鄧 云

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，廣西 南寧，530226）

LED閃光燈電源的研究與設(shè)計(jì)*

鄧 云

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，廣西 南寧，530226）

該文設(shè)計(jì)了一種高效率的恒流電源，將電池電能通過DC/DC升壓、單片機(jī)調(diào)節(jié)控制和恒流驅(qū)動(dòng)等方式，實(shí)現(xiàn)多檔位恒流驅(qū)動(dòng)LED功能。實(shí)驗(yàn)表明，該恒流電源輸出電流相對(duì)誤差小于1%，輸出電流200mA、輸出電壓10V時(shí)，效率86%，滿足恒流電源預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

恒流電源；LED；DC/DC升壓

引言

根據(jù)LED的U/I特性曲線可知，在LED正向?qū)ǖ那闆r下，微小的電壓變化會(huì)引起較大的電流變化，意味著LED的動(dòng)態(tài)阻抗較小，LED更適合用恒流電源驅(qū)動(dòng)，因此，在一些需要攜帶LED照明的特定場合，研究電池恒流驅(qū)動(dòng)LED具有一定的應(yīng)用價(jià)值。2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽題目“LED閃光燈的電源設(shè)計(jì)”就是要求設(shè)計(jì)基于DC/DC升壓的高效率恒流電源。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 電路總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、升壓控制電路、場效應(yīng)管輸出控制電路、電流檢測電路、恒流驅(qū)動(dòng)控制電路、過載報(bào)警電路和LCD顯示等模塊組成，電路總體框圖如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)高效率的直流恒流電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)需要能夠完成高轉(zhuǎn)換效率的DC/ DC升壓控制電路，通過DC/DC變換器將外部電源輸入的3～3.6V低壓升高至10.3V輸出，用戶可以通過鍵盤選擇切換至不同電流輸出模式，然后通過電流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出，以供負(fù)載使用?？刂葡到y(tǒng)選用簡單易用的51單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，主要功能包括：具有連續(xù)和脈動(dòng)兩種輸出模式，連續(xù)模式下有100、150、200mA三檔，脈沖模式下有300、450、600mA三檔，當(dāng)輸出電流為200mA檔位時(shí)，輸出電壓為10V，效率不低于80%，具有負(fù)載過載報(bào)警功能。

圖1 LED閃光燈電源框圖

1.2 DC/DC電源升壓電路

DC/DC電源升壓電路主要由TP3605芯片、肖特基二極管D1和高頻電感L1等元件構(gòu)成，電路工作原理圖如圖2所示。TP3605輸入電壓范圍是2.5～5.5V，輸出電壓范圍是2.5V～24V，最大輸出電流1.2A，內(nèi)部集成2.1A/200mΩ主開關(guān)、上下橋MOS，工作頻率為1MHz，最高效率可達(dá)94%。

圖2 升壓DC/DC電路

TP3605的1腳輸出高頻方波信號(hào)，用于控制電感L1的儲(chǔ)能與釋能，當(dāng)1腳為低電平時(shí)，二極管D1截止，電感L1開始儲(chǔ)能，電容C2負(fù)責(zé)向負(fù)載電路供電，輸出電壓呈下降趨勢；當(dāng)1腳輸出高電平時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，外部輸入電壓UIN疊加儲(chǔ)能電感L1的電壓同時(shí)向電容C2和負(fù)載供電，輸出電壓呈上升趨勢。由于TP3605工作在1MHz的高頻開關(guān)狀態(tài)，輸出端電壓最終會(huì)維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電壓值。TP3605的第3腳是內(nèi)部誤差電壓放大器反饋輸入端，F(xiàn)B引腳對(duì)地電壓為0.6V，輸出電壓VOUT=0.6*(R1/R2)+1，因此，輸出電壓可以通過調(diào)整電阻R1與R2的比值來獲得。

圖3 恒流控制電路

1.3 恒流控制電路

恒流控制電路主要由取樣電阻R3、場效應(yīng)管IRF640和集成運(yùn)放LM358等元件組成，電路如圖3所示。運(yùn)放LM358工作于放大狀態(tài)，利用運(yùn)放虛短的特點(diǎn)，其同相端電壓和反相端電壓幾乎相等，且流經(jīng)反相端的電流幾乎為零，因此，取樣電阻R3兩端電壓UR3等于外部輸入U(xiǎn)IN，另外，場效應(yīng)管源極與漏極電流相等，既流經(jīng)負(fù)載RL與取樣電阻R3的電流相等，輸出電流IL=IR3=UIN/R3，由此可知，流經(jīng)負(fù)載電流只受外部輸入電壓UIN和取樣電阻R3共同決定，即實(shí)現(xiàn)恒流輸出控制。

