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摘要：  為解決可見光通信系統(tǒng)中的白光LED( Light Emitting Devices) 光源高效穩(wěn)定的直流偏置電源問題，設(shè)計并研制了一種Buck 型雙DC/DC( Direst Cunent) 并聯(lián)供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵字：  控制器，  解決方案，  LED照明，  電源，  傳感器

為解決可見光通信系統(tǒng)中的白光LED( Light Emitting Devices) 光源高效穩(wěn)定的直流偏置電源問題，設(shè)計并研制了一種Buck 型雙DC/DC( Direst Cunent) 并聯(lián)供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM7( LPC2148) 作為主控制器，利用電壓反饋調(diào)整兩個DC/DC 模塊的PWM( Pulse Width Modulation) 驅(qū)動信號的占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓，利用兩個PMOS ( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關(guān)分別控制兩個DC/DC 支路實現(xiàn)均流。實驗結(jié)果表明，電源實際輸出電壓與設(shè)定值的誤差小于2%，兩個支路電流的偏差小于1%，電源供電效率可達(dá)75% ~ 80%.在電源開啟和關(guān)斷瞬間的瞬時測試結(jié)果顯示，驅(qū)動電壓無尖峰現(xiàn)象，電壓從0 上升至1. 6 V 的時間約為20 s，關(guān)電降至0 的時間約為65 s.兩個DC/DC 模塊交替工作，延長了供電系統(tǒng)的使用壽命。該供電系統(tǒng)在LED照明和可見光通信設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景，為設(shè)計多DC/DC 模塊的高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)提供了解決方案。

引言

隨著人們對節(jié)能環(huán)保型光源的需求以及白光LED( Light Emitting Devices) 制作工藝的進(jìn)步，高效率、低功耗、長壽命的綠色光源白光LED 將逐漸替代傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈等照明設(shè)備，成為下一代照明設(shè)備的首選。在照明的同時，利用白光LED 進(jìn)行室內(nèi)外可見光通信( VLC: Visible LightCommunication) 也是近年來新興的一種短途無線通信技術(shù)。筆者研究了基于白光LED 的VLC 通信技術(shù)與系統(tǒng)，實現(xiàn)了短距離數(shù)據(jù)傳輸。為了實現(xiàn)白光LED 的照明和通訊雙重功能，大電流、高效率、長壽命的供電系統(tǒng)是關(guān)鍵，既要滿足高速可見光通信需求( 要求對LED 提供高速調(diào)制信號以形成MHz 的亮度調(diào)制) ，又要滿足大電流的視覺亮度需求( 即可對LED 提供穩(wěn)定的直流工作點)。合理的直流偏置可為LED 提供最佳的線性調(diào)制區(qū)，提高調(diào)制深度，進(jìn)而可改善通信性能。與線性電源相比，DC /DC( DirestCunent) 開關(guān)電源具有效率高的優(yōu)勢，成為電源設(shè)計的首選。為滿足白光LED 的高效照明和高速通信的需要，同時也為延長電源使用壽命，筆者設(shè)計并研制了一種推挽式高效均流雙DC /DC 并聯(lián)供電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

大功率白光LED 的供電系統(tǒng)需提供大電流并具備高穩(wěn)定性，相比多支路并聯(lián)供電系統(tǒng)而言，在同等電流需求下，單支路供電系統(tǒng)需提供的電流更大，因此單支路型電源的壽命短。鑒于此，設(shè)計了雙支路DC /DC 并聯(lián)供電系統(tǒng)，兩個支路實現(xiàn)分流工作，既提高了效率，又延長了使用壽命，具有傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點。

設(shè)計方案如圖1 所示，采用兩個DC /DC 支路同為Buck 型降壓電路、電子開關(guān)實現(xiàn)支路電流調(diào)節(jié)、PWM( Pulse Width Modulation) 驅(qū)動信號占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓、霍爾電流傳感器并輔以調(diào)整、比較、延時等電路實現(xiàn)過流保護(hù)。所設(shè)計的驅(qū)動電源包括4 部分： 雙DC /DC 并聯(lián)模塊; 電壓、電流采樣模塊; 過流保護(hù)及自恢復(fù)模塊; ARM7( LPC2148) 主控模塊。圖1 中( 1) 為DC /DC 支路2 的控制信號PWM2，其占空比決定支路2 的輸出電壓; ( 2) 為DC /DC 支路1 的控制信號PWM1，其占空比決定支路1 的輸出電壓; ( 3)為均流控制信號PWM3.系統(tǒng)工作原理是：利用兩PMOS( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關(guān)( Electronic switch 1、Electronic switch 2) 實現(xiàn)兩支路均流，通過采集輸出電壓并調(diào)節(jié)PWM1 和PWM2 的占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓，通過霍爾電流傳感器并輔以調(diào)整、比較、延時等電路實現(xiàn)過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

