基于雙同步斬波模式的LED聲控燈驅動(dòng)電源設計

摘要 提出了基于雙同步斬波模式的微功耗LED聲控燈驅動(dòng)電源設計方法。該驅動(dòng)電源用一個(gè)單片機控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)管分別為主電源和待機電源提供工作電流。主電源采用全波斬波工作模式為LED燈組提供工作電流;待機電源采用半波斬波工作模式，從而大幅降低了待機功耗。該驅動(dòng)電源結構簡(jiǎn)單，可在50～60 Hz頻率的180～250 V的寬電壓范圍內工作，具有恒流驅動(dòng)功能和微功耗特性，且穩定可靠和較高的性?xún)r(jià)比。

關(guān)鍵詞 同步斬波;微功耗;LED;寬電壓;恒流驅動(dòng)

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)因具有節能、環(huán)保、壽命長(cháng)、高效等特點(diǎn)，在照明領(lǐng)域得到了廣泛應用。由于聲控燈的聲音采集部分全天都處于待機狀態(tài)，待機電源的功率損耗造成電能浪費。目前的聲控燈待機電源多采用電阻和穩壓管組成簡(jiǎn)單的降壓電路為聲音采集部分提供工作電流，這種方式將220 V交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后，通過(guò)一個(gè)阻值較大的電阻降壓后，由穩壓二極管為麥克風(fēng)和運放提供穩定的工作電壓，在電阻上消耗的功率較大，待機時(shí)的功率浪費較大。

本文利用低功耗MK6A12單片機和運放HA17358設計了一種可同時(shí)使兩部分電路進(jìn)入同步斬波模式工作的LED聲控燈驅動(dòng)電源。主電源采用全波斬波工作模式為L(cháng)ED燈組提供工作電流;待機電源部分通過(guò)采用半波斬波工作模式使待機損耗大幅降低。這種驅動(dòng)電源結構簡(jiǎn)單，可在50～60 Hz頻率的180～250 V寬電壓范圍內工作，有恒流驅動(dòng)功能，且穩定可靠。

1 雙同步斬波式LED驅動(dòng)電源設計

1.1 整體框圖

LED驅動(dòng)電源總體設計框圖如圖1所示。電路主要由開(kāi)關(guān)管、儲能電容、單片機、運放以及光耦等構成。

1.2 電路的組成

驅動(dòng)電源工作原理如圖2所示。電路分為兩路，一路是經(jīng)全波整流后由LED燈組、開(kāi)關(guān)管、運放和光耦組成的主電源部分;另一路是經(jīng)半波整流后由開(kāi)關(guān)管和穩壓管組成的待機電源部分，待機電源采用半波斬波工作方式為單片機和聲音采集提供工作電流。同時(shí)，單片機對半波斬波部分進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測，從而控制全波斬波部分的斬波時(shí)間。由于聲控燈對聲音進(jìn)行24 h不間斷檢測，所以單片機與聲音采集部分24 h待機，在待機電源部分采用半波斬波工作模式，相比簡(jiǎn)單的電阻降壓電路，待機功耗大幅降低。

主電源部分C1為儲能電容，R1為電流取樣電阻，R2為保護用限流電阻;輔助電源電路部分C2為儲能電容，R4為保護用限流電阻，單片機檢測R5兩端電壓然后控制開(kāi)關(guān)管的導通與截止。

1.3 工作原理

待機電源部分驅動(dòng)電源工作波形如圖3所示。

交流電經(jīng)過(guò)半橋整流后通過(guò)R4、穩壓管D3和r5進(jìn)行分壓，Q2導通，給C2充電，PB1設為輸入口開(kāi)始檢測，t1時(shí)刻PB1檢測到高電平時(shí)將PB1變?yōu)檩敵隹诓⒀舆t1 ms，t2時(shí)刻單片機PB1關(guān)閉，Q2截止，C2開(kāi)始放電，延遲7 ms后，t3時(shí)刻PB1再次打開(kāi)設為輸入口，給C2進(jìn)行快速充電。通過(guò)兩次陜速充電，減小了瞬時(shí)電流的峰值。

PB1口控制Q2通斷，同時(shí)檢測過(guò)零點(diǎn)。t3時(shí)刻，PB1設為輸入口進(jìn)行檢測，R5兩端的電壓與B點(diǎn)電壓變化趨勢相同，t4時(shí)刻，PB1檢測到R5兩端的電壓為低電平，這一時(shí)刻的電壓值接近零，單片機將t4時(shí)刻記為過(guò)零點(diǎn)。單片機通過(guò)在半波斬波部分檢測到過(guò)零點(diǎn)，對全波斬波部分進(jìn)行控制。