1.4 電流檔位控制電路

本系統(tǒng)共有六個(gè)電流檔位，連續(xù)模式下有100、150、200mA三檔，脈沖模式下有300、450、600mA三檔，因此，為了提高各種模式下輸出電流的精度，每一種工作模式都采取獨(dú)立控制的方式，利用4067作為模式選擇電子開關(guān)，其引腳的A、B、C、D為支路選擇控制端，通過單片機(jī)編程控制實(shí)現(xiàn)工作模式選擇。電流檔位控制硬件電路如圖4所示。

1.5 超限報(bào)警電路

當(dāng)?shù)刃е绷髫?fù)載電阻過大導(dǎo)致輸出電壓超過10.3V時(shí)，蜂鳴器將發(fā)出聲響報(bào)警。由于輸出端負(fù)載浮地，為了獲得負(fù)載兩端電壓，需要采用差分電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測，放大倍數(shù)為原信號(hào)電壓的一半，既對(duì)輸出信號(hào)電壓做二分之一衰減處理，以便送入電壓比較器與參考電壓做比較，當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定值10.3V時(shí)，電壓比較器輸出高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，發(fā)出聲響報(bào)警。

2 測試結(jié)果

2.1 連續(xù)輸出電流測試

在輸出端外接一個(gè)滑動(dòng)變阻器作為負(fù)載電阻，利用電流表串聯(lián)測量支路電流，然后分別選擇不同連續(xù)輸出電流檔位進(jìn)行測試，記錄結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1測量結(jié)果可知，輸出電流相對(duì)誤差均小于1%，達(dá)到預(yù)期設(shè)定目標(biāo)。

圖4 檔位選擇控制電路

表1

2.2 效率測試

選擇輸出200mA電流檔位，接入50歐姆負(fù)載電阻，既輸出電壓UOUT=10V，此時(shí)的輸出功率POUT=UOUT*IOUT=10V*0.2A=2W，然后，利用萬用表分別測量實(shí)際輸入電壓Uin和實(shí)際輸入電流Iin，即可獲得實(shí)際輸入功率PIN=Uin*Iin，根據(jù)效率計(jì)算公式可得η=POUT/ PIN*100%，實(shí)際測量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2可知，在連續(xù)輸出200mA電流、10V電壓模式下，系統(tǒng)效率為86%，超過預(yù)定80%效率的目標(biāo)。

表2

2.3 脈動(dòng)輸出電流峰值測試

分別選擇300mA、450mA、600mA脈動(dòng)檔位輸出電流，輸出端接10歐姆固定負(fù)載電阻，由于輸出信號(hào)為脈動(dòng)模式，因此，需要通過示波器測量固定負(fù)載電阻兩端電壓UOUT波形，然后利用公式IOUT=UOUT/R間接計(jì)算輸出電流大小。實(shí)際測量數(shù)據(jù)如表3所示，根據(jù)表3可知，在脈動(dòng)輸出電流模式下，峰值電流相對(duì)誤差均小于5%，間歇電流小于1mA，均滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)。

表3

3 結(jié)束語

經(jīng)過系統(tǒng)方案研究、電路設(shè)計(jì)和軟件編程等步驟完成了LED閃光燈電源的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)現(xiàn)了電池電壓源到電流源的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)電路能夠直接驅(qū)動(dòng)LED閃光燈，輸出電流帶有LCD液晶顯示，通過鍵盤可以調(diào)節(jié)電流輸出模式。該電路經(jīng)過上電測試及綜合數(shù)據(jù)分析，電路連續(xù)電流輸出、脈動(dòng)電流輸出、200mA電流輸出的整機(jī)效率和電壓超限報(bào)警等功能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。同時(shí)，與之相關(guān)的設(shè)計(jì)作品“LED閃光燈的電源設(shè)計(jì)”也獲得了2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽全國一等獎(jiǎng)。

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Research and Design on the Power Supply of LED Flashlight

Deng Yun
(Department of Computer and Electronic Information Engineering, Guangxi Vocational & Technical College, Nanning, Guangxi, 530226)

This paper designs a high-efficient power supply with constant current, in which the LED function driven by multi-switching constant current is realized by boosting DC/DC voltage of electric energy, adjusting of micro-controller and constant current drive. The results of the experiment show that the related error of the output current of this power supply is below 1 %, when the output current is 200mA and the output voltage is 10v, the efficiency is 86 %, which meets with the expected design index of constant current.

constant current; LED;DC/DC voltage boosting

TM923.02

A

1674-3083（2016）06-0023-04

2016-11-03

廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（161215）。

鄧云（1983—），男，廣西全州人，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)教學(xué)與研究。