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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，設計并研制了一種Buck 型雙DC/DC( Direst Cunent) 并聯(lián)供電系統(tǒng)。

關鍵字：  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，利用電壓反饋調整兩個DC/DC 模塊的PWM( Pulse Width Modulation) 驅動信號的占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓，利用兩個PMOS ( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關分別控制兩個DC/DC 支路實現(xiàn)均流。實驗結果表明，電源實際輸出電壓與設定值的誤差小于2%，兩個支路電流的偏差小于1%，電源供電效率可達75% ~ 80%.在電源開啟和關斷瞬間的瞬時測試結果顯示，驅動電壓無尖峰現(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備中具有良好的應用前景，為設計多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備，成為下一代照明設備的首選。在照明的同時，利用白光LED 進行室內外可見光通信( VLC: Visible LightCommunication) 也是近年來新興的一種短途無線通信技術。筆者研究了基于白光LED 的VLC 通信技術與系統(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)是關鍵，既要滿足高速可見光通信需求( 要求對LED 提供高速調制信號以形成MHz 的亮度調制) ，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 提供最佳的線性調制區(qū)，提高調制深度，進而可改善通信性能。與線性電源相比，DC /DC( DirestCunent) 開關電源具有效率高的優(yōu)勢，成為電源設計的首選。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)結構和原理

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)驅動系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點。

設計方案如圖1 所示，采用兩個DC /DC 支路同為Buck 型降壓電路、電子開關實現(xiàn)支路電流調節(jié)、PWM( Pulse Width Modulation) 驅動信號占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓、霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時等電路實現(xiàn)過流保護。所設計的驅動電源包括4 部分： 雙DC /DC 并聯(lián)模塊; 電壓、電流采樣模塊; 過流保護及自恢復模塊; 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( Electronic switch 1、Electronic switch 2) 實現(xiàn)兩支路均流，通過采集輸出電壓并調節(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整、比較、延時等電路實現(xiàn)過流保護。

2 系統(tǒng)的模塊化設計

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 管不停地導通和關斷，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 驅動器為ADP3624; PWM1、PWM2 為由ARM7 產(chǎn)生的頻率固定、占空比可調的方波信號，可分別調節(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)，設計中取為20 kHz;

2) 當負載變化時，通過計算輸出電壓( 由AD 采樣獲得) 與目標值的差值大小，采用模糊PID( Proportion-Integral-Derivative) 算法，調節(jié)PWM1、PWM2 的占空比，在較短時間內，調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，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，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。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并轉化為比例電壓輸出。通過標定霍爾傳感器的輸出電壓與流經(jīng)電流的關系，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靈敏度較低，故設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 轉換芯片ADS1100 采集負載兩端電壓，實現(xiàn)反饋控制。

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2. 3 過流保護及自恢復模塊

該并聯(lián)均流供電系統(tǒng)具有過流保護及自恢復功能，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，此時繼電器驅動器2 立即動作，同時將DC /DC 主電路的K1和負載回路的K2 斷開( 避免DC /DC 儲能電容繼續(xù)向負載充電) ，形成雙重過流保護。3) 由于當DC /DC主電路以及負載回路關斷后，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，所以繼電器驅動器2 無法使K1 和K2 繼續(xù)斷開。為更長時間保護電子線路不受損壞，設計中加入了延時保護電路，即當電壓比較器輸出高電平時( 繼電器驅動器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) .當繼電器驅動器2 停止工作時，該充電電容通過放電作用會使繼電器驅動器1 在較長的時間內繼續(xù)動作，從而保持K1 和K2 持續(xù)斷開，形成延時保護( K1 和K2 由繼電器驅動器1 和2 雙重控制，任意一個工作時，都可使二者斷開) .4) 當繼電器驅動器1 或2 工作時，可點亮LED，發(fā)出報警信號。

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

3 實驗結果與數(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

通過按鍵分別設定驅動器輸出電壓為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，進而計算出供電效率，其結果如表2 所示。當電源輸出電壓較小時，電源的效率較小，當輸出電壓增大時，電源效率增大，可達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

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

3. 5 動態(tài)響應測試

當使用該雙DC /DC 并聯(lián)供電電源驅動白光LED 時，筆者研究了當電源上電和關電時，LED 兩端電壓的瞬時變化特性，測量結果如圖6 所示?？梢钥吹剑捎贒C /DC 電源輸出端電容的儲能作用，輸出電壓在上電和關電時并不存在尖峰和毛刺現(xiàn)象，因此，不會損壞LED.另外，從響應曲線可以看出，當電壓從0 上升至穩(wěn)定的1.6 V 時，上升時間約為20 s，關電降至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)，筆者通過實驗進行對比分析，結果如表3 所示，設定輸入電壓為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，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 結語

通過對兩個Buck 型DC /DC 電路進行并聯(lián)，并結合PID 控制算法，設計并研制了一種用于驅動大功率白光LED 的高效均流供電系統(tǒng)，并利用該并聯(lián)電源對白光LED 進行了驅動以及測試實驗。實驗結果表明，電源實際輸出電壓與設定值的誤差小于2%，兩支路電流的偏差小于1%，電源供電效率可達到75% ~ 80%.在電源開啟和關斷瞬間，輸出電壓無尖峰現(xiàn)象。當輸出電壓設為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)中具有良好的應用前景。