LED供电电源的设计

I绪论设计的背景与意义工业生产力的不断进步使人们越来越追求高品质的生活。而文明素质的飞速提升督促着人们选择节约环保的生活方式。由此可见，既可以满足人们对于产品品质的追求又可以满足人们对于经济环保的要求的商品将逐渐成为当下时代的主流商品。19世纪末，由于爱迪生的努力电灯问世，在200多年的时间进程中，电灯不断改进，白炽灯、日光灯、蒸汽灯都是这一过程的产物，时至今日，LED灯异军突起，发展势头正猛，它是一种集众多优点于一身的照明灯，在这个挑剔的时代进入人们的视野并占领人们的视野，足以说明它的优势。在技术方面，为顺应LED灯的普及趋势，我国相继出现了许多LED灯生产厂家。竞争关系的出现，使灯产品的发光效率提高、调光范围扩大。LED照明灯花样百出，技术逐步成熟，可LED供电电源却并不完美，现在的驱动电源规范性差。因为供电电源对LED灯具的使用寿命以及工作效率具有影响。所以LED照明的顺利推广离不开完善的供电电源的助力。故供电电源的完善工作成为我国电源生产厂家的燃眉之急，急待解决。在环境方面，百年的工业发展，我们实现了技术飞跃，也出现了全球资源匮乏及环境污染的严重问题，节能环保渐渐成为各国领导人治国共识。在我们国家，人口多，土地少，资源也就越匮乏，过度使用资源也致使环境污染更加严重。灯已经是各个角落的必需品，他们或帮我们驱逐黑暗，或为我们装饰住所、城市。与此同时，大量电能也被它们消耗，我们知道，火力发电仍是我国主流发电方式，火电一边消耗着不可再生资源，一边排放污染气体，而灯具作为“用电大户”，节省电能，保护环境它理应出一份力。回到LED照明装置本身，经过欧美国家多年对LED照明系统的研究，证明了它的材料环保属性、高效率照明属性、寿命较长属性，这些属性老式照明系统无出其右。另外LED光源的光谱中没有红外线、紫外线，也没有热量及辐射，这与设计的经济环保理念不谋而合。所以在符合本次设计理念的同时又可以尝试改变照明系统中的某些不足，这是十分有必要，也是十分有意义的。国内外研究现状国内LED照明的发展现状学习了电力电子技术，查阅了材料专业的相关知识，我了解到许多新兴科技被应用到了LED灯具生产，这无疑体现了国内对于该发展的重视，顺理成章也实现了LED多样性发展。我小学末期时，家里的灯都是发出黄光的白炽灯，那年是2009年，而2010年之后市场上的白炽灯变少了，新兴灯源也变得便宜起来。此刻我查阅资料得知，那年正是由于国家推广节能灯，可以说这是对当时农村的照明产品进行了一次革命。虽然本次革命不是对于LED灯的普及，而是节能灯竖起占领市场的大旗，但这是国家，社会对于高品质、高性价比照明系统追求的一种显照，因为这种追求，激发着灯具市场不断创新。在之后几年，全球LED通用照明取得发展，我国也开始致力于下一次照明改革，这体现在国家提供政策支持、市场自行改良研发、部分群众踊跃尝试。2010年之后的5年，LED涉及的灯具射灯、筒灯逐年获得更高的市场份额，但市场占据比例仍无法与节能灯相比，市场的苛刻要求使LED灯产品逐步完善，精益求精，时至今日LED照明渐被接受，虽然渐被接受却依然任重道远。国外LED照明的发展现状工业革命使一些欧美国家环境受到污染，所以他们比我们更早认识到保护环境对于人类的意义，再加上二战为他们创造了经济发展的机会与安逸的生活，这使他们可以更好发展民生产业。所以国外LED灯具发展早，技术更稳定。过早的发展使他们的大气环境有所改善，现如今很多欧美国家绿水青山，山清水秀。但欧美国家并不满足此时的成就，他们追求更高品质，如LED灯寿命问题、调光问题；他们追求更高性价比，如发光效率提高、新型材料尝试。值得一提的是德国欧司朗公司在照明寿命研究上取得了阶段性成就。各国都有要改善LED照明的想法，可见各国对于LED光源的重视，所以我国更应跟进脚步，刻不容缓。设计任务及要求本设计为装饰灯、照明灯设计配套的LED供电电源。为保障亮度达标，也为了满足消费者对LED灯具的多种功能要求。故要求此设计实现如下功能。所设计的LED供电电源能够满足4组8V的装饰、照明灯的供电及调光要求。所设计的供电电源具有恒流调节功能。能够根据周围光线的变化自动调光，能够手动调光。能够通过无线通讯实现调光功能。设置必要保护，以保障整个电路能够安全稳定的运行。出于实验安全的考虑，也为了更好的研究供电电源设计方案以及调光方法。故有如下参数要求，如表1-1所示。表1-1设计参数要求输入电压AC220V输出电压DC32V输出电流0~50mA，可通过单片机恒流调节最大输出电流80mA过压保护值36V开关电源效率85%开关频率62.6kHz输出纹波根据以上参数及技术指标对此次设计的主电路、保护电路、驱动电路以及单片机控制电路进行设计。