大功率白光LED“高效均流”并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)節(jié)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(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：VisibleLightCommunication）也是近年來新興的一種短途無線通信技術(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)。

　　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（PulseWidthModulation）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-channelMetal-Oxide-Semiconductor）電子開關(guān)（Electronicswitch1、Electronicswitch2）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)。

　　系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

　　2.1DC/DCBuck型穩(wěn)壓電路

　　兩個(gè)DC/DC支路采用PWM（PulseWidthModulation）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20kHz；

　　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20A，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)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

　　3.1大功率白光LED與高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)的集成

　　為測(cè)試所制作的雙DC/DC并聯(lián)供電系統(tǒng)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(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試，LED的照片如圖4所示。將大功率白光并聯(lián)供電系統(tǒng)、大功率白光LED、數(shù)據(jù)編碼模塊、Bias-Tee耦合模塊以及按鍵/指示燈等進(jìn)行了系統(tǒng)集成，研制了兼具照明與通信雙重功能的通信裝置（見圖4b）.利用該裝置，對(duì)給出的并聯(lián)供電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

　　3.2照明狀態(tài)時(shí)的均流特性實(shí)驗(yàn)

　　通過按鍵分別設(shè)定驅(qū)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(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　定義輸出電壓誤差

　　其中U0，exp為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出電壓，U0，the為理論設(shè)定的輸出電壓。定義兩支路電流偏差

　　由表1可見，測(cè)得的實(shí)際電壓與設(shè)定值相比，3次測(cè)量的誤差小于2%，兩支路電流的偏差小于1%，實(shí)現(xiàn)了很好的穩(wěn)壓與均流效果。

　　3.3照明狀態(tài)時(shí)的電源效率實(shí)驗(yàn)

　　定義供電電源的效率為

　　其中Ii和Ui分別該系統(tǒng)的輸入電壓和輸入電流。在表1所示的3種驅(qū)動(dòng)情況下，分別測(cè)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(jì)算出供電效率，其結(jié)果如表2所示。當(dāng)電源輸出電壓較小時(shí)，電源的效率較小，當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，電源效率增大，可達(dá)80%以上。

　　3.4可見光通信狀態(tài)時(shí)輸出電壓的線性區(qū)測(cè)試

　　當(dāng)白光LED處于通信模式時(shí)，為保證通信質(zhì)量，需要提供穩(wěn)定、線性的驅(qū)動(dòng)電壓。為驗(yàn)證該供電系統(tǒng)的線性特性，將其用來驅(qū)動(dòng)白光LED，同時(shí)使用可見光PIN探測(cè)器測(cè)試了探測(cè)器的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PIN探測(cè)器輸出電壓隨白光LED驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于1.6V時(shí)，白光LED進(jìn)入非線性工作區(qū)。因此，當(dāng)將該供電電源驅(qū)動(dòng)白光LED進(jìn)行可見光通信時(shí)，應(yīng)使其輸出電壓（亦即Bias-Tee的直流輸入電壓）調(diào)整至線性區(qū)中間點(diǎn)（亦稱為線性工作點(diǎn)），約為2.7V。

　　3.5動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

　　當(dāng)使用該雙DC/DC并聯(lián)供電電源驅(qū)動(dòng)白光LED時(shí)，筆者研究了當(dāng)電源上電和關(guān)電時(shí)，LED兩端電壓的瞬時(shí)變化特性，測(cè)量結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?，由于DC/DC電源輸出端電容的儲(chǔ)能作用，輸出電壓在上電和關(guān)電時(shí)并不存在尖峰和毛刺現(xiàn)象，因此，不會(huì)損壞LED.另外，從響應(yīng)曲線可以看出，當(dāng)電壓從0上升至穩(wěn)定的1.6V時(shí)，上升時(shí)間約為20s，關(guān)電降至0的下降時(shí)間約為65s。

　　3.6對(duì)比討論

　　在僅保留一個(gè)DC/DC支路工作時(shí)，就構(gòu)成了單支路供電電源系統(tǒng)。針對(duì)單支路供電系統(tǒng)和雙支路供電系統(tǒng)，筆者通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示，設(shè)定輸入電壓為12V，輸出電壓為3.0V。從效率來講，由于雙支路使用了更多的電學(xué)元件，這將耗散更多的功率，其效率比單支路電源系統(tǒng)略低。

　　然而，雙支路中各DC/DC支路交替工作，各支路耗散的功率僅為單支路的一半。由于器件的壽命與耗散功率有關(guān)，且功率越大，壽命越短，因此，在正常工作方式下，雙支路電源系統(tǒng)的壽命將比單支路電源系統(tǒng)的壽命長(zhǎng)。

　　結(jié)語

通過對(duì)兩個(gè)Buck型DC/DC電路進(jìn)行并聯(lián)，并結(jié)合PID控制算法，設(shè)計(jì)并研制了一種用于驅(qū)動(dòng)大功率白光LED的高效均流供電系統(tǒng)，并