蔣保濤,周莉莉

摘 要:無機(jī)電致發(fā)光是一項(xiàng)新興的顯示技術(shù),由它所代表的冷光技術(shù)具有發(fā)光面積大,發(fā)光柔和均勻、重量輕、耗電量少、厚度薄且具有彎曲彈性等優(yōu)點(diǎn),因此應(yīng)用非常廣泛,但無機(jī)電致發(fā)光的微觀世界難以直接觀測(cè)。在此設(shè)計(jì)一款測(cè)試電源,通過測(cè)試?yán)涔馄尿?qū)動(dòng)電壓、電流等參數(shù)指標(biāo),為分析發(fā)光機(jī)理提供一定的依據(jù)。方法是利用單片機(jī)控制和功率變換技術(shù),設(shè)計(jì)出電壓、頻率、占空比均可調(diào)的測(cè)試電源。通過測(cè)量?jī)煞N型號(hào)的發(fā)光片,證實(shí)該電源工作穩(wěn)定,性能可靠,能夠應(yīng)用于無機(jī)電致發(fā)光材料的研究性測(cè)試和應(yīng)用型測(cè)量。

關(guān)鍵詞:無機(jī)電致發(fā)光;降壓斬波;全橋變換;測(cè)試手段

中圖分類號(hào):TN402,TN4022文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-205-04

Development of Inorganic Electro-luminescence Measuring Power Supply

JIANG Baotao,ZHOU Lili

(Wuhan Vocational College of Software Engineering,Wuhan,430205,China)

Abstract:Inorganic electro luminescence is a rising display technology.The luminescence technology has many merits which include large light area,softness and uniformity light,gently weight,little energy cost,thin thickness,flexion and flexibility.So it can be applied widely.But the microcosm of inorganic electroluminescence cannot be directly observed.A power that can do the analysis of luminescence mechanism through measuring its driving voltage and current is designed.Technique of the design includes the use of single computer control and power convert technology.Through the test of two type luminescent film,it has been proved that the power works stably and reliably,and can be used in research testing and application-oriented measurement on inorganic electro luminescence stuff.

Keywords:inorganic electro luminescence;buck chopper;full-bridge converter;measuring methods

0 引 言

無機(jī)薄膜電致發(fā)光[1]是高場(chǎng)發(fā)光,迄今最有效的無機(jī)電致發(fā)光薄膜材料是Ⅱ-Ⅵ族化合物,如ZnS,SrS(CaS)等[2]。到目前為止,無機(jī)電致發(fā)光冷光片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活中,但它的發(fā)光機(jī)理、光電特性、發(fā)光性能尚需深入研究。為此,這里研究的重點(diǎn)內(nèi)容是設(shè)計(jì)一款電壓、頻率、占空比均可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電源,用于測(cè)試EL冷光片,以便找到檢測(cè)檢測(cè)冷光片質(zhì)量的快捷方法,并可以探討發(fā)光機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 電源設(shè)計(jì)綜合指標(biāo)

在參考各冷光片驅(qū)動(dòng)電源制作廠家的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上,給出如下EL冷光片測(cè)試電源設(shè)計(jì)指標(biāo):

(1) 輸出峰值電壓:Vp=0~200 V連續(xù)可調(diào);

(2) 輸出峰值電流:Ip<2 A;

(3) 交變頻率:f為20 Hz~2 kHz連續(xù)可調(diào);

(4) 輸出功率:P0<400 W;

(5) 占空比D為5%~45%連續(xù)可調(diào)。

為了提高電源整機(jī)效率,必須減小功率器件的開關(guān)損耗。作為負(fù)載,冷光片表現(xiàn)為容性,因此過流保護(hù)反應(yīng)時(shí)間要短,保護(hù)后手工復(fù)位,以免將冷光片燒壞。

2 主電路結(jié)構(gòu)

主電路包括:斬波調(diào)壓和全橋變換電路,其電路如圖1所示。

開關(guān)管元件具有許多種類[3],如雙極型晶體管Tr、快速晶閘管SCR、可關(guān)斷晶閘管GTO、場(chǎng)效應(yīng)管Mosfet和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。根據(jù)電源設(shè)備輸出功率的要求,開關(guān)元件選擇500 V,21 A的Mosfet管IRF460,它的導(dǎo)通與關(guān)斷皆為電壓控制,開關(guān)速度快,導(dǎo)通電阻小(Rd=0.2 Ω),即開關(guān)與導(dǎo)通的損耗小。