系统总体方案设计LED驱动电源主电路拓扑结构选择几种斩波拓扑的介绍LED想其发光稳定不闪烁就必须以较低的稳定电压供电，而且要使其发光时电流为恒定量。如此情况下，可以通过开关电源对输入电压进行变换得到恒定输出的电压,再通过外围电路对输出电流进行恒流处理，还要易于设计过流保护的功能。单个LED工作电压为8-12V，工作电流为30-80mA。LED电源为市电供电，且输出电压较小，因此需要准确的选取电路拓扑结构才能保证LED电源的安全。各个拓扑结构对比如下表2-1所示。表2-1拓扑结构对比拓扑特点单管反激输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定，输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定，这是隔离拓扑结构中最简单的，增加次级绕组和电路可以得到多个输出。单管正激降压电路的变压器耦合形式，不连续的输入电流，平滑的输出电流；因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性，增加次级绕组和电路可以获得多个输出，在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁，增加一个与初级绕组匝数相同的绕组，在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。双管正激两个开关同时工作，开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通，主要优点，每个开关上的电压永远不会超过输入电压，无需对绕组磁道复位。推挽开关（FET）驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压，良好的变压器磁芯利用率使在两个半周期中都传输功率，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。施加在FET上的电压是输入电压的两倍。半桥较高功率变换器极为常用的拓扑结构，开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压，良好的变压器磁芯利用率在两个半周期中都传输功率，而且初级绕组的利用率优于推挽电路，全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍，施加在FET上的电压与输入电压相等。全桥较高功率变换器最为常用的拓扑结构，开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压，良好的变压器磁芯利用率在两个半周期中都传输功率，全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍，施加在FET上的电压与输入电压相等，在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。根据上表对LED供电电源进行分析，设计要求输入交流220V市电，输出32V直流电。且LED工作电流较弱，为防止强电干扰，因此需要采用隔离型电路结构。由表中内容可以看出，半桥拓磁次利用率高，LED的驱动电源需要进行恒流控制以及电流过流保护控制。半桥结构配合调整芯片可以轻松实现恒流控制与过流保护功能。根据电路的工作原理，选择半桥结构为LED供电电源，其为隔离型拓扑结构。半桥式变换器的工作原理半桥式PWM变换器是一种常用的开关电源拓扑。从半桥式变换器的主电路看，该拓扑的两个开关管以类似于图腾柱的接法接在一起，通过两个相等的电容将输入电压平分，方便得到最值相等的正负输入。而且该拓扑还有良好的抗不平衡能力，是一种适应性较强的开关电源拓扑。半桥式变换器中变压器双向励磁，具有隔离作用，且整个变换器具有两个开关管，一个开关管在上面，一个开关管在下面，两个开关管具有不同的参考，因此驱动开关管时需要进行隔离驱动。本设计的半桥变换器变压器副边采用全波整流的方式进行整流，其电路图如下图2-1所示，整个半桥变换器共经历4个工作阶段。图2-1半桥式变换器原理图1.工作阶段一开关管导通，截止，变压器副边二极管导通，截止，整个变换器电流的流向如下图2-2所示。