驅動電源設計
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驅動電源設計范文第1篇
引 言
所謂“綠色照明”是指通過可行的照明設計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩定的照明產品，改善提高人們的生活品質。完整的“綠色照明”內涵包括高效、節能、安全、環保等四項指標，不可或缺。作為“綠色照明”之一的半導體照明是21世紀最具發展前景的高技術領域之一，它具有高效、節能、安全、環保、壽命長、易維護等顯著特點，被認為是最有可能進入普通照明領域的一種新型第四代“綠色”學源。2003年6月17日，我國正式啟動“國家半導體照明工程”。隨著“綠色照明”理念的提出和推廣，以半導體材料制作的LED光源被逐漸的應用到了景觀照明方面，與此同時大功率的LED路燈引起了人們的廣泛關注。大功率LED路燈的工作原理是，通過直流低壓對大功率LED組進行點亮，從而滿足人們的照明需求。大功率LED路燈不僅具有亮度高和顯色性好的優勢，并且因為LED路燈的需要輸入的電能是低壓直流，所以對電能的要求少。隨著太陽能光伏發電技術的不斷成熟，由于大功率LED路燈對電能的要求少，使得太陽能LED路燈作為未來道路的照明方式成為可能。在目前的LED應用過程中，由于大功率LED所需要的必須是低壓直流電源，所以普通的家用交流電無法滿足大功率LED的要求，即使經過了普通降壓和穩壓的電源也必須通過重新改良過后才能用于為大功率LED驅動電能。本文通過對大功率LED的工作特性深入探析理解，并對目前常用的一些驅動電源進行簡要分析，對高效的發揮出大功率LED的優勢驅動電源必須具備的哪些條件提出了多個設計要素。
一、LED驅動電路研究的意義和價值
LED路燈是低得罟、大電流的驅動器件其發光的強度由流過LED的電流決定電流過強會引起LED的衰減電流過弱會（dian4 liu2 guo4 ruo4 hui4）影響LED的發光強度因此LED的驅動需要提供恒流電源以保證大功率LED使用的安全性同時達到理想的發光強度。用市電驅動大功率LED需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問題還需有比較高的轉換效率有較小的體積能長時間工作易散熱低成本抗電磁干擾和過溫、過流、短路、開路保護等。本文設計的PFC開關電源性能良好、可靠、經濟實惠且效率高在LED路燈使用過程中取得滿意的效果。
LED由于節能環保、壽命長、光電效率高、啟動時間按短等眾多優點，成為了照明領域關注的焦點，近年來發展迅速。由于LED獨特的電氣特性使得LED驅動電路也面臨更大的挑戰，LED驅動電路關系到整個LED照明系統性能的可靠性。因此為防止LED的損壞，這些都要求所設計系統能夠精準控制LED輸出電流。目前采用的穩壓驅動電路，存在穩流能力較差的缺點，從而導致LED壽命大為縮短。
當前，直流輸入LED驅動電源已經發展了較長的一段時間，電路已比較成熟，而用于市電輸入照明的LED驅動電路，很多采用交流輸入電容降壓及工頻變壓器降壓，電源體積過大，輸出的電流穩定性差，性能很低。目前針對市電輸入的降壓驅動電路是當前LED驅動市場的難點和熱點。LED照明時一種綠色照明，其驅動電源的輸出功率較小，在此情況下實現電源的高效率是另一大難點。同時，由于LED的使用壽命理論上長達10 萬小時，這要求驅動電源很高的可靠性。
二、設計方案
HV9910 應用恒定頻率峰值電流控制的脈寬調制（PWM） 方法，采用了一個小電感和一個外部開關來最小化LED驅動器的損耗。不同于傳統的PWM控制方法，該驅動器使用了一個簡單的開/ 關控制來調整LED的電流，因而簡化了控制電路的設計。
2.1 電路的特點
1）無需電解電容及變壓器，這樣增加了電源的使用壽命。如果LED驅動器理有電解電容，那壽命主要取決于電解電容，電解電容的使用壽命有一個大家公認的近似計算法則：即溫度每下降10 度使用壽命增加一倍。比如說標稱105 度2000 小時的電解電容，在65 度下使用壽命大約是32000 小時。
2）高效率。這款靈活簡單的LED驅動器IC效率超過93%，可減少相關元件的數量，從而降低了系統成本。HV9910 可將調整過的85V至265Vac 或8V至450Vdc 電壓源轉換為一個恒流源，從而為串連或并聯的高亮LED提供電源。
