驅(qū)動(dòng)電源

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驅(qū)動(dòng)電源范文第1篇

1）實(shí)際導(dǎo)通時(shí)柵極偏壓一般選12～15V為宜；而柵極負(fù)偏置電壓可使IGBT可靠關(guān)斷，一般負(fù)偏置電壓選－5V為宜。在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射之間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。

2）考慮到開通期間內(nèi)部MOSFET產(chǎn)生Mill－er效應(yīng)，要用大電流驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極的輸入電容進(jìn)行快速充放電，以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)有足夠陡峭的上升、下降沿，加快開關(guān)速度，從而使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。

3）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻（一般為10Ω左右）和合適的柵射并聯(lián)電阻（一般為數(shù)百歐姆），以保證動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)效果和防靜電效果。根據(jù)以上要求，可設(shè)計(jì)出如圖1所示的半橋LC串聯(lián)諧振充電電源的IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖。考慮到多數(shù)芯片難以承受20V及以上的電源電壓，所以驅(qū)動(dòng)電源Vo采用18V。二極管V79將其拆分為＋12．9V和－5．1V，前者是維持IGBT導(dǎo)通的電壓，后者用于IGBT關(guān)斷的負(fù)電壓保護(hù)。光耦TLP350將PWM弱電信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)電路且實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，而驅(qū)動(dòng)器TC4422A可為IGBT模塊提供較高開關(guān)頻率下的動(dòng)態(tài)大電流開關(guān)信號(hào)，其輸出端口串聯(lián)的電容C65可以進(jìn)一步加快開關(guān)速度。應(yīng)注意一個(gè)IGBT模塊有兩個(gè)相同單管，所以實(shí)際需要兩路不共地的18V穩(wěn)壓電源；另外IGBT柵射極之間的510Ω并聯(lián)電阻應(yīng)該直接焊裝在其管腳上（未在圖中畫出），而且最好在管腳上并聯(lián)焊裝一個(gè)1N4733和1N4744（反向串聯(lián)）穩(wěn)壓二極管，以保護(hù)IGBT的柵極。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在變換器的LC輸出端接入兩個(gè)2W／200Ω的電阻進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中使用的儀器為：Agi－lent54833A型示波器，10073D低壓探頭。示波器置于AC檔對(duì)輸出電壓紋波進(jìn)行觀測(cè)，波形如圖5所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，輸出紋波可以基本保持在±10mV以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。此后對(duì)反激變換器電路板與IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行對(duì)接聯(lián)調(diào)。觀察了IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，IGBT在開通時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓接近13V，而在其關(guān)斷時(shí)間內(nèi)電壓接近5V。這主要是電路中的光耦和大電流驅(qū)動(dòng)器本身內(nèi)部的晶體管對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓有所消耗（即管壓降）造成的，故不可能完全達(dá)到18V供電電源的水平。

3結(jié)論

驅(qū)動(dòng)電源范文第2篇

    隨著市面上超大功率LED路燈、LED隧道燈的出現(xiàn),LED驅(qū)動(dòng)電源故障頻頻,加之LED路燈驅(qū)動(dòng)電源多采用內(nèi)置式設(shè)計(jì),往往造成LED燈電源維護(hù)困難重重,加之部分廠家缺乏售后維修服務(wù),于是業(yè)主的怨聲載道,經(jīng)過媒體的夸大宣傳后造成大眾對(duì)LED燈的誤解,影響了LED產(chǎn)業(yè)聲譽(yù)。

    LED燈驅(qū)動(dòng)電源的七條經(jīng)驗(yàn):

    1、智能控制是LED燈具的優(yōu)勢(shì)之一,而電源是智能控制的關(guān)鍵。

    智能控制在LED路燈和LED隧道燈照明應(yīng)用上條件最成熟效果最明顯,智能控制能在不同時(shí)間段、根據(jù)道路車流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)燈具功率的無(wú)級(jí)控制,既滿足應(yīng)用要求,又實(shí)現(xiàn)巨大的節(jié)能效果,可以為公路主管單位節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)。在隧道照明上的應(yīng)用不但可以節(jié)能,還可以按照隧道外的亮度情況自動(dòng)調(diào)節(jié)隧道出入口亮度,給司機(jī)提供一個(gè)視覺過度階段,以保證駕駛安全。