开通，变压器两端电压上正下负，其值为，根据同名端，变压器副边绕组电压均为上正下负，且其值与变压器两端的匝数比有关。图2-2V1导通工作图2.工作阶段二开关管和，两个开关管交替导通，驱动波形留有一定的死区时间。在开关管和开关管均截止的时间段内，变压器原边电压为零，因此变压器副边电压也为零。其电流流向如下图2-3所示。开关管和均导通，使得流过变压的电流相互抵消，因此变压器两端电压均为零值。图2-3续流过程工作图3.工作阶段三在此阶段，开关管导通，变压器原边电压为下正上负，跟阶段一对比可知，变压器两端电压为交流值。此阶段变压器副边二极管关断，导通，整个变化器电流的流向如下图2-4所示，变压器副边下侧绕组电压也为下正上负，跟变压器原边相同。图2-4V2导通工作图4.工作阶段四在此阶段，开关管与均断开，进入死区时间，变压器副边整流二极管与均导通，进入续流时间段，工作过程与阶段二一样。调整芯片的选择LED的驱动电源需要进行恒流控制以及电流过流保护控制。我们选用半桥式开关电源拓扑再由SG3525A电源控制芯片作为调整芯片，这样可由调整芯片的补偿引脚实现恒流功能，再由其中断引脚实现保护功能。并不是只有SG3525可以满足本设计的要求，但它实现恒流以及本设计其它技术指标相对容易。故性价比较高。所以本设计选用SG3525作为调整芯片。遥控控制方式的选择为完善此供电电源的功能，决定为其加入遥控功能以实现遥控调光，选择一种合适的遥控方式在此时便成了我们的首要问题。现在的主流遥控手段有。红外遥控器作为终端控制对灯进行控制。这种控制方式需要为驱动电源专门制作遥控器，并在灯具产品上制作与之相配的控制器。这样计算下来，成本相对较高，而且这种遥控器相似于家用电视的遥控器，由此可以看出它并不能实现远程控制。手机通过无线网络Wi-Fi对灯具进行控制，这种控制方式对比红外线遥控器控制方式优点明显，只需为智能手机设计一个APP，然后在灯具产品上安装与之配套的接收器，再加上一段正确的程序，就可以完成调光控制功能，APP设计可以看成是一劳永逸的工作，所以节约了成本，并且这种控制方式可以实现远程控制功能。当今时代，手机已经成为人们不能离手的物品，所以用手机对灯具进行控制人们会很容易适应。手机通过蓝牙对灯具进行控制，这种控制方式与Wi-Fi控制方式相似，但本设计选用了这种控制方式。结合实用性，作为灯具控制器在多种场合都应能与灯具相连，而Wi-Fi控制要考虑Wi-Fi覆盖率以及Wi-Fi信号等问题。而且对于终端手机来说，连接Wi-Fi会明显加快手机的耗电速度，而蓝牙控制可以避免这些问题。综上所述，蓝牙控制方式更加适合本次设计。故本设计遥控功能采用手机的蓝牙功能对灯具进行控制。系统的整体结构本设计为LED供电电源的设计，设计具输入整流电路、输入滤波电路、DC/DC变换电路、输出滤波电路、隔离驱动路、控制电路、过压保护电路、欠过压保护电路、过流保护电路、恒流调光电路、自动调光电路和单片机调光电路。结合上述分析，得出其总体构如图2-5。图2-5系统整体结构框图主电路的设计本设计的主电路包括了均压电路部分、DC-DC变换电路部分、全波整流部分和输出滤波部分。输入整流滤波电路的设计图3-1输入整流滤波电路输入为AC220V，由于电容滤波作用，特别是带较大负载时，滤波后的波形发生了畸变，有VDCmin=220×1.2=264VVDCmax=220×=311.13V取最大占空比，整流电路电流（3-1）从留有裕量角度考虑，整流二极管D1、D2、D5、D6选择的型号为1N4007，它可承受1A的正向额定电流，1000V的反向最大电压。整流电路之后接有DC/DC变换电路，因此只选用简单的电容滤波电路即可。再选用1A保险丝进行保护。输入滤波电容C6的选择比较关键，设Vin每周期提供的能量为Win。由以上可知VDCmin=264V，VDCmax=311.13V又则大约可求得（3-2）（3-3）得C5=1.3µF，以实际分析，故输入滤波电容C6选100µF/400V的电解电容。DC-DC变换电路的设计图3-2DC-DC变换电路主电路变压器的设计1.AP值确定已知η=85%，开关频率f=62.6kHz，由于半桥变换器变压器是双向励磁，取磁密摆幅ΔBm=0.4T，Vo=32V，Io=50mA，拓扑系数表3-1如下所示。表3-1各拓扑的拓扑系数变换器结构原边结构副边结构拓扑系数K’正激不带抽头带抽头0.091不带抽头不带抽头0.114半桥不带抽头带抽头0.164不带抽头不带抽头0.200推挽带抽头带抽头0.141带抽头不带抽头0.208根据已有条件可得出输入功率为（3-4）由经验公式可得（3-5）2.