3）電路簡單，僅需一個芯片HV9910 的實現就能實現所有的功能，沒有用到變壓器，提高了功率的效率，減少了空間，增加了系統的可靠性。
2.2 電磁兼容，高PFC、過EMI
采用高PFC 功能電路設計的室外LED 路燈電源，內置完善的EMC電路和高效防雷電路，符合安規和電磁兼容的要求。再用電壓環反饋，限壓恒流，效率高，恒流準，范圍寬，實現了寬輸入，穩壓恒流輸出，避免了LED正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使LED得亮度穩定。整機元件少，電路簡單。
2.3 電源的PCB設計
本文在PCB 布局過程中，將易受干擾的元器件、輸入與輸出元件、具有較高的電位差的元器件或導線間距離盡可能加大，提高電路的抗干擾能力。
本文遵守以下原則進行PCB布線：
1）盡量避免相鄰的線平行排列，平行走線的最大長度小于3cm，避免線間電容使電路發生反饋耦合和電磁振蕩；
2）為避免高頻回路對整個電路的影響，盡可能減小其面積，并使用較細的導線；
3）合理設計PCB導線的寬度，電源進線線寬1.5mm，開關電源輸入線的相線與中線間距3.5mm，電源地與輸出地間距、變壓器的初級與次級間距均大于8mm；
三、可靠性設計
要在照明領域中大量使用大功率白光LED，只有保證大功率白光LED驅動電源安全可靠地工作，才能保證大功率白光LED的長壽命和發光亮度穩定。
3.1過壓過流保護
在實際使用中，會出現負載短路或者空載的情況，會造成整個驅動電源的破壞，所以在驅動電源設計的時候，需要增加過壓與過流保護。
3.2隔離保護
LED是低電壓的產品，當驅動電源的開關損壞時，也不能有危及負載的高電壓出現。所以要求電路的負載電路做到隔離保護。
3.3浪涌保護
在實際應用中，電網很不穩定，尤其是雷雨季節，會有浪涌電壓存在，所以在驅動電源設計時，要考慮到整個產品的防雷，盡量避免在異常時造成永久性的破壞。
3.4散熱設計在大功率LED應用中，LED能承受的電流與溫度有一定的關系，所以在驅動電源設計時，需要考慮大功率白光LED的散熱問題和驅動電源本身的散熱問題。
驅動電源設計范文第2篇
關鍵詞：半導體激光器;驅動電源;設計
中圖分類號：TN929.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）35-0008-02
半導體激光器擁有廣闊的應用范圍和極大的應用潛力，廣泛應用于軍事、醫療、商業貿易和工業生產等多個領域。但是傳統的半導體激光器內部的設計模式并不好，使用壽命也很短，大大限制住了半導體激光器的使用路徑。通過對內部驅動電源的設計分析，可以優化半導體激光器的電力結構，有效延長半導體激光器的使用壽命。
1 半導體激光器和驅動電源的概念和含義
半導體激光具有體積小、重量輕、價格相對較低和驅動電源設計簡單等優越性的有利條件。半導體激光器是以半導體材料為工作物質，利用電力產生激光激光的一種物理性工具。半導體激光器要順利地產生和發射出激光，必須要滿足三個基本條件：
一是在電子注入有源區時形成粒子數的反轉;
二是電子在光學諧振腔內產生一定波長的光，并利用電子躍遷來提高光的亮度和強度;
三是在發射激光時，注入諧振腔內的載流子既不能多也不能少，保證激光閾值的電流密度維持在飽和狀態。
半導體激光器是實用性和適用性都最好的一類激光器，廣泛應用于光存儲、激光測距、激光通信、激光打印和雷達等多個方面。驅動電源是把電運供應的電力轉換成某一特定的電壓和電流，用以驅動機器工作運轉的一種電源轉換器。由變壓器、整流橋、穩壓電路、綠波網絡和慢啟動電路組成的驅動電源采用的不是電池供電或通電的開關閉合來控制電源狀態的。
2 半導體激光器對驅動電源的要求
注入半導體激光器的電流小于額定閾值的時候，激光器就會因為輸出功率過小而只能發出微弱的熒光。這時射出的光也只是半導體激光器自發輻射的光能能量，并不是從半導體的物質原子中發射出來的激光。注入半導體激光器的電流大于額定閾值的時候，激光器在恒溫的情況下輸出的功率和注入的電流大小成正比的線性關系。當半導體激光器內部的驅動電流超過允許流通電流的最大上限時，驅動電源就很有可能被燒毀，情況嚴重的時候還可能會發生小型爆炸，傷及相關的使用人員。原本半導體激光器的時間響應速度就很快，基本上都是以毫微秒來進行計量的，即使是極為短小的時間段內的沖擊電流也會造成半導體激光器的破損和毀壞。因此，半導體激光器內部的驅動電源必須要擔負起保護電路安全和電流穩定的職責，盡量減小或消除沖擊性電流帶來的不良影響和損失后果。