L1為儲(chǔ)能電感,在斬波管關(guān)斷時(shí)向負(fù)載提供能量,同時(shí)在斬波管導(dǎo)通時(shí)具有平波作用,使加在全橋變換電路上的電壓為穩(wěn)定的直流電壓。經(jīng)過試驗(yàn),繞制5 mH電感可以符合電路性能要求,同時(shí)也可以滿足在負(fù)載發(fā)生短路時(shí),電流增長(zhǎng)率較低,能夠及時(shí)進(jìn)行短路保護(hù),使各元器件不被損壞。

D6為續(xù)流二極管,在斬波管關(guān)斷時(shí),提供電流的回路。選用HER307快速二極管,耐壓1 000 V,電流3 A,可以滿足電路性能要求。D1~D5為保護(hù)各開關(guān)管的續(xù)流二極管,選用HER107。

圖1 功率變換主電路

3 輔助電路結(jié)構(gòu)

3.1 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將脈寬控制器輸出的脈沖進(jìn)行功率放大,為高壓功率開關(guān)器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào),同時(shí)將控制電路與主電路進(jìn)行隔離。由于它所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到功率開關(guān)器件的飽和壓降,存儲(chǔ)時(shí)間、開通和關(guān)斷瞬間集電極電壓電流上升下降速率等運(yùn)行特性,從而將直接影響其損耗和發(fā)熱。因此,驅(qū)動(dòng)電路是決定電源優(yōu)劣的要素之一。

MOS管是電壓控制型器件,由于輸入電容Ciss的存在(較大容量的MOS管其輸入電容達(dá)到10 000 pF以上),且由于MOS管的功率容量不夠大,每個(gè)橋臂常需要多管并聯(lián)工作,因此要求驅(qū)動(dòng)電源有相當(dāng)大的驅(qū)動(dòng)能力[4]。大容量MOS管的兩個(gè)基本要求[5]:

(1) 脈沖前沿陡峭;

(2) 觸發(fā)脈沖后沿到來時(shí),柵源電容上的電荷迅速泄放。MOS管的開通過程,就是MOS管輸入電容充電過程,開通脈沖前沿的陡峭程度取決于Ciss的充電速度,因此要求驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流要足夠大,內(nèi)阻應(yīng)盡可能取小。

從電路隔離方式看,MOS管驅(qū)動(dòng)器可分成兩大類[6],一類采用脈沖變壓器,另一類采用光電耦合器,兩者均可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸及電路的隔離。

采用如圖2所示的光耦驅(qū)動(dòng)電路。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn), IRF460的輸入電容Ciss=6 000 pF比較大,驅(qū)動(dòng)的下降沿不理想,有接近1 μs的拖尾臺(tái)階。驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示。

為了減小驅(qū)動(dòng)拖尾,做如下改動(dòng):將VCC提高到3.1 V,同時(shí)驅(qū)動(dòng)的低電位輸出端接在3.1 V穩(wěn)壓管的陽極。改動(dòng)后的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示,電路如圖5所示。

圖2 改前光耦驅(qū)動(dòng)電路

圖3 改前驅(qū)動(dòng)波形

圖4 改后驅(qū)動(dòng)波形

圖5 改后驅(qū)動(dòng)電路

3.2 緩沖電路參數(shù)確定

從Mosfet管的安全角度分析,關(guān)斷過程是高壓開關(guān)管容易損壞的時(shí)間。在主電路上存在的儲(chǔ)能電感、線路分布電感等雜散電感,在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)將儲(chǔ)存的能量釋放,與關(guān)斷電壓一起形成漏極關(guān)斷尖峰電壓。該尖峰電壓若不加以箝位和吸收,則極易損壞開關(guān)管。

通常,在開關(guān)器件漏極與源極間反向并聯(lián)續(xù)流二極管,并加裝RCD吸收來構(gòu)成緩沖環(huán)節(jié)[7]。在實(shí)際電路中,采用如圖6所示的RCD緩沖器接在Mosfet的D,S兩端。在開關(guān)管關(guān)斷瞬間,電流通過二極管D1向電容C1充電。這樣漏極電流有了分路,電流就能被較快的減小,減少了關(guān)斷時(shí)的漏極損耗。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),C1通過電阻R1放電。

由于斬波管開關(guān)頻率為20 kHz,開關(guān)速度較快,所以這里討論斬波管的緩沖電路開關(guān)管上的吸收電容和吸收電阻的算法。

在關(guān)斷時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(能量相等原則)[8]:

(ICUCE/2)(tru+tfi)=(1/2)CU2CE

得:

C=[IC(tru+tfi]/UCE

在選擇RC時(shí),使電容在每次導(dǎo)通時(shí)間ton中,可以完全放電。一般取3倍時(shí)間參數(shù)可放完電,則:3RC=ton,R=ton3C。