    2、放棄4路以上輸出,發(fā)展單路或兩路輸出,放棄大電流和超大電流,發(fā)展小電流。

    輸出路數(shù)越多越復(fù)雜,不同出路之間的電流干擾解決起來(lái)成本很高,如不解決則故障率較高。另外輸出路數(shù)越多則總輸出電流也就越大,而電流是發(fā)熱的主要原因,電壓本身不直接導(dǎo)致發(fā)熱,簡(jiǎn)單來(lái)說發(fā)熱量與電流的平方成正比,也就是說電流增加到原來(lái)的2倍的話,發(fā)熱量將增加到原來(lái)的4倍,電流增加到原來(lái)3倍,發(fā)熱量將增加到原來(lái)9倍。綜上所述,單路或兩路輸出的LED燈電源故障率會(huì)降低很多。

    3、散熱和防護(hù)是電源故障的主要外部因素。

    不僅電源本身會(huì)發(fā)熱,燈具也會(huì)發(fā)熱,這兩種熱源如何合理的散發(fā)出去是燈具設(shè)計(jì)工程師必須考慮的問題,一定要防止熱量的過度集中,形成熱島效應(yīng),影響電源壽命。采用分離式電源方案是一個(gè)好的選擇。

    4、放棄大功率、超大功率,選擇較高穩(wěn)定性的中小功率電源。

    因?yàn)楣β试酱?發(fā)熱量越大,里面的零部件也越緊湊,不利于散熱,而溫度正是電源發(fā)生故障的罪魁禍?zhǔn)住Ｔ僬?小功率電源相對(duì)來(lái)說發(fā)展的較為成熟,穩(wěn)定性和成本方面都有優(yōu)勢(shì)。其實(shí)很多大功率電源方案都沒有經(jīng)過時(shí)間驗(yàn)證及實(shí)踐證明,都是匆匆上馬的項(xiàng)目,都是實(shí)驗(yàn)性的產(chǎn)品,因此故障層出不窮。相比之下中小功率電源因發(fā)展較早,技術(shù)方案要成熟的多。

    5、維護(hù)的可行性。

    電源的故障問題不可能完全避免,只有把電源的更換做的跟常規(guī)照明的光源的更換那么簡(jiǎn)便時(shí),才能是用戶用的開心,即便是電源壞了,心情也不會(huì)太差,而用戶的心情好壞決定著LED燈廠家的命運(yùn)。

    6、防護(hù)性能。

    防護(hù)問題也很重要,水分的滲透可能引起電源的短路,外殼上的沙塵會(huì)影響電源的散熱,暴曬則容易引起高溫和電線及其他元器件的老化,從實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,旋轉(zhuǎn)接線插頭的故障率較高,多數(shù)為漏水造成故障。

    7、模塊化設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)電源范文第3篇

摘要：隨著LED技術(shù)的日益成熟，LED已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，特別是在大功率商業(yè)照明領(lǐng)域，LED憑借其具有節(jié)能、長(zhǎng)壽命、可靠性高、低成本等優(yōu)點(diǎn)，充分地展現(xiàn)出高性價(jià)比的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一種反激式原邊反饋低成本方案的驅(qū)動(dòng)電源，在100-240V電壓范圍內(nèi)輸出電流精度達(dá)到±5%，功率因數(shù)大于0.9，效率大于85%，并具有過壓、短路保護(hù)功能。通過分析其工作原理并對(duì)具體參數(shù)給出詳細(xì)的計(jì)算過程。對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源工程師在設(shè)計(jì)的過程中具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：原邊反饋；MPS4021；LED電源

中圖分類號(hào)：TM402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

LED作為新型的節(jié)能光源，具有高光效、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。LED使用時(shí)需要恒流輸出的驅(qū)動(dòng)電源，目前大多數(shù)采用次級(jí)反饋方案[1-2]，該方案從輸出端進(jìn)行電流采樣，再通過運(yùn)算放大器將信號(hào)進(jìn)行放大后利用光耦進(jìn)行初次級(jí)隔離反饋控制。該方案輸出電流精度較高，但反饋電路元件較多，成本相對(duì)較高。本設(shè)計(jì)采用反激式原邊反饋低成本方案，通過檢查高頻變壓器初級(jí)繞組的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)次級(jí)輸出電流的控制，輸出電流精度可達(dá)到±5%，基本達(dá)到LED驅(qū)動(dòng)電源對(duì)電流精度的要求，并且集成了功率因數(shù)校正電路，所設(shè)計(jì)電源功率因數(shù)大于0.9，能夠符合能源之星對(duì)燈具功率因數(shù)的要求。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性，在現(xiàn)有市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

