陳思遠(yuǎn)

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

一種LED閃光燈電源的設(shè)計(jì)

陳思遠(yuǎn)

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

文章以直流穩(wěn)流電源變換電路為核心，采用LT1170芯片構(gòu)成前端升壓電路，將電池的電能轉(zhuǎn)換成為恒流輸出；以光電耦合電路及差分放大器電路構(gòu)成電流反饋控制系統(tǒng)，來調(diào)節(jié)電路中電流，以達(dá)到穩(wěn)流效果。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)對(duì)電流進(jìn)行采樣，通過人機(jī)交互界面完成參數(shù)設(shè)置，設(shè)定相應(yīng)的電流檔位，在LCD上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。

閃光電源；直流穩(wěn)流電源變換；電流反饋；人機(jī)界面

1 系統(tǒng)方案

1.1 升壓電路方案

系統(tǒng)要求的輸入電壓為3.0～3.6 V，輸出電壓為10 V，效率不低于80%。本方案采用集成芯片構(gòu)成升壓電路。采用集成電路來實(shí)現(xiàn)，可以減少電路中元器件數(shù)量，避免了因電路功耗較大而引起的電流過小，效率低的問題。

以上設(shè)計(jì)考慮到了對(duì)升壓電路輸出穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)換效率要求，確保了系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠工作。

1.2 穩(wěn)流電路方案

穩(wěn)流電路的設(shè)計(jì)采用兩路分流法。只在四路分流中選擇兩路，在兩路分流的電流取樣之前分別加一個(gè)三極管，用于放大電流。這樣可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減少在電路中流失的功耗，從而使得轉(zhuǎn)換效率得以保證。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較，為了使得電路穩(wěn)定高效工作，減少電路耗材，采用方案二來實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)流。

1.3 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6，本芯片以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32系列控制芯片，其時(shí)鐘頻率為72 MHz，內(nèi)部資源豐富（DAC、多種定時(shí)器功能），能夠自定義低功耗模式，可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集和控制。其具有豐富的庫函數(shù)可供調(diào)用，簡(jiǎn)化了程序的開發(fā)過程。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示。系統(tǒng)通過穩(wěn)壓得到“+，-”8 V電壓作為差分放大器電源，另一路3.3 V電壓作為單片機(jī)電源，通過鍵盤輸入最終在LCD屏幕顯示，輸出電壓大于10.5 V時(shí)蜂鳴器報(bào)警。

2.2 穩(wěn)流電源設(shè)計(jì)方案

如圖2所示，系統(tǒng)共有兩種輸入模式，分別為直流和PWM輸入，MOSFET按照所設(shè)定的模式進(jìn)行開關(guān)工作，經(jīng)過光耦電路再接入三極管對(duì)電流值進(jìn)行放大，經(jīng)電流取樣，求得取樣電流端的電壓值，再經(jīng)過第一個(gè)差分放大器與單片機(jī)送入的DA電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出的電壓差再經(jīng)過第二個(gè)差分放大器，與接地端進(jìn)行比較，最終將輸出的電壓差反饋到光電耦合電路，改變發(fā)光二極管端的電流，從而又改變?nèi)与娏鞫说碾娏髦?，?shí)現(xiàn)恒流。其中，防過沖電路的作用是消除脈動(dòng)模式下的電流毛刺。

3 理論分析與計(jì)算

3.1 升壓電路參數(shù)分析

為了提高穩(wěn)流電源轉(zhuǎn)換效率，使得在輸出電壓為10 V，輸出電流為200 mA時(shí)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上，對(duì)于單片機(jī)和運(yùn)算放大器的供電電源，直接由升壓電路后得到的電壓，經(jīng)過兩個(gè)穩(wěn)壓器，分別將電壓穩(wěn)定為3.3 V和8 V再供給單片機(jī)和運(yùn)算放大器使用，而沒有單獨(dú)進(jìn)行供電，以減少電路中的功率損耗。

3.2 恒流電路參數(shù)計(jì)算

如果LED電流IF運(yùn)行至輸入端，集電極電流Ic將運(yùn)行至輸出端。該電流傳輸比（CTR：電流傳輸比）稱為轉(zhuǎn)換效率，該轉(zhuǎn)換效率通過公式表示。