主電源部分驅動(dòng)電源工作波形如圖4所示。

交流電經(jīng)過(guò)全波整流后給LED燈組提供電流，C1充電，PB2口輸出高電平，同時(shí)PB5開(kāi)始檢測光耦4腳的電壓，t1時(shí)刻R1兩端電壓>1 V，光耦4腳電壓被拉低，PB5檢測到低電平，PB2輸出低電平給運放的5腳，使Q1截止，C1開(kāi)始放電。t2時(shí)刻PB1開(kāi)始檢測過(guò)零點(diǎn)，t3時(shí)刻檢測到過(guò)零點(diǎn)時(shí)，PB2輸出高電平，再次給C1充電，PB5繼續檢測光耦4腳的電壓，t3時(shí)刻光耦4腳電壓再次被拉低，PB2輸出低電平，Q1截止，C1開(kāi)始放電。

由圖2可知，由于運放6腳的電壓值最高不會(huì )超過(guò)單片機的工作電壓，所以流過(guò)R3的電流可以計算出最大值

式中，Imax為流過(guò)R3的最大電流，Umax為單片機的工作電壓。由于流過(guò)R3的電流即為C1的充電電流，所以C1上的最大充電電流不會(huì )超過(guò)1.7 A，減小了對儲能電容C1和開(kāi)關(guān)管Q1的沖擊。

1.4 實(shí)測結果

圖5和圖6分別為輸入電壓為220 V交流電時(shí)待機電源和主電源的實(shí)際工作波形圖。

從圖5中可以看出，電容C2提供了一個(gè)紋波很小的10 V電壓，可以使運放和單片機正常工作，充電電流的最大峰值僅有25 mA，根據占空比得出待機的平均電流約為2 mA，待機功率約為20 mW，大幅降低了待機的功率損耗，每個(gè)周期進(jìn)行兩次充電，減小了瞬時(shí)充電電流的峰值，延長(cháng)了電路的使用壽命。從圖6中可以看出，光耦控制信號通過(guò)單片機使開(kāi)關(guān)管導通與關(guān)斷達到了斬波的效果，從電流波形可以看出斬波效果明顯，在電壓上升時(shí)產(chǎn)生充電電流，且充電貢獻明顯。

2 電源特性

2.1 恒流工作特性

由圖2可知，單片機的PB2口通過(guò)運放控制開(kāi)關(guān)管Q1的通斷，Q1導通時(shí)間越長(cháng)，輸出電壓越大，因此為了達到恒流特性，電流信號由取樣電阻R1轉換為電壓信號通過(guò)光耦反饋給單片機。當LED燈組電流增大，取樣電阻R1上分得的電壓增加，使光耦導通，單片機PB5口檢測到低電平后，控制開(kāi)關(guān)管Q1斷開(kāi)，使輸出電壓降低，從而實(shí)現恒流的目的。LED燈組的工作電流

式中，UF為光耦正向電壓，UF=1.2 V(標稱(chēng)值)，R為取樣電阻，R=R1=30 Ω時(shí)，LED燈組的工作電流ILED=IR1=40 mA。

2.2 寬電壓工作特性

圖7～圖9為不同輸入電壓時(shí)LED燈組兩端的電壓波形和整體電路的電流波形。

由上圖可知，輸入電壓分別為180 V、220 V和250 V時(shí)，LED燈組兩端總會(huì )得到穩定且紋波較小的180 V電壓，可以使燈組正常工作。在實(shí)驗過(guò)程中可以觀(guān)察到，輸入交流電在180～250 V的范圍內變化時(shí)，LED燈組都能穩定工作，儲能電容的充電電流隨著(zhù)電壓的不斷升高而增大，充電時(shí)間隨之減少，所以電流的導通角也能隨著(zhù)電壓的不斷升高而減小。這一現象表明，在實(shí)際應用過(guò)程中，當輸入電壓不穩定時(shí)，這種驅動(dòng)電源依然能夠通過(guò)對電流導通角的調節使LED燈組正常工作。

3 結束語(yǔ)

實(shí)驗結果表明，利用雙同步斬波式開(kāi)關(guān)工作的電源驅動(dòng)LED聲控燈時(shí)，具有恒流工作特性，在很大程度上延長(cháng)了LED燈的使用壽命，待機功耗僅為20 mW，具有良好的微功耗特性，能在180～250 V的寬電壓范圍內正常工作，且電路簡(jiǎn)單體積小，可在LED聲控燈領(lǐng)域得到廣泛應用。