輸入升壓成高電壓輸出。直流電壓升壓有兩種方法，一種是非隔離型DC/DC，另一種是隔離

5、型DC/AC/DC。方案一、采用非隔離型DC/DC。非隔離型DC/DC變換器優(yōu)點是效率高、可輸出大電流、靜態(tài)電流小。非隔離型電路即根據(jù)電路形式的不同，可以分為串聯(lián)開關(guān)變換器和并聯(lián)開關(guān)變換器兩種基本形式，其中串聯(lián)開關(guān)變換器是降壓式DC/DC變換器，并聯(lián)開關(guān)變換器是升壓式DC/DC變換器。方案二、采用隔離型DC/AC/DC。隔離型DC/AC/DC變換器主要由逆變器、高頻變壓器和和整流器組成?；竟ぷ髟硎禽斎腚妷航?jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為較高頻率的交流電壓，由高頻變壓器將高頻交流電壓轉(zhuǎn)換為所需要的交流電壓，最后通過整流得到直流電壓。隔離型DC/AC/DC變換器框圖如圖2(見附錄）所示。從電路設(shè)計程度上來說，

6、方案一主要控制端是一個開關(guān)管，外圍電路所需元器件較少，設(shè)計簡單易于實現(xiàn)，方案二電路設(shè)計由逆變電路、變壓電路、濾波電路等組成，設(shè)計較復(fù)雜難以實現(xiàn)。方案一中，電路存在輸入與輸出總有一個公共點，方案二則利用高頻變壓器將這個公共點隔離，采用方案二設(shè)計的電路會比較安全，不過由于我們的輸出直流電壓都在安全電壓范圍內(nèi)，不會對人體造成傷害。所以我們選擇方案一作為DC/DC變換器方案。 2.3.2主控芯片選擇方案方案一、選用STC89C52RC作為該系統(tǒng)的主控芯片。方案二、選用STC12C5A60S2單片機作為該系統(tǒng)的主控芯片。方案一的芯片功耗高、運算速度低、需要外接AD采樣電路才可以對負載端采樣，方案二芯片低

7、功耗、高速運算，內(nèi)置集成ADC，可直接實現(xiàn)采樣，整體性能遠高于方案一芯片。所以我們選用方案二。 2.3.3恒流控制電路方案論證與比較 恒控制電路采用恒流源概念。恒流源的實質(zhì)是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定，只要能夠得到電流，就可以有效形成反饋，從而建立恒流源。一般而言，按照恒流源電路主要組成器件的不同，可分為晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成運放恒流源三種。 方案一、采用一只恒流二極管。優(yōu)點是電路構(gòu)造簡單，缺點是恒流二極管的恒流特性并不是非常好，電流規(guī)格比較少，無法滿足設(shè)計精度要求。 方案二、采用兩只同型號的三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的be電壓作為基準。這

8、種恒流源簡單易行，但是即使是相同型號的三極管其be電壓也存在個體差異，因此并不適合精密度的恒流要求。方案三、采用一個集成運放恒流源，集成運放輸出端接一個電阻后接入三極管，但是由于三極管易后產(chǎn)生BC電流分量，因此采用場效應(yīng)管來避免三極管be電流分量造成的誤差。這種電路可以輸出幾百mA以上的穩(wěn)定電流。方案一、方案二受選用元器件的嚴格限制，無法滿足精度要求。方案三用運放與一個場效應(yīng)管設(shè)計的穩(wěn)流電路，利用運放的反饋調(diào)節(jié)功能，使用場效應(yīng)管代替三極管避免了不必要的be極間電流分量，能夠很好地實現(xiàn)穩(wěn)流功能。因此，我們采用方案三作為本設(shè)計穩(wěn)流控制電路的方案。 2.3.4模式選擇方案論證與比較模式選擇模塊的設(shè)計

9、是為了實現(xiàn)脈動輸出，并且使設(shè)計的電源能夠進行恒流模式與脈動輸出模式切換。方案一、采用555芯片自激振蕩產(chǎn)生一個占空比為1/3的脈沖波作為信號源，用來控制DC/DC模塊與恒流模塊之間開關(guān)的通斷從而使整個設(shè)計具備脈動輸出模式。但是555芯片產(chǎn)生的脈沖波頻率、占空比不易調(diào)控，脈動波頻率較高。方案二、采用AD9850芯片作為信號源，由主控系統(tǒng)芯片發(fā)出指令控制AD9850產(chǎn)生滿足設(shè)計要求的脈沖波。此方案需要給整個系統(tǒng)接入AD9850模塊。方案三、采用主控系統(tǒng)單片機直接輸出信號控制開關(guān)的導通與閉合，使整個電路具備脈動輸出模式，脈沖周期可設(shè)定，脈沖個數(shù)可設(shè)定等功能。該方案程序設(shè)定相對簡單，與方案二比較減小了