2. 1 DC/DC Buck 型穩(wěn)壓電路

兩個DC /DC 支路采用PWM( Pulse Width Modulation) 控制的Buck 型降壓電路( 見圖2) .圖2 中OUT1 為支路1 的輸出電壓，OUT2 為支路2 的輸出電壓。利用電感和電容的儲能特性，隨著PMOS 管不停地導(dǎo)通和關(guān)斷，具有較大電壓波動的直流電源能量斷續(xù)地經(jīng)過開關(guān)管，暫時以磁場能形式存儲在電感器中，然后經(jīng)電容濾波得到連續(xù)的能量傳送到負(fù)載，得到脈動較小的直流電壓，實現(xiàn)DC /DC 變換。

PMOS 管型號為SI4405，PMOS 驅(qū)動器為ADP3624; PWM1、PWM2 為由ARM7 產(chǎn)生的頻率固定、占空比可調(diào)的方波信號，可分別調(diào)節(jié)兩DC /DC 支路的輸出電壓。為得到穩(wěn)定的輸出電壓，采取如下設(shè)計方案：

1) 合理選擇PWM 頻率，有效降低輸出電壓的紋波系數(shù)，設(shè)計中取為20 kHz;

2) 當(dāng)負(fù)載變化時，通過計算輸出電壓( 由AD 采樣獲得) 與目標(biāo)值的差值大小，采用模糊PID( Proportion-Integral-Derivative) 算法，調(diào)節(jié)PWM1、PWM2 的占空比，在較短時間內(nèi)，調(diào)整輸出電壓至所需的穩(wěn)定值。

兩個DC /DC 支路的均流方案如下： 在兩個DC /DC 支路的輸出端分別接高速PMOS 電子開關(guān)，利用ARM7 輸出一個50%占空比的方波信號( PWM3) 控制一路PMOS 電子開關(guān)，同時利用該方波信號的反相信號控制另一支路的PMOS 電子開關(guān)。由于兩支路輸出電壓相等，且在推挽模式下各工作50%時間，進(jìn)而可實現(xiàn)均流作用。

2. 2 電流及電壓采集模塊

采用霍爾傳感器( ACS712-20A) 測量LED 電流，它是利用霍爾效應(yīng)制成的傳感芯片，最大可測電流為20 A，滿足白光LED 照明時所需的大電流要求。該器件內(nèi)部集成精確的低偏置線性霍爾傳感電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片表面，通過該銅制電流路徑施加的電流能被集成霍爾芯片感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為比例電壓輸出。通過標(biāo)定霍爾傳感器的輸出電壓與流經(jīng)電流的關(guān)系，就可確定流經(jīng)LED 的電流大小。由于ACS712-20A 的輸出電壓及被測電流間的反應(yīng)靈敏度較低，故設(shè)計了一個靈敏度增強電路，主放大器為LM358，該電路可將靈敏度提高約3.3 倍。利用AD 轉(zhuǎn)換芯片ADS1100 采集負(fù)載兩端電壓，實現(xiàn)反饋控制。

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2. 3 過流保護(hù)及自恢復(fù)模塊

該并聯(lián)均流供電系統(tǒng)具有過流保護(hù)及自恢復(fù)功能，實現(xiàn)原理如圖3 所示。其工作過程如下。1) 將霍爾電流傳感器輸出的電壓信號通過比例放大、電壓比較后產(chǎn)生用于驅(qū)動繼電器的信號。2) 如果電流超過LED 承受能力，則比較器輸出高電平，此時繼電器驅(qū)動器2 立即動作，同時將DC /DC 主電路的K1和負(fù)載回路的K2 斷開( 避免DC /DC 儲能電容繼續(xù)向負(fù)載充電) ，形成雙重過流保護(hù)。3) 由于當(dāng)DC /DC主電路以及負(fù)載回路關(guān)斷后，霍爾電流傳感器輸出電壓不能使比較器繼續(xù)輸出高電壓，所以繼電器驅(qū)動器2 無法使K1 和K2 繼續(xù)斷開。為更長時間保護(hù)電子線路不受損壞，設(shè)計中加入了延時保護(hù)電路，即當(dāng)電壓比較器輸出高電平時( 繼電器驅(qū)動器2 已工作) ，向一個儲能電容充電( 由于充電時間常數(shù)小，充電過程很短) .當(dāng)繼電器驅(qū)動器2 停止工作時，該充電電容通過放電作用會使繼電器驅(qū)動器1 在較長的時間內(nèi)繼續(xù)動作，從而保持K1 和K2 持續(xù)斷開，形成延時保護(hù)( K1 和K2 由繼電器驅(qū)動器1 和2 雙重控制，任意一個工作時，都可使二者斷開) .4) 當(dāng)繼電器驅(qū)動器1 或2 工作時，可點亮LED，發(fā)出報警信號。

5) 當(dāng)繼電器驅(qū)動器1 和2 均不工作時，繼電器開關(guān)K1 和K2 吸合，LED 報警燈滅，實現(xiàn)自恢復(fù)。

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3. 1 大功率白光LED 與高效均流并聯(lián)供電系統(tǒng)的集成