一方面，像半導體激光器這種非感性的電力負載，在閉合開關和斷開電源的瞬間都會產生一股很大的沖擊性電流。半導體激光器的驅動電源必須要將電力的輸入和輸出設計成一種啟動較慢的安全性電流回路。通過降低激光波長的紋波系數和濾除電路中的交流分量來保證流通電流和輸入電壓的穩定性。
另一方面，氣候溫度和空氣濕度以及線路老化等原因都對半導體激光器的激光輸出功率有著顯著的負面影響。半導體激光器的驅動電源必須要有一套自動控制電路溫度，同時增益輸出功率的設計方案，使半導體激光器能夠在恒溫的狀態下進行正常的工作。
3 半導體激光器驅動電源的設計
3.1 總體設計方案和分析
本文選取了型號為MD-500-7的這種數字式大功率半導體激光器驅動電源為例。該激光器的額定功率是500 W，能承受的最高電壓不能大于50 V，可以流通的電流為0～60 A。驅動電源的整體設計圖，如圖1所示，圖中明確指出了驅動電源內部對實現技術指標的影響相對較大的重要單元。對這些關鍵性的組成單元，必須要在設計方案上進行深入的理性分析和客觀的對比篩選。
在驅動電源的整個設計系統中，各個組成部分的設計是以總體設計方案為中心，圍繞著總體設計圖來展開的。傳統的半導體激光器驅動電源，采用的都是分析電源主回路和平均分攤電力的單一型設計方案。即便半導體激光器是電子轉光子的一個高效率轉換機器，也和其它的電力產品一樣，不可避免地會因為常規操作和使用次數的增加而出現機理損耗和功能弱化的現象，從而影響激光管工作時光線波長和輸出功率的穩定性能。只有對其內部驅動電源的溫度進行嚴格的調控，才能保證半導體激光器在恒溫的狀態下更為持久可靠地進行工作。為了達到更好的設計理想和使用效果，溫控單元激光二極管的溫度控制也需要必要的分析和研究。
3.2 恒流源驅動器的設計
恒流源電路可以使半導體激光器最大輸出40 A穩流源的驅動電源在連續工作的模式下保證電壓以2～10 V的低水平性輸出。如圖2所示，設定輸出電流最高可達40 A，輸出電壓穩定在2～10 V之間，使用大功率場效應管作為設計中的調整控制管，利用場效應管的開關來控制連接在漏極D上的負載電流ID并使其保持不變，通過控制場效應管的旁吹繆UGS來達到均衡電流的最終目的。
在恒流驅動器正常工作的時候，圖2中MOSFET管Q1的控制電壓Vgs是一種正向的驅動電壓，為MOSFET管提供導通飽和的功能服務。IR是一種通過LD的電流，會遵照相關的指數規律呈增長趨勢。Imax指的是在MOSFET管一直導通的情況下Vdd對L充電所能達到的最大指數。
半導體激光器使用壽命的長短和工作效率的高低直接取決于驅動電源的穩定程度。驅動電源的穩定性能較高，半導體激光器的使用壽命就會相應地延長，發射激光的工作效率也能夠保持在一個較高的水平上。因此，對半導體激光器驅動電源的保護是必要而重要的。驅動電源的保護可以由軟啟動、浪涌消除電路、過流過壓檢測電路和恒流源各部分軟件的設計來具體實現。
3.3 制冷器和驅動電路的設計
半導體激光器驅動電源的溫度控制是建立在閉環負反饋理論和電力恒溫流原理上的一種控溫技術。由P型和N型的半導體制冷元件構成的熱點對偶是最常見的溫度傳感器之一，也是半導體激光器驅動電源制冷系統的基本元件。把P型和N型的半導體制冷元件連接在一起，讓直流電通過P-N組件，P和N接頭的兩個地方就會產生一定程度上的溫度差別。溫度較低的電流方向是從N到P，接口處的溫度會逐漸下降并吸收熱量;溫度較高的電流方向是從P到N，接口處的溫度會慢慢上升并釋放熱量。這種冷熱銜接、對接協調的N-P組件就是一個完整的熱電偶對。將多個熱電偶對成串地設置在電路上，和熱交換器的傳熱元件組合形成普遍應用于驅動電源內部的熱電制冷組合控件，專門負責進行熱傳導和熱疏散，保持驅動電源工作環境的恒定低溫。
演算制冷量的具體公式是：
Qc=αITc-■I2R-KΔT
其中，Qc為制冷量;
α為Seeback系數;
R為元件內阻;
K為元件導熱系數;
I為電流;
ΔT為冷熱端溫差。
溫度傳感器是溫度控制系統中最重要也最核心的硬件組成部分。溫度測量的敏感元件不僅有熱電偶對和熱敏電阻等傳統的溫度傳感器，又有光學溫度傳感器和集成溫度傳感器等先進的現代化溫度傳感器。一般的半導體激光器驅動電源往往采用的都是一種型號為DS18B20的數字溫度傳感器。
4 結 語