10、功耗。方案一由于產(chǎn)生的是高頻脈沖波，調(diào)節(jié)電路較為困難，故不采用。方案二AD9850芯片在3.3V供電時功耗155mW，整個模塊接入后增大了整個電路的功耗，作為電源設(shè)計應(yīng)盡可能減少電源內(nèi)部功耗，增加輸出效率。方案三由于我們選用STC12C5A60S2單片機做主控芯片，能夠通過單片機輸出高低電平控制場效應(yīng)管的通斷，避免了前兩種設(shè)計方案產(chǎn)生的功耗。因此，我們采用方案三作為模式選擇方案。 2.4部分硬件電路設(shè)計 2.4.1DC/DC電源變換器 原理如圖1（見附錄）所示。當開關(guān)管導通時，能量從輸入電源流入，并儲存于電感L中，由于開關(guān)管導通期間正向飽和管壓降很小，故這時二極管VD反偏，負載由濾波電容C供給

11、能量，將C中儲存的能量釋放給負載。當開關(guān)管截止時，電感L中電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢阻止電流減小，二極管VD導通，電感中儲存的能量以及輸入電壓通過二極管VD、給電容C充電，并供給負載。 在開關(guān)管導通的ton期間，能量儲存在電感L中，在開關(guān)管截止的toff期間，電感L釋放能量，補充在ton期間電容C上損失的能量。開關(guān)管截止時電感L上電壓跳變的幅值是與占空比有關(guān)的，ton愈長，L中峰值電流大，儲存的磁能愈大。所以，如果在ton期間儲存的能量要在toff期間釋放出來，那么，L上的電壓脈沖必定是比較高的。假定開關(guān)管沒有損耗，并聯(lián)變換器電路在輸入電壓Ui、輸入電流Ii下，能在較低的輸出電流I0下，

12、輸出較高的電壓U0。 當開關(guān)管導通時，忽略管子的導通壓降，電感L上的電壓為輸入電壓Ui，并且電流線性上升，當開關(guān)管截止時，則L中的電流線性下降，而在穩(wěn)態(tài)，ton期間L中電流的增量應(yīng)等于toff期間電流的減量，則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系由下式?jīng)Q定。其中 由式上式可知，當改變占空比時，就能獲得所需的上升的電壓值。由于占空比總是小于1，所以，U0總是大于Ui，。 2.4.2恒流控制電路我們設(shè)計的恒流控制電路由場效應(yīng)管、集成運放OP07、電壓反相器組成。如圖3（見附錄）所示。場效應(yīng)管的漏極D與DC/DC電壓輸出端相連，柵極G與集成運放輸出端相連。利用電壓反相器使集成運放的四號引腳為負電壓，從而保證集成

13、運放能夠輸出負電壓控制場效應(yīng)管斷開。在場效應(yīng)管源極S串接一個電壓采樣電阻將電壓反饋到集成運放負向輸入端，當輸出負載端電流減小時，場效應(yīng)管源極電位減小，集成運放負向輸入端電壓減小，使集成運放輸入電壓增大，輸出電壓增大，場效應(yīng)管柵極電壓增大，從而使負載端輸出電流增大，反之當負載輸出端電流增大時，通過電壓負反饋，又會使輸出電流減小，最終使負載輸出端恒流輸出。 2.4.3報警電路與保護電路報警電路如圖4（見附錄）所示，主控芯片檢測到負載兩端電壓超過限定幅值時，主控芯片控制三極管導通，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報。保護電路如圖5（見附錄）所示，主控芯片檢測到發(fā)在兩端電壓超過幅值時，控制場效應(yīng)管與繼電器同時斷開后，