选择磁芯型号为了避免涡流损耗较大，选用绝缘的PC40铁氧体材料作为磁芯。结合所学知识，考虑留有裕量的情况下可选用EE25.4磁芯，它的参数为，，。3.确定原边匝数Np在时，取，带载时有，则（3-6）4.求匝数比n在不忽略变压器副边二极管压降时，有压降（3-7）由式（3-7）得（3-8）5.求副边匝数（3-9）取17匝。6.重新确定原边匝数Np（3-10）7.求副边线径在允许温升30℃的情况下，（3-11）则由经验公式得（3-12）代入数值得（3-13）（3-14）（3-15）取Ds=0.35mm。8.求原边线径（3-16）（3-17）（3-18）取Dp=0.35mm。均压电容的设计可知输入电压为市电交流220V，因此其频率为50Hz。由参数给定可知输入时（3-19）因为（3-20）取均压电阻R1和R5为100KΩ，由式（3-20）得（3-21）代入数值（3-22）所以（3-23）由电容容值表，选择均压电容C2和C9为100uF/250V的电解电容。由于电解电容的误差较大可能会导致分压不均匀，所以每个电解电容两端分别并上阻值为100KΩ的电阻。隔直电容的选择隔直电容主要的作用是对流入变压器的电流进行隔直，防止直流电流流入变压器，发生磁化的危险。令（3-24）由式（3-24）得（3-25）代入数值得（3-26）查电容容值表，取隔直电容C8为47nF的CBB电容。开关管的选型由半桥式拓扑结构可知每个开关管承受的电压为，已知,则开关管承受电压即可满足要求。经查找手册后，选用IRF840型号的N沟道MOSFET，其参数为，完全满足电路设计的要求。输出整流滤波电路的设计图3-3输出滤波电路输出滤波电感1.确定感值假设输出端电流纹波为，不忽略管压降。则有（3-27）由式（3-27）得（3-28）因为（3-29）由式（3-29）得（3-30）（3-31）代入数值得（3-32）2.求电感电流峰值（3-33）3.选择磁芯型号由公式可知（3-34）代入数值得（3-35）则可选取EE25.4磁芯，其中=40.3mm2，=42.5mm2（3-36）4.确定匝数NL（3-37）由式（3-37）得（3-38）代入数值得（3-39）取18匝。5.确定气隙lg（3-40）由式（3-40）得（3-41）代入数值得（3-42）6.求电感线径在允许温升30℃的情况下，，（3-43）（3-44）（3-45）取Dl=0.55mm。输出滤波电容输出滤波电容事先假设电容值足够的大，可以忽略充放电引起的输出纹波，只考虑电容内阻引起的输出纹波，先确定输出纹波标准为，设电容内阻为ESR。则（3-46）根据式（3-46）可得（3-47）取输出滤波电容C3和C4为470µF/100V的两支电容并联，且C5为104瓷片电容滤高频。输出整流二极管已知（3-48） （3-49）经过查表可选用整流二极管D3和D4为，其参数为，完全可以满足输出电流整流的需求。同时对D3和D4增加RC缓冲回路，保护整流二极管，RC缓冲电路为60Ω/2W的碳膜电阻和471/1KV的高压瓷片电容。控制、保护、辅助电路的设计控制电路的设计控制方案的设计PWM控制原理最早来源于通信技术。直到近现代，伴随着自关断器件的出现，脉宽调制法的控制技术越来越普遍的作为新兴控制方法存在于在电力电子电路中，并且出现很多种PWM技术，其中包含相电压控制PWM法、脉宽PWM法以及SPWM法等等。1.PWM控制的基本类型根据PWM脉冲的最高值是否相等，将PWM波分为等幅和不等幅的两种。示意图如图4-1和4-2所示图4-1等幅PWM波形图4-2不等幅PWM波形2.PWM控制脉冲的产生PWM控制技术中有很多可以产生PWM控制脉冲的方法，但是最为常用的方法有计算法和调制法两种。本设计采用调制法。调制法通过相关波形发生器产生等腰三角波或者锯齿波作为载波，由系统的输出波形作为调制波,载波与调制波相交，通过比较器将载波和调制波进行比较从而得到幅值相同而宽度不相等的脉冲序列。其大概原理如图4-3。图4-3直流PWM调制要知道PWM调制技术是电力电子技术中非常常用的一种技术，而且随着电力电子技术的快速发展，非常多的集成芯片都能内部产生三角载波通过内部比较器再与期望得到的输出信号进行比较,输出调制好的波形来控制开关器件的闭合与截止。调整芯片芯片SG3525A的引脚示意图如下图4-4中所示。图4-4SG3525A引脚图其各引脚功能如表4-1所示。表4-1SG3525引脚功能引脚引脚功能1脚内部误差放大器的反相输入端。