由于半導體激光器對內部的驅動電源提出了穩定電流和控制溫度這兩個基本性的技術要求，所以在設計半導體激光器的驅動電源的時候，要充分考慮驅動器、電路主回路和溫控系統等部分的工作原理來設計電源方案。同時還要注意設計一些如軟啟動、過壓檢測電路和消除浪涌電路等用來保護電路的硬件和軟件。
參考文獻：
[1] 叢夢龍，李黎，崔艷松，等.控制半導體激光器的高穩定度數字化驅動 電源的設計[J].光學精密工程，2010，（7）.
驅動電源設計范文第3篇
【關鍵詞】LED驅動電源；功率因數校正；半橋LLC諧振變換器；PLC810PG
Design of A High Power Factor and High-Power
Power Supply to Drive LED Lights
SHI Hong-wei Zhu Zheng-yu Shejie
（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214433，Jiangsu，China）
Abstract：With the development status of LED power supply，this article introduces a programme in the case of high power for LED lights.The article introduces a design of half-bridge LLC resonant based on PLC810PG for LED lights switching power supply.This design realizes factor correction and improved work efficiency by soft switching.In the article，the main circuit and control circuit are designed in theory and the related circuit parameters are estimated.Finally experimental studies show that the system design is feasible and the basic performance to meet design requirements.
Key words：LED power supply；power factor correction；half-bridge LLC resonant circuits；PLC810PG
引言
LED（light emitting diode）具有發光效率高、功耗小、壽命長、光污染小、光線質量高等優點，已在各個領域得到廣泛應用。近些年隨著大功率的LED發光技術的升級，大功率的白光LED越來越多的被應用于通用照明領域。可以說，作為新一代光源，LED的應用已經成為照明的發展方向。目前LED應用的熱點之一是LED的道路照明。
LED路燈的電源控制和驅動系統是保證其功能和高效的重要基礎。文章結合大功率LED驅動電源的發展現狀，提出了一款基于PLC810PG的半橋LLC諧振式的LED路燈開關電源的設計方案，把輸入分壓與半橋兩個開關各自形成一路Boost電路，實現了功率因數校正作用，后級采用LLC諧振負載網絡，實現了軟開關，提高了工作效率。
1.系統結構
由于LED路燈功率較高，LED路燈電源不宜再沿用單開關反激式電路，而必須采用支持相應功率的電路拓撲，例如半橋LLC諧振拓撲結構。如圖1所示，Q1和Q2是半橋開關管（MOSFET），半橋諧振網絡中選用的是LLC結構，Cr、Lr和變壓器T1初級繞組線圈Lm組成LLC諧振網絡。Lb1、Q1、Dds2、Cb組成一路boost電路，Lb2、Q2、Dds1、Cb組成另一路boost電路，兩個boost電路工作在斷續模式下，作為天然的功率因數校正器。其中Lr為變壓器的漏感，Lm為變壓器的勵磁電感。
2.輸入EMI濾波電路和橋式整流電路
從頻率的角度看，EMI濾波器屬于低通濾波器。它能毫無衰減地把直流電和工頻交流電傳輸到開關電源，不但可以大大地衰減從電網引入的外部電磁干擾，還可以避免開關電源設備本身向外部發出噪聲干擾，以免影響其他電子設備的正常工作。本設計中采用的EMI濾波器基本結構如圖2所示。