圖6 開關(guān)管緩沖電路

所取電阻值受到放電電流的限制,有:

Idis=UCE/R

計(jì)算電阻的功耗:

PR=12CU2CEF

通過以上公式計(jì)算,結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)整各參數(shù),最終確定電容C取0.01 μF,耐壓450 V;電阻取500 Ω,功率為3 W。試驗(yàn)結(jié)果表明,電源帶負(fù)載運(yùn)行時(shí),開關(guān)管溫升小,緩沖電路的電容、電阻的溫升也在正常范圍內(nèi)。

3.3 峰值電壓采樣電路

由于冷光片發(fā)光的亮度很大程度決定于所加的峰值電壓,故這里采用峰值電壓顯示。由于采用LED顯示,采樣電壓值為0～5 V時(shí),對(duì)應(yīng)顯示的范圍為0～200 V。主電路輸出為交流負(fù)載電壓,所以采樣之前要進(jìn)行整流。實(shí)際工作電路如圖7所示。

3.4 過流保護(hù)電路

過流保護(hù)[8]就是當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電流值超過給定值時(shí),保護(hù)電路輸出過流信號(hào),封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào),使斬波管驅(qū)動(dòng)電壓為0,關(guān)斷斬波管,切斷過流故障,這里主要采用峰值電流保護(hù)。采用電流互感器作為取樣單元,根據(jù)冷光片的驅(qū)動(dòng)電源的特點(diǎn),采用峰值電流取樣。峰值電流過流保護(hù)電路如圖8所示。

圖7 峰值電壓采樣電路

圖8 峰值過流保護(hù)電路

3.5 輔助電源設(shè)計(jì)

輔助電源提供各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路和控制板的電源。對(duì)于全橋調(diào)頻管來說,其對(duì)角線的兩個(gè)開關(guān)管必須同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷,所以對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路的同步性要求較高,因此它們的供電電源的質(zhì)量較好。這里用兩路隔離輸出的開關(guān)電源為其供電,電路如圖9所示。另通過一個(gè)小變壓器整流、濾波、穩(wěn)壓后為控制板供電。由于斬波管的電源不能與以上兩種電源共地,所以必須再用一個(gè)小變壓器,整流濾波后為斬波驅(qū)動(dòng)電路供電。

圖9 調(diào)頻管驅(qū)動(dòng)供電電路

4 調(diào)試過程中遇到的問題及解決辦法

在實(shí)際調(diào)試過程中遇到許多問題,這里將幾個(gè)典型的問題提出來討論。

(1) 驅(qū)動(dòng)板中驅(qū)動(dòng)信號(hào)諧波成分較大,其原因是多方面造成的,如開關(guān)管的快速開通和關(guān)斷產(chǎn)生dV/dt噪聲,強(qiáng)弱電間的電磁干擾,兩路驅(qū)動(dòng)共地等。在這里將主電路的走線和驅(qū)動(dòng)板中的走線按垂直方向排列。這樣,強(qiáng)電的磁力線能穿過弱電回路的幾率就小了,在弱電回路中產(chǎn)生的感生干擾電壓也就小。

(2) 由于冷光片作為負(fù)載,在做循環(huán)頻率調(diào)節(jié)時(shí),電源加到負(fù)載上的電壓會(huì)隨頻率的變化而變化,這樣就不能測(cè)試在峰值電壓穩(wěn)定的情況下頻率與亮度的關(guān)系。所以,要求不同的頻率下要能夠?qū)⒇?fù)載電壓穩(wěn)住。這里加裝PI調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)思路是:由PIC控制芯片產(chǎn)生0～5 V的可調(diào)電壓。利用TL494芯片[9]的反饋控制端,接成PI調(diào)節(jié)控制電路[10]。其電路如圖10所示。

圖10 PI調(diào)節(jié)器

Vf為反饋輸入,它是從主電路分壓采樣得到的。Vg為PIC芯片設(shè)定電壓值,PIC芯片輸出PWM信號(hào),通過光耦隔離后輸入積分電路來調(diào)整TL494的PWM輸出的脈寬。通過調(diào)試各電阻、電容參數(shù),使PWM脈寬調(diào)整速度合適。最終獲得穩(wěn)定的輸出電壓。

5 結(jié) 語

采用武漢東方冷光有限公司生產(chǎn)的冷光片和深圳詳光電子有限公司生產(chǎn)的冷光片為測(cè)試對(duì)象。試驗(yàn)證明,所設(shè)計(jì)的測(cè)試電源工作穩(wěn)定,性能可靠。能夠應(yīng)用于無機(jī)電致發(fā)光材料的研究型測(cè)試和應(yīng)用型測(cè)量。

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