2脚内部误差放大器的同相输入端，该脚连接着经过分压电阻分得的参考电压的一半电压，约为2.5V而且相当稳定。3脚同步信号外接端，可以与外部元件的信号同步，但同步脉冲频率应低于芯片振荡器频率。4脚振荡器输出端。5脚振荡器电容连接端CT端，该脚接的电容与RT电阻决定振荡器的震荡频率。6脚振荡器电阻连接端RT端，RT值一般为2-150KΩ和CT端电容共同决定振荡器频率。7脚振荡器的放电端，同时接外接电阻RD来限制制放电电流而且还可以控制死区时间，RD范围一般为0-500Ω。8脚软启动管脚，软启动电容外接于此脚再接地，内部50µA恒流源给软启动电容充电，如果电容两端的电压高于3.3V时，则认为软启动过程结束。9脚补偿管脚，是内部误差放大器的输出端。10脚保护关断管脚，如果该脚为高电平，就会关断芯片停止工作，所以通常使用时10脚接地。11脚信号输出端1，输出可控的PWM信号。12脚芯片接地端。13脚内部图腾柱结构供电端。14脚信号输出端2，输出可控并与信号输出端1互补的驱动信号。15脚芯片内部集成电路供电端。16脚内部参考端，提供芯片内部参考5.1V。SG3525A电源控控制芯片属于一种集成芯片，芯片内部有很多结构单元，主要单元有欠压锁定输出模块、参考调节器、振荡器、触发器、PWM锁存器、比较器、内部误差放大器、参考电压源、或非门以及图腾柱结构。SG3525A内部结构原理图如图4-5所示。图4-5SG3525A内部的结构原理图SG3525A芯片外围有许多模块，各模块之间共同工作使SG3525A芯片能够成功控制整个变换器的运行，各模块之间的功能如下表4-2所示。表4-2SG3525内部单元结构基准电源芯片内部基准电压源由一个基本的三端稳压集成电路构成，通过该结构得到参考输出电压为5.1V，其且精度为，芯片供电电压范围为8～35V，此结构使芯片供电电压具有滞回性质，高于8.4V芯片启动，低于7.6V才关断。芯片内部的参考输出电压也可以为外部电路提供参考，而且具有温度补偿的功能，输出最大电流可达到0.4A。震荡电路震荡电路通过外接电容电阻产生类似锯齿的波形，其电压最高幅值为VH=3.3V最低电压幅值为VL=0.9V，当芯片内部的恒流源给外接电容CT充电时，由于电容电压不能够突变，所以电容电压线性上升，电容电压的线性上升形成锯齿波的上升沿。充电结束后，进入放电阶段，电容放电时的电压线性下降形成锯齿波的下降沿，当电容两端电压降到后，放电结束，放电时间为t2=1.3RDCT。内部误差放大器通过电阻分压将输出电压反馈信号接入到误差放大器的反相输入端1脚，通过分压电阻分得的内部参考电压的一半接到放大器同相输入端，嵌入芯片的输出端连接至9脚，作为补偿管脚使用。PWM信号产生电路内部的误差放大器的输出信号接到PWM比较器的反相输入端，振荡器输出的锯齿波信号接到该PWM比较器的同相输入端，另外8脚软启动的输出也连接到这个比较器的反相输入引脚，这个比较器的输出的波形即为信号，通过内部锁存器将该输出进行锁存。振荡器产生的震荡信号能够触发触发器，从而产生频率减半且互补方波，振荡器信号为下降沿时电路复位，用来产生死区时间，触发器产生的一组输出互补的方波再与信号一同作为或非门的输入，如果所有的信号都是负值的时候，那么输出值就为正。因此，门电路的输出结果隔半周期就变换一次正负，其波形的宽窄也与输出信号的负值宽窄相同。驱动电路芯片输出采用图腾柱结构，由于该结构具有拉灌电流的能力，能够轻松的驱动开关管开通关断，最高拉灌电流可达200mA。外部输出端为11脚和14脚，它们为相位相差为的PWM波。稳压原理当系统输出的电压有增的趋势，芯片的误差放大器反向输入端采样值就增大，误差放大器输出值是低电平，脚9得电压值就降低，芯片的比较器输出电平取反，锁存器输出取反，芯片输出取反变成低电平，从而使开关管截止，紧跟着占空比也会变小，这样就可以拉回有增加趋势的电压，使其降低。达到稳压目的。芯片输出驱动波形四路输入共同决定，10脚没高电平，输出改为两路决定。假设如下对应关系：5脚-a点4脚-b点，9脚-c点，8脚-d点，比较器输出-e点，触发器输出互补波形上端-f点，下端-g点，PWM锁存器的输出-h点，上端或非门输出-点，上端或门输出-l点，下端或非门输出-k点，下端的或门输出-m点。各点波形如图4-6。图4-6SG3525A各关键点波形控制电路参数计算控制电路外围电路如图4-7所示1.采样电阻的选取芯片16脚电压5.1V，R27、R28阻值选4.7KΩ，2脚电压2.55V。又因为，所以可得（4-1）其中R36为4.7KΩ，所以得到R32=14.81KΩ。