2原邊反饋方案的工作原理

原邊反饋方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。變壓器起到變壓和傳遞能力的作用，控制芯片通過檢測(cè)反激變壓器初級(jí)繞組的峰值電流來(lái)控制次級(jí)繞組的輸出電流[3-4]。如圖1所示，電路反饋具有兩個(gè)反饋環(huán)，一個(gè)是通過輔助繞組檢查輸出電壓信號(hào)的電壓外環(huán)，另一個(gè)是通過檢查初級(jí)繞組的峰值電流的電流內(nèi)環(huán)。通過設(shè)計(jì)好這兩個(gè)反饋環(huán)路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以得到較高精度的輸出電流。

3基于MPS4021控制芯片的電路設(shè)計(jì)

MPS4021是一個(gè)初級(jí)端控制的離線LED照明控制器。原邊控制可以顯著簡(jiǎn)化了LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消除了光電耦合和在一個(gè)孤立的單級(jí)轉(zhuǎn)換器的次級(jí)反饋組件[5-7]。其專有的實(shí)時(shí)電流控制方法，可以從檢測(cè)初級(jí)電流來(lái)準(zhǔn)確地控制次級(jí)輸出電流。內(nèi)部集成了電流精度補(bǔ)償模塊，可以提高線路的LED電流精度。

如圖2 MPS4021芯片引腳功能圖所示，MPS4021集成了功率因數(shù)校正功能，并在臨界導(dǎo)通模式下工作。功率因數(shù)校正功能可以實(shí)現(xiàn)在通用電壓范圍內(nèi)PF>0.9。邊界導(dǎo)通工作模式可減少開關(guān)損耗，提高了EMI性能。極低的啟動(dòng)電流和靜態(tài)電流，可以減少功率消耗，同時(shí)MPS4021提供了多種先進(jìn)的保護(hù)措施，包括過電壓保護(hù)，短路保護(hù)，逐周期電流限制和熱關(guān)斷，以提高系統(tǒng)的安全性。

本設(shè)計(jì)采用MPS4021方案設(shè)計(jì)一種反激式原邊反饋低成本的驅(qū)動(dòng)電源，LED燈板為14串29并排列，本設(shè)計(jì)選用406顆3528燈珠芯片做為L(zhǎng)ED負(fù)載，每顆燈珠正向?qū)妷篤f為3.0V-3.4V，工作電流If為20mA，輸出電壓額定值為45V、輸出電流額定值為580mA，LED燈光功率約為26W，設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)電源效率大于85%，則電源輸入功率約為30W。具體電路原理圖如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電路主要包括浪涌保護(hù)電路、功率因數(shù)校正電路、MOS管驅(qū)動(dòng)電路、RCD吸收回路、電流反饋電路和過壓、短路保護(hù)電路。每一模塊電路合理地設(shè)計(jì)可以保證電源穩(wěn)定的工作，提高電源的可靠性，本文主要分析電流反饋電路和過壓、短路保護(hù)電路并給出了反激變壓器的詳細(xì)計(jì)算過程。

4結(jié)論

本文采用了MPS4021方案設(shè)計(jì)了一種反激式原邊反饋低成本的驅(qū)動(dòng)電源，雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)反饋保證了電源輸出電流的穩(wěn)定，電流精度達(dá)到±5%，同時(shí)電壓外環(huán)反饋也保證了過壓、短路等故障時(shí)系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計(jì)分析原邊反饋方案的工作原理，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的反饋電路、保護(hù)電路和高頻變壓器進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。最終所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)證能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。

參考文獻(xiàn)

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驅(qū)動(dòng)電源范文第4篇

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能路燈； LED； 恒流驅(qū)動(dòng)電源； 開關(guān)電源； XL6006

中圖分類號(hào)： TN86?34； TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0168?03

Abstract： Aiming at the application of the high?power constant current driving technology in solar LED street light， a design method of the high?power LED constant driving power supply is introduced. The working principle of Boost switching power supply and element parameter calculation method of its driving power supply are given. The efficiency of the designed power supply was tested. Its conversion efficiency is 92% while the step?up ratio is 1.4. The test results show that the constant current driving power supply of the LED street lamp has high conversion efficiency and a certain practical value.

