LED照明用恒流电源变换器.doc

设计报告书设计题目：高效数控恒流电源（D题）竞赛小组成员：张川 胡世超 彭泽鑫指导老师： 刘伟平 李庆 张桐2011年8月 日目 录摘 要3一、总体方案设计51.1方案论证与比较51.2系统设计框图6二、系统电路设计与实现777三、分析计算与电路实现83.1 DC/DC转换电路部分 8 3.2恒流源电路部分 93.3单片机控制显示10 3.4整机效率问题研究11四、系统软件设计11五、系统测试与分析 125.1测试方法125.2测试仪器125.3测试电路125.4测试数据和误差分析13六、总结15参考文献 16附录 17摘 要本设计主要由开机冲击电流和EMI 抑制电路、功率因数校正电路、反激式隔离变换器、基于TL494的 PWM 波控制、单片机控制模块等部分组成，具有恒流输出、电流步进可调、过压保护、功率因数校正、实时显示电压、电流等功能，具有工作稳定、可靠性高等优点，最终实现了LED照明用恒流电源的功能。系统最终达到基本部分全部指标。 关键词：隔离、恒流电源、PWM、反激式、闭环反馈、PI 调节、过压保护Abstract：This design mainly by the impact on current and EMI suppression circuit, power factor correction circuit, flyback converter is separated, based on the TL494 PWM wave to control and single-chip microcomputer control module components, with constant current output, current step can be adjusted, over-voltage protection and power factor correction, real-time display voltage, current, and other functions, has the stable and high reliability etc, and finally achieve the LED lighting to constant current power function. System eventually get the basic part all index.Keywords: isolation, constant current power supply, PWM, flyback type, closed-loop feedback, PI adjustment, over-voltage protection一、总体方案设计1.1方案比较与选择 （1）电路拓扑结构方案 方案一：采用反激式拓扑结构的功率因数校正电路，优点是将功率因数校正与电源变换器合二为一，可以大大减少电路的损耗，提高电路的整体效率，缺点是电路比较复杂， 很难设计与单片机合适的接口电路，不容易使用单片机进行控制。 方案二：将功率因数校正电路与主控电路分开，采用 Boost 型的功率因数校正电路后接电源变换器的方案，优点是电路结构简单，并不涉及单片机对功率因数校正电路的控制，只需使功率因数校正部分输出一个稳定的电压即可， 缺点是会一定程度上降低设计的整体效率。鉴于本题要求步进调压的功能， 需要单片机对PWM控制芯片有一个良好而稳定的控制，故选择方案二。 （2）电源变换器方案 方案一：采用半桥变换电路，优点是高频变压器利用率高，传输功率大，电路效率很高，缺点是电路较复杂，且有直通危险。 方案二：采用单端反激变换电路，优点是电路结构简单，缺点是高频变压器利用率低，需要留有气隙，电路效率不高。 鉴于本题要求最大负载只有10个1W的 LED，传输功率较小，故采用方案二。(3)闭环反馈控制方案 方案一：采用软件闭环反馈控制，使用单片机进行采样，然后直接由单片机对 PWM 控制芯片进行控制，调节占空比。优点是电路结构简单，缺点是反馈回路会受到采样精度、采样速度、单片机运算速度等因因素的影响，使反馈系统变得不稳定。 方案二：采用硬件闭环反馈控制，即使用硬件电路构建反馈回路，由PWM 控制芯片根据反馈信号调节占空比，而单片机只是对 PWM 控制芯片进行辅助调整。优点是反馈速度快，调节精度高，缺点是易受外部干扰。 由于题目中要求精度较高且使用硬件成本更加低廉，控制更加容易，故选用方案二。 (4)有源功率因数校正方案 方案一：采用 UUC3854作为有源功率因数校正电路的主控芯片。优点是功率因数校正系数可以达到99.5%，缺点是外围电路非常复杂且调试困难。 方案二：采用UCC28019 作为有源功率因数校正电路的主控芯片。优点是外围电路简单，功率因数校正系数可以达到99.5%左右。 鉴于对成本和性价比的考虑，故选用方案二。 