大功率白光LED 高效均流并聯(lián)供電系統（一）

摘要： 為解決可見(jiàn)光通信系統中的白光LED( Light Emitting Devices) 光源高效穩定的直流偏置電源問(wèn)題，設計并研制了一種Buck 型雙DC/DC( Direst Cunent) 并聯(lián)供電系統。該系統采用ARM7( LPC2148) 作為主控制器，利用電壓反饋調整兩個(gè)DC/DC 模塊的PWM( Pulse Width Modulation) 驅動(dòng)信號的占空比實(shí)現穩壓，利用兩個(gè)PMOS ( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開(kāi)關(guān)分別控制兩個(gè)DC/DC 支路實(shí)現均流。實(shí)驗結果表明，電源實(shí)際輸出電壓與設定值的誤差小于2%,兩個(gè)支路電流的偏差小于1%,電源供電效率可達75% ~ 80%.在電源開(kāi)啟和關(guān)斷瞬間的瞬時(shí)測試結果顯示，驅動(dòng)電壓無(wú)尖峰現象，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(cháng)了供電系統的使用壽命。該供電系統在LED 照明和可見(jiàn)光通信設備中具有良好的應用前景，為設計多DC/DC 模塊的高效均流并聯(lián)供電系統提供了解決方案。

0 引言

隨著(zhù)人們對節能環(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(cháng)壽命的綠色光源白光LED 將逐漸替代傳統白熾燈和熒光燈等照明設備，成為下一代照明設備的首選。在照明的同時(shí)，利用白光LED 進(jìn)行室內外可見(jiàn)光通信( VLC: Visible LightCommunication) 也是近年來(lái)新興的一種短途無(wú)線(xiàn)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，實(shí)現了短距離數據傳輸。為了實(shí)現白光LED 的照明和通訊雙重功能，大電流、高效率、長(cháng)壽命的供電系統是關(guān)鍵，既要滿(mǎn)足高速可見(jiàn)光通信需求( 要求對LED 提供高速調制信號以形成MHz 的亮度調制) ,又要滿(mǎn)足大電流的視覺(jué)亮度需求( 即可對LED 提供穩定的直流工作點(diǎn))。合理的直流偏置可為L(cháng)ED 提供最佳的線(xiàn)性調制區，提高調制深度，進(jìn)而可改善通信性能。與線(xiàn)性電源相比，DC /DC( DirestCunent) 開(kāi)關(guān)電源具有效率高的優(yōu)勢，成為電源設計的首選。為滿(mǎn)足白光LED 的高效照明和高速通信的需要，同時(shí)也為延長(cháng)電源使用壽命，筆者設計并研制了一種推挽式高效均流雙DC /DC 并聯(lián)供電系統。

1 系統結構和原理

大功率白光LED 的供電系統需提供大電流并具備高穩定性，相比多支路并聯(lián)供電系統而言，在同等電流需求下，單支路供電系統需提供的電流更大，因此單支路型電源的壽命短。鑒于此，設計了雙支路DC /DC 并聯(lián)供電系統，兩個(gè)支路實(shí)現分流工作，既提高了效率，又延長(cháng)了使用壽命，具有傳統驅動(dòng)系統不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

設計方案如圖1 所示，采用兩個(gè)DC /DC 支路同為Buck 型降壓電路、電子開(kāi)關(guān)實(shí)現支路電流調節、PWM( Pulse Width Modulation) 驅動(dòng)信號占空比實(shí)現穩壓、霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時(shí)等電路實(shí)現過(guò)流保護。所設計的驅動(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(guò)流保護及自恢復模塊; ARM7( LPC2148) 主控模塊。圖1 中( 1) 為DC /DC 支路2 的控制信號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PWM1,其占空比決定支路1 的輸出電壓; ( 3)為均流控制信號PWM3.系統工作原理是： 利用兩PMOS( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開(kāi)關(guān)( Electronic switch 1、Electronic switch 2) 實(shí)現兩支路均流，通過(guò)采集輸出電壓并調節PWM1 和PWM2 的占空比實(shí)現穩壓，通過(guò)霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時(shí)等電路實(shí)現過(guò)流保護。