Keywords： solar street lamp； LED； constant current driving power supply； switching power supply； XL6006

0 引 言

太能是人們公認(rèn)的清潔能量[1]。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展和大功率LED生產(chǎn)工藝水平的提高，光伏太陽(yáng)能LED路燈[2]作為一種高效、環(huán)保、節(jié)能、綠色照明[3]，在照明領(lǐng)域中得到推廣與應(yīng)用[4]。LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其壽命極易受到溫度影響[5]。為了延長(zhǎng)太陽(yáng)能LED路燈的使用壽命，要采用恒流驅(qū)動(dòng)電源[6]來(lái)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能LED燈。

針對(duì)大功率的恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太陽(yáng)能LED路燈中應(yīng)用，本文介紹了大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方法與技術(shù)。本LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源具有轉(zhuǎn)換效率高，成本低廉等特點(diǎn)。

1 Boost開關(guān)電源工作原理

太陽(yáng)能路燈采用的大功率LED燈，一般是由小功率的LED燈串聯(lián)而成；因此，在太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)中，需要一個(gè)升壓式開關(guān)電源（DC/DC變換電路[5]）來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率LED照明燈。升壓式開關(guān)電源的原理圖[5]如圖1所示，其中：L為功率電感；A1和A2構(gòu)成PWM調(diào)制電路；D為續(xù)流二極管；C為濾波電容；RL為電源的負(fù)載。圖2（a）為當(dāng)T閉合時(shí)的等效電路，圖2（b）為當(dāng)T 斷開時(shí)等效電路。在圖2中，當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感器上的電流的變化量相等， 根據(jù)電路知識(shí)可得到如下等式：

[UiTON=（Uo-Ui）TOFF] （1）

式中：TON為開關(guān)閉合時(shí)間；TOFF為開關(guān)斷開時(shí)間，令D1=[TONTS]，D2=[TOFFTS]；TS為開關(guān)周期，利用D1+D2=1關(guān)系式，可得到輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：

[UoUi=11-D1=1D2] （2）

分析可知電感紋波電流、開關(guān)頻率和電感之間的關(guān)系為：

[ΔiL1=1LfsUiD1] （3）

式中，電感器的紋波電流大小與輸入電壓Ui和占空比D1成正比，與電感量L和開關(guān)頻率fs成反比，它是選定電感量的重要的理論依據(jù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，得電感上的平均輸入電流如下：

[ILA=Io（1-D1）] （4）

式中：ILA電感上的平均輸入電流；Io為平均輸出電流。

2 太陽(yáng)能LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

2.1 電路原理圖

圖3為L(zhǎng)ED路燈用的恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的電路圖。由圖3可知，本設(shè)計(jì)主要由XL6006芯片、微控制器、儲(chǔ)電池和一些元件構(gòu)成。XL6006是一塊高效升壓型開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部集成了功率開關(guān)管，具有電源轉(zhuǎn)換率高和元件少等優(yōu)點(diǎn)，是理想的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。L為大功率儲(chǔ)能電感器，D1為開關(guān)電源的續(xù)流二極管，當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開關(guān)管閉合時(shí)，XL6006第3引腳接地，二極管D1反偏截止，電感器中的電流線性增大，電感器儲(chǔ)能；當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開關(guān)管斷開時(shí)，XL6006第3引腳懸空，二極管D1正偏導(dǎo)通，電感器中的電流流向負(fù)載LED。ST15W401為一片單片機(jī)，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器和PWM控制器，R1和R2為分壓電路，儲(chǔ)電池的電壓通過分壓電路分壓之后，輸?shù)絾纹瑱C(jī)的第1腳。RS為電流取樣電阻， D3和RF為開關(guān)電源的功率控制路，控制太陽(yáng)能路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源輸出功率。