市電交流220V輸入后，經由電容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模電感器L1、L2組成的輸入EMI濾波器濾波，R1～R3在交流電源切斷時為電容放電提供通路。熱敏電阻RT1用來在電源系統啟動時限制浪涌電流。當電路正常工作后，繼電器RL1將RT1旁路，RT1中幾乎無電流流過，不再有功率損耗，從而使電源效率提高1%～1.5%。BR1為橋式整流器，C7是濾波電容。
3.半橋LLC諧振電路
半橋雙電感加單電容（LLC）諧振轉換器能提供較大的輸出功率，保證半橋MOSFET的零電壓開關（ZVS），具有較高的效率，基本結構如圖1所示。在圖1中，Q1和Q2是半橋開關（MOSFET），Cr、Lr和變壓器T1初級繞組線圈LM組成LLC諧振變換器。
本文設計的LED路燈照明用驅動電源（圖3）中，Q1，Q2為半橋功率開關管（MOSFET）。C39為諧振電容，變壓器T1的初級繞組與其構成LLC諧振回路（通常將圖1中的Lr結合進變壓器初級之中，對于圖3所示的電路拓撲，仍稱作LLC諧振結構，而不稱其為LC諧振拓撲）。T1的次級輸出經全波整流二極管、C37、C38整流濾波后產生52V直流電壓輸出，作為LED路燈模塊的電源驅動。
3.1 電路主要元器件參數設計
系統的額定輸出功率100W，輸出電壓為52V，兩個boost電感的值可由表達式（1）計算得到：
由于輸出功率P0=ηPin，效率值為90%，一般母線電壓為1.2倍峰值輸入，由此可求出系統的兩個boost電感值。我們在當系統工作在fr的頻率下來進行分析，此時LLC電路的電壓增益為1，即可求出變壓器的匝比為
圖（3）中C39不僅起電容隔直的作用，也為負半周的諧振提供能量。且C39兩端最大電壓滿足
其中fmax表示最大的開關頻率，由表達式（3）可求出C39的值。由于系統工作頻率，我們將fr取100kHz，則可求出系統中的Lr的值。
而由表達式（4）也可求出系統的勵磁電感取值。
最終取值為：
Lb1=Lb2=400μH，Lr=112μH，Lm=600μH，C39=22nF，
T1匝比為n=4。
3.2 LLC的變壓器T1的設計
變壓器T1使用ETD39磁心和18引腳骨架。先繞次級繞組，次級繞組使用175股40AWG（Φ為0.08mm）李茲線（即絞合線），從引腳10到引腳12，再從引腳11到引腳13各繞9匝，并覆蓋2層聚酯膜。初級繞組使用75股40AWG（Φ為0.08mm）絞合線，從7引腳開始到9引腳結束，繞36匝，再繞2層聚酯膜。其電感量是820μH（±10%），漏感是100μH(±10%)。將分成兩部分的磁心插入骨架中對接在一起，在磁心外面用10mm寬的銅皮繞一層，用焊錫將接縫焊牢，再在銅皮與引腳2之間焊接一段Φ為0.5mm的銅線。在銅皮外部用聚酯膜覆蓋起來。
3.3 基于PLC810PG的LLC控制電路
PLC810PG的CCM PFC控制器只有4個引腳（除接地端外），是目前引腳最少的CCM PFC控制器。這種PFC控制器主要是由運算跨導放大器（OTA）、分立電壓可編程放大器（DVGA）和低通濾波器（LPF）、PWM電路、PFC MOSFET驅動器（在引腳GATEP上輸出）及保護電路組成的。PFC控制器有兩個輸入引腳，即引腳ISP（3）和FBP（23）。FBP引腳是PFC升壓變換器輸出DC升壓電壓的反饋端，連接OTA的同相輸入端。OTA輸出可視為是PFC控制器等效乘法器的一個輸入。OTA在引腳VCOMP（1）上的輸出，連接頻率補償元件。反饋環路的作用是執行PFC輸出DC電壓調節和過電壓及電壓過低保護。IC引腳FBP的內部參考電壓VFBPREF=2.2V。如果引腳FBP上的電壓VFBP＞VOVN=1.05×2.2V=2.31V，IC則提供過電壓（OV）保護，在引腳GATEP上的輸出阻斷。如果電壓不足使VFBP＜VIN(L)=0.23×2.2V=0.506V，PFC電路則被禁止。如果VFBP＜VSD(L)=0.64×2.2V=1.408V，LLC級將關閉。PLC810PG的ISP引腳是PFC電流傳感輸入，用作PFC算法控制并提供過電流（OC）保護。PFC在ISP引腳上的過電流保護（OCP）解扣電平是-480mV。
設計的電路中52V的輸出由R67、R66采樣，經穩壓器U3，光電耦合器U2及R54、D16、R53等反饋到U1的FBL引腳，來執行輸出電壓調節和過電壓保護。流入引腳FBL的電流越大，LLC級開關頻率也就越高。最高開關頻率由U1引腳FMAX與VREF之間的電阻R52設定。R49、R51、R53設置下限頻率。C27是LLC級軟啟動電容，軟啟動時間由C27和R49，R51共同設定。