圖1 系統(tǒng)原理示意

圖2 穩(wěn)流電路原理

與晶體管的hFE一樣，轉(zhuǎn)換效率是晶體管耦合器一個(gè)重要的參數(shù)。

光耦輸出電壓UO的公式為：UO=CTR*Ii*Ro式中，Ii為光耦的輸入電流；Ro為光耦的負(fù)載電阻。

4 主電路設(shè)計(jì)

4.1 升壓及穩(wěn)壓電路

升壓電路是該部分的基礎(chǔ)，主要使用芯片LT1170及其他電子元器件構(gòu)成升壓電路，LT1170輸入電壓為3～60 V，輸出電壓可達(dá)到80～100 V，能夠滿足要求，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

升壓及穩(wěn)壓電路的工作原理是：3～3.6 V電源電壓經(jīng)升壓電路，得到穩(wěn)流電路的供電電壓12.5V，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路送出+8 V，-8 V，3.3 V電壓。

4.2 穩(wěn)流電路

穩(wěn)流電路部分的工作模式分為常規(guī)恒流模式及PWM模式，以下對(duì)兩種模式的工作原理加以說明。

常規(guī)恒流模式：在該模式下，PWM信號(hào)恒為高電平，使MOSFET Q1處于導(dǎo)通模式，調(diào)整DC端的輸出電壓，當(dāng)加載在LED D1上的電壓滿足LED導(dǎo)通的條件時(shí)，電流I通過發(fā)光二極管D1，Q1，光耦U1副邊流向采樣電阻R1，此時(shí)進(jìn)入誤差分放大器“-”端的電壓為U=I×R1。差分放大器“+”端輸入的DA信號(hào)設(shè)定方式為：假設(shè)要設(shè)定流過LED的電流為Io，則D/A輸出電壓為UD/A=Io×R1。假設(shè)此時(shí)流過LED的電流小于設(shè)定值Io，即I＜Io，此時(shí)體現(xiàn)在差分放大器輸入端的U＜UD/ A，因此U2的輸出U2_out為一個(gè)大于0的數(shù)值，該數(shù)值送到差分放大器U3與“0”端再一次做誤差放大，最終得到放大后的信號(hào)Current_Ctr反饋至控制光耦U1的原邊，使原邊導(dǎo)通電流增大，由于光耦原邊電流If與副邊電流Is存在關(guān)系Is=CRT*If，即改變?cè)呺娏骶涂梢愿淖兏边叺碾娏?，從而改變采樣電阻R1上的采樣電壓，通過整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，最終使得要流經(jīng)LED的電流I與設(shè)定電流Io相等，即I=Io，達(dá)到恒流效果。

在實(shí)現(xiàn)上述常規(guī)模式的條件下，通過設(shè)定所要求的PWM數(shù)量和占空比條件，使MOSFET按照所設(shè)定的PWM模式進(jìn)行開關(guān)工作，則流經(jīng)LED中的電流波形即為所PWM所設(shè)定的波形。

5 設(shè)計(jì)結(jié)論

在連續(xù)輸出模式下，改變輸出模式，提高電流峰值，輸出電流最大誤差不高于2%，高于要求完成的指標(biāo)，當(dāng)增大直流負(fù)載電阻，使電阻值過大時(shí)，輸出電壓在不高于10.5 V時(shí)報(bào)警。輸出電流200 mA，輸出電壓10 V時(shí)，效率86%左右，達(dá)到要求指標(biāo)。在規(guī)定的輸入電壓核輸出電壓范圍內(nèi)，輸出電流最大誤差不超過2%，優(yōu)于要求的誤差指標(biāo)。脈動(dòng)模式下，改變脈沖周期，輸出最大誤差1%左右。

[1]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[3]席愛民.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2008.

Design of a LED flash light power supply

Chen Siyuan
（Wuchang Institute of Technology, Wuhan 430065, China）

This work takes stabilized DC power conversion circuit as the core, using LT1170 chip to construct front-end boost circuit and the electrical energy of the battery is converted into constant current to output; the current feedback control system composed of photoelectric coupling circuit and differential amplifier circuit is used to adjust the current in the circuit, to achieve steady flow effect. The system uses STM32 microcontroller for current sampling, through man-machine interface to complete the parameter settings, and sets the corresponding current stalls to real-time display measurement results on LCD.

flash power supply; DC constant current power converter; current feedback; man-machine interface

陳思遠(yuǎn)（1995— ），男，湖北荊門，本科。