2.2 電路參數(shù)的計(jì)算

在計(jì)算PWM占空比D1時(shí)，按輸入電壓為12.5 V，輸出電壓為24 V計(jì)算，所以根據(jù)式（2）可以計(jì)算此驅(qū)動(dòng)電源的占空比D1為：

[D1=Uo-UiUo=24-12.524≈0.479] （5）

在計(jì)算電感器的平均電流ILA時(shí)，按輸出的電流為1 A計(jì)算，根據(jù)式（4）可計(jì)算出電感器的平均電流（單位為A）：

[ILA=Io1-D1=11-0.479≈1.9] （6）

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了讓變轉(zhuǎn)換器工作在CCM模式下，電感器的電流的變化量不大于電感器平均電流的50%，在此設(shè)計(jì)中，電感器最大電流變化量按40%計(jì)算（單位為A）：

[ΔIL=ILA×0.4=1.9×0.4≈0.77] （7）

因此，可計(jì)算出電感器的峰值電流（單位為A）：

[Ipeak=ILA+ΔIL=1.9+0.77=2.67] （8）

因?yàn)?XL6006的開關(guān)頻率fs為180 kHz，根據(jù)式（3）可以計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的電感值（單位為μH）：

[L=1ΔiL1fsUiD1=12.5×0.4790.77×180×103≈43.2] （9）

根據(jù)以上的電感的計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用47 μH， 5 A的電感器。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例樣機(jī)的試制及性能指標(biāo)的測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，根據(jù)以上的電路圖和計(jì)算出來(lái)的元件參數(shù)值試制一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試時(shí)，選用臺(tái)灣晶元大功率LED燈珠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把6顆5 W的LED燈珠串聯(lián)成30 W的大功率LED燈，并把這些LED燈貼在一個(gè)大散熱器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)輸入電壓值，用萬(wàn)用表測(cè)量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率，計(jì)算轉(zhuǎn)換效率，并用表格記錄下每次測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)輸入電壓在11 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在87%左右；當(dāng)輸入電壓在12 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在89%左右；當(dāng)輸入電壓在13 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在90%左右；當(dāng)輸入電壓在14 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在91%左右。由此可見，本恒流轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換效率。為了進(jìn)一步地了解Boost 升壓型開關(guān)電源的升壓比與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，用數(shù)值計(jì)算方法擬合升壓比和效率數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出，升壓比和效率成反比關(guān)系。從圖可以看出，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為92%，當(dāng)升壓比為1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為91%，當(dāng)升壓比為2時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為87%，通過計(jì)算，由此可見，在設(shè)計(jì)Boost恒流驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，為了得到較高的轉(zhuǎn)換效率，升壓比控制在2倍以內(nèi)。

4 結(jié) 論

太陽(yáng)能LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，是光伏太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量，直接影響LED路燈的使用壽命。針對(duì)Boost恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太陽(yáng)能LED路燈中應(yīng)用，本文介紹太陽(yáng)能LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)例參數(shù)試制一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，用數(shù)值計(jì)算方法擬合了樣機(jī)升壓比和效率數(shù)據(jù)，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為92%，當(dāng)升壓比為1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為91%，當(dāng)升壓比為2時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為87%。測(cè)試表明，該恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法可行，能為設(shè)計(jì)大功率LED太陽(yáng)能路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源提供一個(gè)參考。

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驅(qū)動(dòng)電源范文第5篇

關(guān)鍵詞： ARM； 壓電陶瓷； 驅(qū)動(dòng)電源； PI控制器

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0166?05

High?resolution piezoelectric ceramic actuator power supply based on ARM

GE Chuan， LI Peng?zhi， ZHANG Ming?chao， YAN Feng

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： According to the requirement of the micro piezoelectric actuator for driving power supply， a piezoelectric actuator power supply system was designed. In this paper， the digital circuit and analog circuit in the power supply system were described in detail. The accuracy and the stability of the actuator power supply were analyzed and improved. Finally， the performance of the power supply was verified in experiment. The experimental results indicate that the output voltage noise of the designed power supply is lower than 0.43 mV， the maximum nonlinear output error is less than 0.024%， and the resolution can reach 1.44 mV， which can meet the requirement of static positioning control in the high resolution micro?displacement system.

