大功率白光LED 高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)（一）

摘要： 為解決可見光通信系統(tǒng)中的白光LED( Light Emitting Devices) 光源高效穩(wěn)定的直流偏置電源問題，設(shè)計(jì)并研制了一種Buck 型雙DC/DC( Direst Cunent) 并聯(lián)供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM7( LPC2148) 作為主控制器，利用電壓反饋調(diào)整兩個(gè)DC/DC 模塊的PWM( Pulse Width Modulation) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，利用兩個(gè)PMOS ( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關(guān)分別控制兩個(gè)DC/DC 支路實(shí)現(xiàn)均流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源實(shí)際輸出電壓與設(shè)定值的誤差小于2%,兩個(gè)支路電流的偏差小于1%,電源供電效率可達(dá)75% ~ 80%.在電源開啟和關(guān)斷瞬間的瞬時(shí)測(cè)試結(jié)果顯示，驅(qū)動(dòng)電壓無(wú)尖峰現(xiàn)象，電壓從0 上升至1. 6 V 的時(shí)間約為20 s,關(guān)電降至0 的時(shí)間約為65 s.兩個(gè)DC/DC 模塊交替工作，延長(zhǎng)了供電系統(tǒng)的使用壽命。該供電系統(tǒng)在LED 照明和可見光通信設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景，為設(shè)計(jì)多DC/DC 模塊的高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)提供了解決方案。

0 引言

隨著人們對(duì)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(zhǎng)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(shí)，利用白光LED 進(jìn)行室內(nèi)外可見光通信( VLC: Visible LightCommunication) 也是近年來新興的一種短途無(wú)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(shí)現(xiàn)了短距離數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)白光LED 的照明和通訊雙重功能，大電流、高效率、長(zhǎng)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(duì)LED 提供高速調(diào)制信號(hào)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(duì)LED 提供穩(wěn)定的直流工作點(diǎn))。合理的直流偏置可為L(zhǎng)ED 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( DirestCunent) 開關(guān)電源具有效率高的優(yōu)勢(shì)，成為電源設(shè)計(jì)的首選。為滿足白光LED 的高效照明和高速通信的需要，同時(shí)也為延長(zhǎng)電源使用壽命，筆者設(shè)計(jì)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(jì)了雙支路DC /DC 并聯(lián)供電系統(tǒng)，兩個(gè)支路實(shí)現(xiàn)分流工作，既提高了效率，又延長(zhǎng)了使用壽命，具有傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，采用兩個(gè)DC /DC 支路同為Buck 型降壓電路、電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)支路電流調(diào)節(jié)、PWM( Pulse Width Modulation) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、霍爾電流傳感器并輔以調(diào)整、比較、延時(shí)等電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。所設(shè)計(jì)的驅(qū)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(hào)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(hào)PWM1,其占空比決定支路1 的輸出電壓; ( 3)為均流控制信號(hào)PWM3.系統(tǒng)工作原理是： 利用兩PMOS( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關(guān)( Electronic switch 1、Electronic switch 2) 實(shí)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，通過霍爾電流傳感器并輔以調(diào)整、比較、延時(shí)等電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

2. 1 DC/DC Buck 型穩(wěn)壓電路

兩個(gè)DC /DC 支路采用PWM( Pulse Width Modulation) 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(chǔ)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(dòng)的直流電源能量斷續(xù)地經(jīng)過開關(guān)管，暫時(shí)以磁場(chǎng)能形式存儲(chǔ)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(dòng)較小的直流電壓，實(shí)現(xiàn)DC /DC 變換。

PMOS 管型號(hào)為SI4405,PMOS 驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(jì)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(jì)中取為20 kHz;

2) 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，通過計(jì)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(shí)間內(nèi)，調(diào)整輸出電壓至所需的穩(wěn)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 電子開關(guān)，利用ARM7 輸出一個(gè)50%占空比的方波信號(hào)( PWM3) 控制一路PMOS 電子開關(guān)，同時(shí)利用該方波信號(hào)的反相信號(hào)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(shí)間，進(jìn)而可實(shí)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(cè)量LED 電流，它是利用霍爾效應(yīng)制成的傳感芯片，最大可測(cè)電流為20 A,滿足白光LED 照明時(shí)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(cè)電流間的反應(yīng)靈敏度較低，故設(shè)計(jì)了一個(gè)靈敏度增強(qiáng)電路，主放大器為L(zhǎng)M358,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(shí)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(shí)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(hào)通過比例放大、電壓比較后產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)繼電器的信號(hào)。2) 如果電流超過LED 承受能力，則比較器輸出高電平，此時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)器2 立即動(dòng)作，同時(shí)將DC /DC 主電路的K1和負(fù)載回路的K2 斷開( 避免DC /DC 儲(chǔ)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(dòng)器2 無(wú)法使K1 和K2 繼續(xù)斷開。為更長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)電子線路不受損壞，設(shè)計(jì)中加入了延時(shí)保護(hù)電路，即當(dāng)電壓比較器輸出高電平時(shí)( 繼電器驅(qū)動(dòng)器2 已工作) ,向一個(gè)儲(chǔ)能電容充電( 由于充電時(shí)間常數(shù)小，充電過程很短) .當(dāng)繼電器驅(qū)動(dòng)器2 停止工作時(shí)，該充電電容通過放電作用會(huì)使繼電器驅(qū)動(dòng)器1 在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)動(dòng)作，從而保持K1 和K2 持續(xù)斷開，形成延時(shí)保護(hù)( K1 和K2 由繼電器驅(qū)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) .4) 當(dāng)繼電器驅(qū)動(dòng)器1 或2 工作時(shí)，可點(diǎn)亮LED,發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

5) 當(dāng)繼電器驅(qū)動(dòng)器1 和2 均不工作時(shí)，繼電器開關(guān)K1 和K2 吸合，LED 報(bào)警燈滅，實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)。