為測試所制作的雙DC /DC 并聯(lián)供電系統(tǒng)的性能，采用3 W 大功率白光LED( 額定電流750 mA、額定電壓4. 0 V) 做了驅(qū)動實驗與性能測試，LED 的照片如圖4 所示。將大功率白光并聯(lián)供電系統(tǒng)、大功率白光LED、數(shù)據(jù)編碼模塊、Bias-Tee 耦合模塊以及按鍵/指示燈等進(jìn)行了系統(tǒng)集成，研制了兼具照明與通信雙重功能的通信裝置( 見圖4b) .利用該裝置，對給出的并聯(lián)供電系統(tǒng)進(jìn)行了實驗。

3. 2 照明狀態(tài)時的均流特性實驗

通過按鍵分別設(shè)定驅(qū)動器輸出電壓為0. 5 V、1. 0 V 和3. 0 V，接上白光LED，分別讀取兩個DC /DC支路的工作電流I1和I2、LED 兩端的工作電壓U0以及流經(jīng)LED 的工作電流I0，其測試結(jié)果如表1 所示。

定義輸出電壓誤差

其中U0，exp為實驗測得的輸出電壓，U0，the為理論設(shè)定的輸出電壓。定義兩支路電流偏差

由表1 可見，測得的實際電壓與設(shè)定值相比，3 次測量的誤差小于2%，兩支路電流的偏差小于1%，實現(xiàn)了很好的穩(wěn)壓與均流效果。

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3. 3 照明狀態(tài)時的電源效率實驗

定義供電電源的效率為

其中Ii和Ui分別該系統(tǒng)的輸入電壓和輸入電流。在表1 所示的3 種驅(qū)動情況下，分別測量了電路輸入電壓，輸入電流，輸出電壓和輸出電流，進(jìn)而計算出供電效率，其結(jié)果如表2 所示。當(dāng)電源輸出電壓較小時，電源的效率較小，當(dāng)輸出電壓增大時，電源效率增大，可達(dá)80%以上。

3. 4 可見光通信狀態(tài)時輸出電壓的線性區(qū)測試

當(dāng)白光LED 處于通信模式時，為保證通信質(zhì)量，需要提供穩(wěn)定、線性的驅(qū)動電壓。為驗證該供電系統(tǒng)的線性特性，將其用來驅(qū)動白光LED，同時使用可見光PIN 探測器測試了探測器的響應(yīng)。實驗測得的PIN 探測器輸出電壓隨白光LED 驅(qū)動電壓的關(guān)系如圖5 所示?？梢钥闯觯?dāng)驅(qū)動電壓小于1. 6 V 時，白光LED 進(jìn)入非線性工作區(qū)。因此，當(dāng)將該供電電源驅(qū)動白光LED 進(jìn)行可見光通信時，應(yīng)使其輸出電壓( 亦即Bias-Tee 的直流輸入電壓) 調(diào)整至線性區(qū)中間點( 亦稱為線性工作點) ，約為2.7 V.

3. 5 動態(tài)響應(yīng)測試

當(dāng)使用該雙DC /DC 并聯(lián)供電電源驅(qū)動白光LED 時，筆者研究了當(dāng)電源上電和關(guān)電時，LED 兩端電壓的瞬時變化特性，測量結(jié)果如圖6 所示。可以看到，由于DC /DC 電源輸出端電容的儲能作用，輸出電壓在上電和關(guān)電時并不存在尖峰和毛刺現(xiàn)象，因此，不會損壞LED.另外，從響應(yīng)曲線可以看出，當(dāng)電壓從0 上升至穩(wěn)定的1.6 V 時，上升時間約為20 s，關(guān)電降至0 的下降時間約為65 s.

3. 6 對比討論

在僅保留一個DC /DC 支路工作時，就構(gòu)成了單支路供電電源系統(tǒng)。針對單支路供電系統(tǒng)和雙支路供電系統(tǒng)，筆者通過實驗進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3 所示，設(shè)定輸入電壓為12 V，輸出電壓為3. 0 V.從效率來講，由于雙支路使用了更多的電學(xué)元件，這將耗散更多的功率，其效率比單支路電源系統(tǒng)略低。

然而，雙支路中各DC /DC 支路交替工作，各支路耗散的功率僅為單支路的一半。由于器件的壽命與耗散功率有關(guān)，且功率越大，壽命越短，因此，在正常工作方式下，雙支路電源系統(tǒng)的壽命將比單支路電源系統(tǒng)的壽命長。

4 結(jié)語

通過對兩個Buck 型DC /DC 電路進(jìn)行并聯(lián)，并結(jié)合PID 控制算法，設(shè)計并研制了一種用于驅(qū)動大功率白光LED 的高效均流供電系統(tǒng)，并利用該并聯(lián)電源對白光LED 進(jìn)行了驅(qū)動以及測試實驗。實驗結(jié)果表明，電源實際輸出電壓與設(shè)定值的誤差小于2%，兩支路電流的偏差小于1%，電源供電效率可達(dá)到75% ~ 80%.在電源開啟和關(guān)斷瞬間，輸出電壓無尖峰現(xiàn)象。當(dāng)輸出電壓設(shè)為1.6 V 時，上升和下降時間分別約為20 s 和65 s.由于兩個DC /DC 電路交替推挽工作，因此，該電源具有較長的使用壽命，從而在LED 照明和VLC 系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。