14、DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出不能傳到恒流控制電路，從而起到保護作用。2.5程序軟件流程圖開始初始化電流選擇連續(xù) 連續(xù)/脈動輸出模式選擇脈動周期選擇脈沖串 連續(xù)脈沖/脈沖串輸出模式選擇連續(xù)脈沖設(shè)置脈沖個數(shù)否確認輸出是結(jié)束3、 設(shè)計實現(xiàn)1.出現(xiàn)問題：在輸出電流200mV。輸出電壓10V時效率達不到80%。 原因：由于在DC/DC升壓電路環(huán)節(jié)使用的是XL6009升壓直流電源變換器芯片，它的頻率為400kHz，輸出效率達不到設(shè)計要求。 解決辦法：更換DC/DC升壓電路環(huán)節(jié)的升壓直流電源變換器芯片為B6285y,該芯片頻率高達1.2MHz，優(yōu)化電路布局，最后負載輸出端效率達到設(shè)計要求。 2.出現(xiàn)問題：模式選擇部

15、分一開始采用一個場效應(yīng)管串聯(lián)接入DC/DC電路與恒流控制電路之間，接入后可以實現(xiàn)連續(xù)/脈動兩種輸出模式選擇，但是連續(xù)輸出模式的輸出效率降低了。 原因：場效應(yīng)管串聯(lián)接入電路產(chǎn)生了功耗，降低了輸出效率。 解決辦法：利用了繼電器的工作特性，電路圖如圖5（見附錄）所示，連續(xù)輸出模式下，繼電器不工作，DC/DC升壓輸出通過繼電器3、4腳進入恒流控制電路；切換模式時主控系統(tǒng)通過三極管控制繼電器工作，3、4腳斷開，P2.1端口控制場效應(yīng)管開關(guān)實現(xiàn)脈動輸出。這樣連續(xù)輸出模式下場效應(yīng)管不接入電路，不會造成輸出效率降低。3.出現(xiàn)問題：通過兩個按鍵加減進行檔位切換時，沒有指示部分來判斷切換到了哪一個檔位。解決辦法：

16、一開始想到是接指示燈，通過指示燈的亮與滅來判斷切換到了哪一個檔位，但是后來在測量中發(fā)現(xiàn)，接上指示燈后整個電源的轉(zhuǎn)換效率變低了，這是因為指示燈產(chǎn)生了功耗。后來，通過增加了按鍵的個數(shù)，每一個按鍵對應(yīng)一個檔位，在按鍵旁邊貼上檔位標簽，這樣實現(xiàn)指示功能且沒有產(chǎn)生額外功耗。4、 測試1、測試使用儀器和設(shè)備序號名稱數(shù)量1萬用表22電源臺13滑動變阻器14示波器12、測試方法（1）電流測試：在電源輸出端串接萬用表（測電流）與滑動變阻器，將滑動變阻器調(diào)至50，選擇100mA檔輸出時，記錄測量數(shù)值，調(diào)節(jié)滑動變阻器并觀察電流是否變化。同理測試150mA和200mA電流檔。（2）效率測試：在LED閃光燈電源輸入端接

17、入電源臺并串接一個萬用表（測電流），在LED閃光燈電源輸出端串接滑動變阻器，將滑動變阻器調(diào)至50。計算公式 =POUT/Pin×100%（3）脈動輸出測試：在輸出端接入等效電阻，選擇脈動輸出模式，設(shè)定周期并確定輸出，將示波器接地端接在輸出負端，示波器探頭接輸出正極，觀察示波器正占空比、周期、上升時間、下降時間并記錄。3、測試數(shù)據(jù) 表格1 電流測量數(shù)據(jù)電壓（V）測量電流值（mA）設(shè)定電流（mA)3.0相對誤差3.6誤差10099.980.02%99.990.01%150149.970.03%150.050.05%200199.970.03%199.850.15%300299.890.1

18、1%299.780.22%450449.840.16%449.110.89%600599.320.68%599.010.99%表格2效率測量數(shù)據(jù)輸入電壓輸入電流輸出電流等效負載電阻效率3.0V811.37mA199.97mA5082.3%3.6V652.67mA199.85mA5085.4%表格3脈動輸出測量數(shù)據(jù)周期（ms）占空比占空比誤差間歇電流（uA）脈沖上升時間（us）脈沖下降時間（us）1033.20.13%71275103033.40.06%68982710033.10.23%70383114、 測試結(jié)果分析 通過對測量結(jié)果分析，規(guī)定輸入電壓和輸出電壓范圍內(nèi)，誤差小于2%；輸入電流200mA，輸出電壓10V時，效率達到86%；脈動輸出模式輸出占空比相對誤差小于2%；電流峰峰值相對誤差小于5%，滿足設(shè)計各項指標要求。五、結(jié)論 經(jīng)過本次設(shè)計，我們從知道題目后分析討論形成統(tǒng)一設(shè)計思路，確定方案