R59是T1初級電流感測電阻。R59上的電流感測信號經R47、C35濾波輸入到U1的ISL引腳，以提供過電流保護。
偏置電壓VCC經R37、R38分別加至U1的VCC和VCCL引腳，將U1模擬電源和數字電源分開。R55和鐵氧體磁珠L7，在PFC與LLC地之間提供隔離。U1內半橋高端驅動器由自舉二極管D8、電容C23和電阻R42供電。Q10和Q11散熱器經C78連接到初級地（B-）。
4.PFC功率因數校正電路
L4、PFC開關（MOSFET）Q3、升壓二極管D2和輸出電容C9等組成PFC升壓變換器主電路。在140～265VAC輸入電壓范圍內，輸出電壓穩定在385VDC（B+與B-之間），并在BR1輸入端產生正弦AC電流，使系統呈現純電阻性負載，線路功率因數（PF）幾乎等于1。晶體管Q4、Q5等組成Q3的緩沖級。R6和R8是PFC級電流傳感電阻，二極管D3、D4在浪涌期間箝位R6和R8上的電壓（即兩個二極管上的正向壓降）。
4.1 PFC升壓電感器的設計
PFC升壓電感器L4使用PQ32/20磁心和12引腳骨架，L4主繞組使用#20AWG（美國線規，約＜0.8mm）絕緣磁導線，從引腳1開始到引腳6終止，繞35匝，電感量是580μH(±10%)。在主繞組外面繞一層作絕緣用的聚酯膜。偏置繞組使用#28AWG(＜0.3mm)絕緣導線從引腳8開始繞2匝，到引腳7結束。在該繞組線圈外面繞3層聚酯膜。在磁心上包裹一層銅箔，并用＜0.5mm銅線將銅箔與9引腳焊接起來，作為屏蔽層。在銅箔外面再繞3層聚酯膜。
4.2 基于PLC810PG的PFC控制電路的設計
U1引腳GATEP上的PWM信號驅動PFC開關Q3。R6和R8上的電流傳感信號經R45，C73濾波輸入到U1引腳ISP，來執行PFC算法控制，并提供過電流保護。PFC輸出電壓VB+經R39～41、R43、R46和R50取樣，并經C25濾除噪聲，輸入到U1引腳FBP，來執行PFC輸出電壓調節和過電壓以及電壓過低保護。U1引腳VCOMP外部R48，C26，C28為頻率補償元件。當引腳VCOMP上的信號較大時，Q20導通，將C26旁路，可使PFC控制環路能夠快速響應。
5.實驗研究
在本文以上分析設計的基礎上，試制了一臺100W/100kHz（2A/52V）大功率LED驅動電源的樣機。實驗電路參數如下：單相輸入電壓Uin=220V（50Hz），輸出功率Po=100W，工作頻率fr=100kHz，負載為歐司朗公司1W高亮LED，共分4路，每路25只LED。
圖4所示為中點電壓Vds2與副邊二極管Dr2的電流波形，由圖可知如圖4（a），很明顯在二極管關斷前其電流已經到零，則二極管工作在ZCS狀態，此時工作頻率為90kHz；圖4（b）為在二極管關斷時，二極管電流恰好為零，此時系統工作在fr的工作頻率上，fr為100kHz；圖4（c）為在二極管關斷前，二極管電流并不為零，此時副邊的二極管失去了其ZCS特性，系統工作頻率為125kHz。
圖5所示為半橋開關管Q1的電壓、電流波形，由圖可知開關管工作在ZVS狀態。
圖6為100W樣機測試波形，當其由45%～100%負載變化時，其PF大于0.96；THD在10%以內，滿足IEEE519以及IEC61000－3－2標準；效率在87.2%～91.1%間變化，當系統滿載時，其效率高達91.1%，母線電壓由490V變為375V，滿載時，母線電壓為375V，紋波電壓為5V，紋波頻率為100Hz，由于輸入為交流220V，則其交流輸入電壓峰值為311V，母線電壓只略高于輸入，不會達到二倍峰值輸入，系統輸出電壓為52V，滿載時紋波為1V。
結束語
本文結合當前大功率LED驅動電源的發展現狀，提出一種適用于LED路燈的驅動電源。由于LLC的應用使系統能夠工作在軟開關狀態下，提高了系統的工作效率。經測試，系統在滿載時功率因數達0.992，THD為6.5%，效率高達91.1%。最后試制了樣機，驗證了設計方案的可行性和正確性。
參考文獻
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驅動電源設計范文第4篇
關鍵詞:背光源;發光二極管;動態;降低功耗;驅動電路
中圖分類號:TN141.9 文獻標識碼:A
The Matrix LED Dynamic Backlight and Drive Circuit's Design