2.补偿电路的设计根据以往经验R26选1KΩ，RC环路补偿的电容C27选1nF的瓷片电容，R25阻值选51KΩ。图4-7SG3525A外围电路图3.震荡电路的设计根据芯片公式（4-2）主电路频率为f=62.6kHZ，震荡频率，取R17阻值330Ω，再取C17容值1nF，由式（4-2）得出R18阻值为10KΩ。（4）软启动电路的设计软启动8脚电压高于3.3V时，软启动结束。由上文叙述可知，因为Ist=50uA。又取软启动电容C24=1uF。由公式（4-3）得Tst=0.066s。驱动电路的设计半桥变换器有上下两路开关管，且上下两路开关管不共地，由于半桥变化器带有隔离变压器，因此需要进行隔离驱动。驱动电路图如图4-8所示。图4-8变压器磁隔离原理图SG3525输出两路PWM波后，经过隔直电容C22和阻尼电阻R22连接到变压器，经过阻尼电阻R12和R20驱动二极管D9和D13开通，其中阻尼电阻值较小，均取33欧。电阻R15和R27可以使开关MOS管快速放电关断，Q3和Q5以及D12和D17使MOS管关断时快速接到地。保护电路的设计过流保护电路本设计设置阈值电流Io大于0.08A时，电路能自动进入断电保护状态。过流保护原理图如图4-9所示，主要应用到了LM358比较器和NE555定时器。当输出电流较小时，经过采样电阻R4采回的电压连接到U1A的2脚，此时3脚电压高于2脚，U1A输出高电平至NE555的2脚，则NE555的3脚输出低电平至SG3525的10脚，电路正常工作。图4-9过流保护电路图当输出电流超过阈值电流时，经过采样电阻R4采回的电压高于3脚电压，U1A输出低电平至NE555的2脚，则NE555的3脚输出高电平至SG3525的10脚，电路进入过流保护状态。其中U1A的3脚接电位器RV2，对参考电压VREF分压，得到的参考电压与采样电压进行比较。R16选用180K电阻，C18选471电容，形成RC反馈回路，C12选用104瓷片电容。NE555多谐振荡器中，C20选为47uF/25V电解电容，C21选103瓷片电容，R7选100K电阻。过压保护电路过压保护电路的工作原理是先设定阈值电压，再通过电阻分压将阈值电压的一部分接到比较器，比较器另一端接固定参考电压，通过比较器同相端与反相端电压的比较，使比较器输出接到控制芯片的保护关断管脚10脚，再通过使芯片10脚的电压处于高电平状态来关断芯片，实现过压保护功能。过压保护电路图如图4-10所示。根据下图可知，当输出电压为36V时，U3A的3脚和2脚电压相等，当输出大于36V时，3脚电压大于2脚电压，U3A输出高电平，SG3525保护，芯片关断。输出过压保护阈值为36V，令R33和R38值均为1KΩ，可得V-=2.5V，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”可得。（4-4）令R28=1KΩ，得出R24=13.4KΩ。图4-10保护电路图恒流电路设计如下图4-11为恒流电路，通过电阻R4将输出端电流转换成电压，因此得到电压CV，对整个电路进行恒流分析。图4-11恒流电路图当Io<0.05A某一值时，CV=-R4•Io，经过同相比例放大器后使得此时U2A反相端电压与同相端电压相等，当Io有增大趋势时，此时LM358的U2A反相端电压增大，U2A输出低电平，D14导通，9脚为内部误差放大器输出端，那么SG3525A内部比较器输出高电平，内部误差放大器通过D14往外灌电流，相当于SG3525A内部比较器的输出端与内部锁存器断开，所以恒压环不工作恒流环工作。综上所述恒流环设计关键就在于LM358的同向输入端电压与反相输入端电压相等，就是电路输出达到所需恒流值后，调整VF值使LM358反相输入端电压与LM358的同相输入端电压相等，当输出电流增大，CV增大，U2A输出低电平，D14导通，内部误差放大器通过D14往外灌电流，才能够达到恒流的目的。电容C16属于高频旁路中防干扰信号的器件，因此取C13=0.1nF瓷片电容，电容C15为旁路电容，选0.1uF瓷片电容，电阻R19以及电容C23为RC反馈环路，选R19为180K电阻，电容C23为471瓷片电容。辅助电源的设计整个电路系统中需要对各个芯片以及单片机进行供电，经过综合考虑后，所需供电电压为3.3V、5V以及12V，因此以交流220V的市电作为输入，经过工频变压器后，进行整流滤波得到直流电，再通过三端稳压器得到所需电压，电路图如图4-12所示。