Keywords： ARM； piezoelectric ceramic； driving power supply； PI controller

0 引 言

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）是微位移平臺(tái)的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1?3]。然而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的分類

隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專用于壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。目前驅(qū)動(dòng)電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅(qū)動(dòng)電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差的特點(diǎn)限制其應(yīng)用[4]。而直流放大式驅(qū)動(dòng)電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而本文的設(shè)計(jì)原理采用直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

圖1 直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源原理

1.2 直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電源電路主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路和線性放大電路組成。通過微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓（0～10 V），通過放大電路對(duì)D/A輸出的直流電壓做線性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動(dòng)精密定位平臺(tái)。

該設(shè)計(jì)中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號(hào)及波形；采用18位電壓輸出DA芯片AD5781作為D/A轉(zhuǎn)換電路的主芯片，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號(hào)；采用APEX公司的功率放大器PA78作為功率放大器件，輸出0～100 V的高壓信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)PZT。為實(shí)現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動(dòng)電源分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到1 mV量級(jí)。

2 基于ARM的低壓電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制器簡(jiǎn)介

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設(shè)備提供通用的輸入/輸出接口；作為控制器運(yùn)行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號(hào)或波形實(shí)現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對(duì)如上需求，本設(shè)計(jì)采用LPC2131作為主控制器[5]，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI?S?CPU的微控制器，主頻可達(dá)到60 MHz；LPC2131內(nèi)部具有8 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器；具有兩個(gè)通用UART接口、I2C接口和一個(gè)SPI接口。由于LPC2131具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動(dòng)電源的控制芯片。

2.2 D/A電路設(shè)計(jì)

由于壓電驅(qū)動(dòng)電源要求輸出電壓范圍為0～100 V，分辨率達(dá)到毫伏級(jí)，所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級(jí)。本設(shè)計(jì)采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍-10～10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/噪聲頻譜密度。另外，AD5781還具有極低的溫漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，該D/A轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于AD5781采用的精密架構(gòu)，要求強(qiáng)制檢測(cè)緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，確保達(dá)到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2.8 nV/雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設(shè)置AD5781為DAC二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

圖2 AD5781硬件設(shè)計(jì)電路圖

在ARM端的軟件設(shè)計(jì)中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式[5]。正確的SPI接口時(shí)序配置圖如圖3所示。

圖3 主模式下的SPI通信時(shí)序圖

3 高壓線性放大電路設(shè)計(jì)

本文壓電驅(qū)動(dòng)電源采用直流放大原理，通過高壓線性放大電路得到0～100 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和線性度， 是整個(gè)電源的關(guān)鍵。

3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計(jì)

放大電路采用美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8 mV，溫漂-63 V/°C，轉(zhuǎn)換速率350 V/μs，輸入阻抗108 Ω，輸出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的線性放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為，得到輸出電壓范圍為0～100 V。

如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0 V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0 V。但事實(shí)上，由于放大器制造工藝的原因，不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配，使輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象被稱為溫度漂移（溫漂），溫漂的大小隨時(shí)間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C，并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的，使PA78無(wú)法應(yīng)用于毫伏級(jí)分辨率的電壓輸出，需要對(duì)放大電路進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 線性放大電路

3.2 放大電路的改進(jìn)

這里將PA78視為被控對(duì)象G（S），將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動(dòng)N（S），這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉(zhuǎn)化成減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的控制器設(shè)計(jì)的問題。在控制器的設(shè)計(jì)中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種[6]。一般來(lái)說反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡(jiǎn)單。但是在高壓放大電路中，反饋信號(hào)是由PA78的輸出級(jí)提供。反饋信號(hào)的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，故線性放大電路中不使用反饋校正法[7]。而在串聯(lián)校正方法中，有源器件的輸入不包含高壓反饋信號(hào)，所以該設(shè)計(jì)采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI（比例?積分）控制器G1（S）進(jìn)行校正，如圖5所示。

圖5 放大電路串聯(lián)校正控制系統(tǒng)