ZHENG Xiao-bin, YAO Jian-min, LIN Zhi-xian, XU Sheng, LI Yuan-kui, RUAN Kai-ming, GUO Tai-liang
(College of Physics and Information Engineering Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350002, China)
Abstract: Because of its non-luminous, the liquid crystal needs backlight. At present majority use the Cold Cathode Fluorescent Lamp(CCFL) as backlight. But the brightness is not easy to be controlled and response slow and so on disadvantages of CCFL, it results the energy wasted and motion blur of the liquid crystal display. This study introduced a structure of direct dynamic backlights based on LEDs, in which the light emission of every LED was restricted to a smaller area on the diffuser film and every LED was only responsible to illuminate one part of LCD. Designed the drive circuit of dynamic backlight, the LED backlight achieves the corresponding brightness by the analysis to the demonstration picture to obtain the parts of different best brightness and using the way of dynamic controlling the brightness. Using Matlab software simulation LED backlight, results show that the dynamic backlight can effectively reduce power consumption and improve image contrast.
Keywords:backlight; LED; dynamic; reduce the power consumption; drive circuit
引 言
液晶顯示(liquid crystal display,LCD)已在眾多領域迅速取代了傳統陰極射線管(cathode ray tube, CRT) 顯示技術[1],使LCD顯示器成為了家電市場的主導產品。由于液晶本身不發光,需要通過背光照明,因此目前大多數產品采用陰極射線熒光燈(CCFL)作為背光源。但因CCFL的亮度不容易控制,而液晶電視是采用調節LCD的控制電壓,改變液晶的透過率來實現對LCD總體亮度的控制,這種方式在很多情況下造成了背光模組的光能和電能的浪費。另一方面,隨著世界各國對環保的重視以及RoHS法規的實施,近年來LCD廠商正積極地尋求冷陰極熒光燈的替代方案。
過去數年,LED已得到廣泛應用,其中成長最快的應用領域是LCD的背光應用。且數年間LED已在小尺寸顯示屏的背光應用領域得到普及,已取代了CCFL,而在中大尺寸的應用中,LED取代CCFL也正成為趨勢[2]。LED背光已開始邁入需要更高性能和更長工作時間的中大尺寸顯示屏背光的應用中。采用以色彩還原好、省電、壽命長為優點的LED背光源,是高端液晶電視的趨勢。文中所做項目攻克了背光源模塊過厚、傳統LCD背光散熱量大、工作時間過長和高溫下亮度和色彩易漂移的技術難題,使其色域范圍超過 110% NTSC[3]。
1 點陣式LED動態背光源