整流部分电路中变压器选择为交流220V转化为交流15V的变压器，在得到较低的交流电压之后，需要进行整流。交流-直流（AC-DC）变换称为整流，它是把交流电转化成所需直流电的变流过程。整流电路是一种应用广泛的电路，同时整流电路也有着很多类型。按电路结构分：半波整流，全波整流，桥式整流。半波整流特点：整流回路只有一个管压降，并且结构简单。但是电压波形只有一半，电压利用率不高。全波整流特点：每个导电回路只有一个管压降，每个整流管承受的反偏电压为两倍的变压器二次侧电压，适用于低压电路；但是变压器带抽头，结构较复杂。图4-12辅助电源供电电路半波整流特点：整流回路只有一个管压降，并且结构简单。但是电压波形只有一半，电压利用率不高。全波整流特点：每个导电回路只有一个管压降，每个整流管承受的反偏电压为两倍的变压器二次侧电压，适用于低压电路；但是变压器带抽头，结构较复杂。桥式整流特点：每个整流管承受反偏电压为一倍的变压器二次侧电压，每个导电回路有两个管压降，适用于高压电路；但是整流管较多，不够经济。由于工频变压器带有抽头，所以本设计选用桥式整流。经过综合考虑，本实验采用的整流方式为桥式不控整流方式，采用四个二极管构成整流桥。可知输入为交流15V，由于电容滤波作用使波形发生畸变，因此整流后有（4-5）（4-6）在考虑2倍电压和1.5倍电流裕量的情况下，选择桥式整流二极管D21-D24和D27-D30型号为1N4007的工频整流二极管，其能承受的正向额定电流为1A，反向最大电压为1000V。滤波电路上下两路稳压电路中，电解电容C33、C40均为电解电容，滤除低频成分，均选为470uF/25V电解电容。C34、C41均为瓷片电容，滤除高频成分，均选为104瓷片电容。电感L2、L3为平波器，主要为了平缓电流，选为10uH绕线电感。稳压电路稳压电路选用三端稳压器LM7812和LM7805以及LM317作为稳压核心，得到稳定的输出电压为各单元供电。稳压芯片的输入电压一般比输出电压需要高1.5V左右，因此输入滤波瓷片电容选取105，输出滤波瓷片电容选取104，防止输出电容大，积累电荷多导致电压高，从而使芯片烧毁。二极管D20、D26均为反并联二极管，使输出端电压高于输入端时保护稳压芯片而不被烧毁，取普通二极管1N4148即可。自动调光电路的设计自动调光模式能够通过感应光照强度自动调节LED灯的亮度。通过光敏电阻感受光的强度，将不同强度的光信号转换为相应的电压信号，将电压信号与运放端的固定电压进行比较，控制芯片SG3525的补偿端接收比较的结果，并控制电路中开关管的占空比，达到自动调节亮度的目的。自动调光电路图如图4-13所示。通过光敏电阻感受周围不同光的强度，转化的电压不同，因此U2B中6脚电压也发生改变，通过RV1和R8构成的同相比例放大器，7脚输出电压值，即VF值不同。通过之前恒流原理可知，VF值改变导致U2A中2脚和3脚值的改变，即输出电流值的改变，通过改变输出电流值，达到自动调光的目的。图4-13自动调光部分电路图经过测试可得，LED正常发光时，光敏电阻两端电压为为0.6V，根据数据手册，选择5506光敏电阻，其亮值小至1KΩ，暗值可增大到1.5MΩ。其最大电压为150V，最大功耗为100mW。单片机控制电路的设计单片机单元STM32F103RBT6芯片功能最强大，用户只需进行软件上的编写，就能实现本设计中的所有功能，本设计选用STM32F103RBT6作用本方案的核心控制MCU，单片机控制电路如下图4-14所示。根据图4-14可知，STM32F103单片机最小系统由晶振电路、复位电路和电源电路组成，晶振电路使用的8MHZ晶振，复位电路采用的是上电复位和按键复位。工作状态系统主要应用了STM32单片机的AD采集部分，通过按键设置输出的模拟电压值]。其中S2与S3为调光按键，通过调节S2和S3可以调节LED灯的亮度，S5和S6按键为主电路开通继电器控制按键，可以通过这两个按键控制继电器的开通与关断，S4为单片机复位按键。由公式（4-7）令按键响应时间为0.01S，则令电阻R39、R40、R70、R71以及R50均为10K，则可以得出C31、C32、C52、C53以及C43为1uF，因此选取1uF/25V电容。图4-14单片机控制电路单片机控制电路的程序流程如图4-15所示。配置DAC输出实验时首先需要使能DAC通道，配置函数如下：RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,ENABLE)接下来需要配置DAC内部寄存器，配置函数如下：1.