圖5中，PI控制器將輸出信號(hào)c（t）同時(shí)成比例的反應(yīng)輸入信號(hào)e（t）及其積分，即：

（1）

對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換得：

（2）

由式（2）觀察可得，PI控制器相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，開環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統(tǒng)的型別，由于系統(tǒng)的型別的提高可以減小系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差（對(duì)于線性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動(dòng)[8]）。同時(shí)PI控制器還增加了一個(gè)位于復(fù)平面中左半平面的開環(huán)零點(diǎn)，復(fù)實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，緩解由犧牲的動(dòng)態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響[9]。

放大電路的設(shè)計(jì)中采用有源模擬PI控制器，改進(jìn)后的線性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的輸入失調(diào)電壓低于50 μV（滿溫度行程下），電壓噪聲≤0.04 μV（P?P）@0.1～10 Hz，因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)函數(shù)為，其中、，調(diào)節(jié)R7，R8和C4的參數(shù)值，達(dá)到減小輸出誤差的目的。

3.3 相位補(bǔ)償

從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此保證控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性的方法是使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度即相角裕度。

由于實(shí)際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對(duì)地電容對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響[10]。如圖6所示，采用C5和C6補(bǔ)償反向端的雜散電容。從系統(tǒng)函數(shù)的角度看，即構(gòu)成超前校正[10]，增加開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率，從事增加系統(tǒng)帶寬提高響應(yīng)速度。

PA78有兩對(duì)相位補(bǔ)償引腳，通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)放大器內(nèi)部的零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據(jù)控制系統(tǒng)抗噪聲能力的需求，配置RC網(wǎng)絡(luò)使高頻段的幅值特性曲線迅速衰減，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖6中，R4，C1與R5，C2構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖6 改進(jìn)后的線性放大電路

此外電路中C3的作用是防止輸出信號(hào)下降沿的振動(dòng)引起的干擾；R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級(jí)，提高PA78的驅(qū)動(dòng)能力。

將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02；超前校正補(bǔ)償電容分別為12 pF和220 pF；RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為R=10 kΩ、C=22 pF。利用線性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖7所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達(dá)100 kHz，從而保證了系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)相角裕度γ>60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性（由于PZT的負(fù)載電抗特性一般呈容性，所以留有較大的相角裕度十分必要）。

圖7 改進(jìn)的放大電路的幅頻和相頻特性曲線

4 驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)壓電源采用長(zhǎng)峰朝陽(yáng)電源公司的4NIC?X56ACDC直流電源，輸出電壓精度≤1%，電壓調(diào)整率≤0.5%，電壓紋波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。測(cè)量設(shè)備采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。

首先對(duì)DAC輸出分辨率進(jìn)行測(cè)量，ARM控制器輸出持續(xù)5 s的階躍信號(hào)，同時(shí)在DAC輸出端對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果部分顯示見圖8。圖8中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達(dá)3.89e-5 V，即38.9 μV。

在模擬電路中，噪聲是不可避免的。對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)電源來(lái)說，噪聲的等級(jí)限制了驅(qū)動(dòng)電源的輸出分辨率。圖9分別給出經(jīng)典放大電路和改進(jìn)后的放大電路的測(cè)試噪聲。從圖中可得通過使用PI控制器和相位補(bǔ)償元件將壓電驅(qū)動(dòng)電源的輸出噪聲從1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。

圖8 DAC分辨率實(shí)驗(yàn)圖

圖9 放大電路噪聲圖

圖10給出了放大電路的輸出分辨率，放大電路的分辨率決定了PZT的定位精度，如要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度，驅(qū)動(dòng)電源的分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。圖10中，輸出電壓的分辨率可達(dá)到1.44 mV。

圖10 放大電路分辨率實(shí)驗(yàn)圖

最后，給出驅(qū)動(dòng)電源電壓線性度曲線。線性度能夠真實(shí)的反映出輸出值相對(duì)于輸入真值的偏差程度[11]。線性度曲線如圖11所示。得到擬合直線Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非線性誤差為0.024%，能夠滿足精密定位需求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源采用直流放大原理，具有低電路噪聲、高分辨率和低輸出非線性度等特性，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的帶寬可達(dá)100 kHz。以上特性使本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)電源能夠應(yīng)用于納米級(jí)靜態(tài)定位的需求，由于其性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故具有很高的實(shí)用價(jià)值。

圖11 輸出電壓曲線和非線性度曲線

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