2 系統的模塊化設計

2. 1 DC/DC Buck 型穩壓電路

兩個(gè)DC /DC 支路采用PWM( Pulse Width Modulation) 控制的Buck 型降壓電路( 見(jiàn)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能特性，隨著(zhù)PMOS 管不停地導通和關(guān)斷，具有較大電壓波動(dòng)的直流電源能量斷續地經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管，暫時(shí)以磁場(chǎng)能形式存儲在電感器中，然后經(jīng)電容濾波得到連續的能量傳送到負載，得到脈動(dòng)較小的直流電壓，實(shí)現DC /DC 變換。

PMOS 管型號為SI4405,PMOS 驅動(dòng)器為ADP3624; PWM1、PWM2 為由ARM7 產(chǎn)生的頻率固定、占空比可調的方波信號，可分別調節兩DC /DC 支路的輸出電壓。為得到穩定的輸出電壓，采取如下設計方案：

1) 合理選擇PWM 頻率，有效降低輸出電壓的紋波系數，設計中取為20 kHz;

2) 當負載變化時(shí)，通過(guò)計算輸出電壓( 由AD 采樣獲得) 與目標值的差值大小，采用模糊PID( Proportion-Integral-Derivative) 算法，調節PWM1、PWM2 的占空比，在較短時(shí)間內，調整輸出電壓至所需的穩定值。

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(kāi)關(guān)，利用ARM7 輸出一個(gè)50%占空比的方波信號( PWM3) 控制一路PMOS 電子開(kāi)關(guān)，同時(shí)利用該方波信號的反相信號控制另一支路的PMOS 電子開(kāi)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) 測量LED 電流，它是利用霍爾效應制成的傳感芯片，最大可測電流為20 A,滿(mǎn)足白光LED 照明時(shí)所需的大電流要求。該器件內部集成精確的低偏置線(xiàn)性霍爾傳感電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片表面，通過(guò)該銅制電流路徑施加的電流能被集成霍爾芯片感應并轉化為比例電壓輸出。通過(guò)標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A(yíng)CS712-20A 的輸出電壓及被測電流間的反應靈敏度較低，故設計了一個(gè)靈敏度增強電路，主放大器為L(cháng)M358,該電路可將靈敏度提高約3.3 倍。利用AD 轉換芯片ADS1100 采集負載兩端電壓，實(shí)現反饋控制。

2. 3 過(guò)流保護及自恢復模塊

該并聯(lián)均流供電系統具有過(guò)流保護及自恢復功能，實(shí)現原理如圖3 所示。其工作過(guò)程如下。1) 將霍爾電流傳感器輸出的電壓信號通過(guò)比例放大、電壓比較后產(chǎn)生用于驅動(dòng)繼電器的信號。2) 如果電流超過(guò)LED 承受能力，則比較器輸出高電平，此時(shí)繼電器驅動(dòng)器2 立即動(dòng)作，同時(shí)將DC /DC 主電路的K1和負載回路的K2 斷開(kāi)( 避免DC /DC 儲能電容繼續向負載充電) ,形成雙重過(guò)流保護。3) 由于當DC /DC主電路以及負載回路關(guān)斷后，霍爾電流傳感器輸出電壓不能使比較器繼續輸出高電壓，所以繼電器驅動(dòng)器2 無(wú)法使K1 和K2 繼續斷開(kāi)。為更長(cháng)時(shí)間保護電子線(xiàn)路不受損壞，設計中加入了延時(shí)保護電路，即當電壓比較器輸出高電平時(shí)( 繼電器驅動(dòng)器2 已工作) ,向一個(gè)儲能電容充電( 由于充電時(shí)間常數小，充電過(guò)程很短) .當繼電器驅動(dòng)器2 停止工作時(shí)，該充電電容通過(guò)放電作用會(huì )使繼電器驅動(dòng)器1 在較長(cháng)的時(shí)間內繼續動(dòng)作，從而保持K1 和K2 持續斷開(kāi)，形成延時(shí)保護( K1 和K2 由繼電器驅動(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(kāi)) .4) 當繼電器驅動(dòng)器1 或2 工作時(shí)，可點(diǎn)亮LED,發(fā)出報警信號。

5) 當繼電器驅動(dòng)器1 和2 均不工作時(shí)，繼電器開(kāi)關(guān)K1 和K2 吸合，LED 報警燈滅，實(shí)現自恢復。