将单片机配置成不使用触发功能。DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;DAC_InitType2.将单片机配置成不使用波形发生。DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None3.屏蔽、幅值DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0DAC_InitType4.DAC1输出缓存关闭DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable5.初始化DAC通道一DAC_Init(DAC_Channel_1,&DAC_InitType)图4-15程序流程图6.使能DAC1DAC_Cmd(DAC_Channel_1,ENABLE)7.12位右对齐数据格式设置DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,0)/上述函数基本完成STM32F103RBT6单片机DAC功能配置。在主函数中调用所需的功能函数便能实现本设计所需要的功能。本设计还需要按键扫描程序，通过按键调整LED的亮度。在程序中便是通过按键控制单片机的输出电压来实现的。在按键程序中一个非常重要环节就是去除抖动。采用延时去抖。由于STM32F103RBT6单片机库中具有延时程序，我们只需要调用即可。隔离通信电路本系统的485通信芯片选用的是ADM2483，该芯片是一款内部集成的电源隔离通信芯片，将LED灯的工作状态与上位机进行连接通信。它的驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断保护电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。ADM2483芯片有逻辑断和总线端，其中逻辑端兼容3V/5V工作电源，总线端需要5V供电，ADM2483是目前性价比非常高的RS-485收发器，已广泛应用到各种RS485中。ADM2483的引脚及功能说明如下表所示4-2所示。表4-2ADM2483引脚功能引脚名称功能描述1VDD1逻辑端供电电源（2.7V~5.5V）2、8GND1逻辑端电源地（2脚、8脚内部已连接）3RXD接收输出，当RE（接地使能）为高时，此位禁止输出。4RE接收使能控制，低有效。5DE发送使能控制，高有效。6TXD发送输入，当DE（发送使能）为高时，此位无效7PV电源监控脚，当此引脚电平高于2.0V，芯片工作，低于2.0V，芯片不工作。9、15GND2总线端电源地（9脚，15脚内部已连接）10、11、14NC无电气连接12A输入/输出同相端13B输入/输出反相端16VDD2总线端供电电源（4.75V~5.25V）通信电路部分电路设计原理图如下图4-16所示。图4-16通信原理图工作状态切换电路本设计将LED工作状态设置为蓝牙控制工作状态和自动调光工作状态，两种状态之间能够进行自动切换，工作状态切换电路如下图4-17所示。图4-17工作状态切换电路图LED灯一般工作在自动调光状态，当需要用手机蓝牙控制LED灯时，手机蓝牙发出信号，同时单片机P8.5口输出高电平，通过1K电阻R43和三极管的Q6驱动后，光耦正常工作，R21和R26均为1K偏置电阻，经过三极管Q4驱动后继电器工作，关断时不能立即关断，仍有电流流动，因此两端并联续流二极管D10防止继电器关断时烧坏。输出驱动电路对整个电路系统的交流输入端增加了继电器控制，通过单片机输出驱动电路控制整个系统的电源接通和断开，单片机输出驱动电路如图4-18所示。图4-18输出驱动电路通过原理大图中的S2按键可以控制整个电路的交流输入电能接通和关断，当S2按下时，单片机P9.6断开输出高电平，驱动继电器的输出断开OUTA和OUTB断开，整个电路断电。同理，可以通过S3按键控制整个电路与交流输入电接通。其继电器控制原理与工作状态切换中继电器控制原理相同。显示电路LCD显示器是经由众多发光二极管组建的。显示块和位选线一一对应，正是这样我们可以依据显示方式的差异，来调整位选线和段选线的连接，字符字体由段选线控制，显示亮度由位选线控制，液晶显示电路如下图4-19所示。图4-19显示电路部分仿真及实物调试电路仿真根据电路的结构原理，运用Multisim仿真软件的各个仿真模块，在仿真界面搭建了辅助电源供电电路，对辅助电源部分进行了硬件仿真，电路结构