1.2系统设计框图系统具体方案如下：220VACC 经工频变压器降压为 36VAC，经开机冲击电流抑制电路输入到功率因数校正电路中，再经高频隔离变压器给串联在一起的LED 灯供电，在LED 灯处分别进行电压、电流采样，返回给PWM 控制芯片和单片机，由单片机给定基准电压来控制PWM 控制芯片，进而达到控制LED 灯恒流可调的目的。 系统总体结构框图如图1.2 所示。二、系统电路设计与实现2.1 电源变换器主回路与器件选择 PWM 控制芯片采用 TL494。它的主要特点是：输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0 - 50%可调。每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。 TL494的 1、2 引脚分别为内部误差放大器的反相输入端和同相输入端，反相输入端接收反馈的电压信号，同相输入端为给定的电压基准，一般接在 16 引脚电压基准的分压上，由于题目要求恒流输出时电流步进可调，故同相输入端接单片机DAC 模块产生的参考电压。 负载的电流采样由串联在LED 负载与地之间的采样电阻完成，经一级跟随、一级同相放大之后分别给单片机和PWM 控制芯片；电压采样由负载和电流采样电阻上的电压分压完成，经一级跟随分别给单片机和 PWM 控制芯片。为完成恒压与恒流模式的切换，分别在电压采样回路与电流采样回路与PWM 控制芯片间各加入一个N 沟道MOSFET 作为电子开关，完成切换。为保证反馈的稳定性在MOSFET 后再加一级跟随后将反馈信号传递给PWM 控制芯片。2.2控制电路设计 本设计的控制部分采用TI公司的MSP430F247超低功耗单片机，它内部集成有12位DAC，并且它的运算速度快。 由于本LED 恒流电源工作时绝大部分时间处于稳定状态，且对反应速度没有过快要求，因此并不需要对电压、电流信号进行同时的采样，而可以分别采样，模式切换和基准电压的调整也不需在中断服务中完成，只有步进调整电流的按键程序需要在中断服务中完成。如图 2.2 单片机最小系统电路图2.3 保护电路设计 过压保护电路并不是单独设计的，而是整合在电流控制电路中，由恒流控制回路与恒压控制回路的切换完成，当单片机检测到负载上的电压高于 36V 时，单片机控制将恒流控制回路切换为恒压控制回路，将负载的电压控制在略高于36V，当再次检测到负载电流降低到设定的电流以下时，重新将恒压模式切换为恒流模式，达到过压保护的目的。图2.3 控制程序流程图2.4 功率因因数校正电路设计 选用小功率功率因数校正芯片UCC28019，它工作在电流临界模式。UCC28019 应用简单可靠。通过电流检测和电压反馈，及 PI 调节来保持电压恒定。再通过开关管的PWM 控制来 得到所需电压。可实现 0.99的功率因数校正和输出稳定直流电压的功能，完全可以满足题目中要求。 图2.4 功率因数校正模块2.5 自动调光电路设计 自动调压电路采用光敏电阻作为感光元件，利用比较器将光的强弱转换为高低电平信号，使用单片机内置的ADC 将这个个电压信号采回单片机，当光照强度较高时时，单片机控制切换为恒流模式，设置的负载电流值为 100mA，使LED 的亮度随光照强度的增大而减小。2.6 开机冲击电路与EMI 抑制电路设计 开机冲击电路采用热敏电阻串联在电源输入端，温度较低时电阻很大，随着电阻发热温度升高，电阻逐渐变小，达到抑制开机冲击电流过大的目的。 EMI 抑制电路是利电感和电容的特性，使频率为 50Hz 左右的的交流电可以顺利通过滤波器，但高于 50Hz 以上的高频干扰杂波被滤波器滤除，这就使开关电源产生的高频谐波被滤掉而不会污染电网。 图2.6 开机冲冲击电流和EMI 抑制模块三、理论分析与计算四、系统软件设计与实现4.1 系统软件流程图，如下图所示电流和EMI 抑制五、系统测试及分析5.1 测试方法采用分别测试各个单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。5.2 测试仪器（1）工频变压器 （2）四位半数字万用表DT9203 （3）安捷伦示波器 DSO5012A5.3 测试数据和误差分析2、测试数据 (1)输出电流跟踪测试 六、总 结 经过这几天的努力，在老师的悉心指导，同学的共同探讨，组员的共同努力下，按时的完成了高效数控恒流源的设计，由上述电路设计分析计算和测试数据可知：本系统基本实现了题目中基础部分和发挥部分的功能要求，并达到并超过了各项参数指标，且在此基础上添加软启动，电压源和扩大输入电压范围等其它扩展功能并能够较好的实现。本系统设计基本达到预期目标。参考文献（1）MSP430系列16位低功耗单片机原理与应用沈建华，杨艳琴，翟晓曙 编著 清华大学出版社 2004年11月出版（2）模拟电子技术基础(第四版) 华成英、童诗 编著 高等教育出版社 2006年5月出版（3）数字电子技术基础阎石 王红 编著 高等教育出版社 20