LED(light emitting diode)即發光二極管,是一種能夠將電能轉化為可見光的固態半導體器件,它可以直接把電轉化為光。同時LED是一種電流型器件,即它的工作狀態是以通過它的電流為標準的,其工作電流在20mA左右,管壓降在1.8～4V。一般在20mA工作電流時,LED能發揮最大的光電效率,超過這一電流值,雖然其亮度還能增加,但二極管的功耗和發熱激增,壽命會大大縮短。為了將LED的工作電流控制在20mA,過去大都采用串聯電阻的方法――限流電阻法,而現在一般采用集成電路恒流源。
點陣式LED背光,就是LED均勻地分布在整個背光面上,各個LED所照射出的光均勻地投射在整個背光膜上。點陣式LED如圖1所示。我們知道,單獨控制液晶的每一個像素點的點亮是難以實現的,但是可以通過盡量細分對液晶的照明區域,使單個LED 只負責為液晶的部分區域提供背光照明,這樣就可以最大程度地提高LCD的顯示質量。
采用亮度動態控制的方式可以很方便地通過調節LCD背光源電源電壓或輸入電流的大小,從而改變LCD的發光強度,可使電視在LCD較低能耗條件下工作。亮度動態控制就是通過對顯示的畫面進行分析,得到不同區域的最佳亮度的同時控制LCD背光達到相應的亮度。采用動態背光源能有效地改善目前LCD所存在的兩大問題:動態模糊(motion blur)和對比度低。
整體背光的亮度隨著影像內容個別進行亮度調變,動態背光模塊驅動模式所展現的并不是恒定亮度均勻光源,而是提供一個類似影像內容調變的動態的背光源,此模式可有效解決暗室漏光問題,大幅提升影像動態對比度[4]。由于主動式動態背光模塊驅動模式所展現的并不是恒定亮度均勻光源,而是提供一個類似影像內的主動式動態背光源,因此功耗大小隨不同影像內容有所差異。因此動態LED背光模塊的平均功耗將會比傳統 CCFL 背光模塊低,達到省電節能的功效,同時也可有效降低 LED 熱源的產生,解決一般 LED 背光源模塊所面臨的問題。因此,可使LED將不再需要額外的風扇及特殊散熱結構,即可有效降低整體材料及制造加工成本,同時由于 LED 低功耗將可進一步提高LED產品壽命與可靠度。同時借由動態驅動電路設計,可進一步提升影像的畫面質量,消除普通液晶顯示在顯示快速移動物體時出現的拖影現象。
2 驅動電路設計
LED動態背光原理框圖如圖2所示。視頻源信號是由計算機DVI顯卡接口輸出的分辨率為1024×768、刷新率為60Hz的視頻信號。視頻接收單元的解碼芯片采用Silicon Image公司的SiI161芯片,其解碼輸出24bits的RGB像素數據?？刂颇K的作用是由FPGA接收、緩存及處理數據,并驅動VGA轉換電路和LED背光源驅動電路。數據緩存采用數據乒乓存儲機制,將RGB三色數據存儲在數據緩存單元中的兩部分SRAM中。FPGA將處理后的數據送到VGA轉換電路模塊,驅動LCD顯示屏。同時,FPGA通過對灰度數據的采樣與計算,傳遞給LED背光源驅動電路所需要的數據和控制信號。LED背光源的驅動電路主要包括集成灰度調制電路和行后級放大單元電路。
2.1 集成灰度調制電路
LED灰度級顯示的方法目前有很多,包括幅值法、空間法、時分法,其中較為常見的是PWM法(脈寬調制法),也叫占空比法。這種方法是在掃描脈沖對應時間內,從數據脈寬中劃出的一個灰度調制脈沖[5]。數據脈沖的寬度可以劃分為多個等級,不同的寬度等級代表不同的灰度信息,從而可以使被選通的像素實現不同的灰度等級。PWM方式根據數據大小的不同,在一個周期內輸出灰度調制脈沖的占空比將產生相應的變化。以8位數據為例,如圖3所示,輸出的脈寬信號與數值大小成比例關系。當數據最大時(脈沖1,11111111),脈沖高電平占滿整個周期,達到全占空比;當數據為最大數據的一半時(脈沖2,10000000),則脈沖高電平占整個周期的一半,以次類推,當數據為0時,則整個周期內脈沖為低電平。這種灰度調制方法可以很容易地通過數字電路控制將灰度數據信息攜帶在列信號脈沖上,是平板顯示器中常用的灰度實現方案,尤其是電流型器件,如LED、OLED、FED的驅動電路中均有采用[6]。
本系統集成灰度調制采用PWM灰度調制芯片BHL2000。BHL2000專用集成電路芯片是由北京北方華虹微系統有限公司開發的具有自主知識產權的超大規模集成電路,廣泛應用在LED大屏幕和其它類型的顯示屏系統上。它采用雙端口SRAM技術,解決了其它芯片數據傳輸會占用可貴的顯示時間的突出問題,保證了圖像的亮度和灰度[7]。BHL2000采用PWM調制方式,主要由譯碼器、比較器、SRAM、計數器等部分構成,其內部結構框圖如圖4所示。
BHL2000芯片內部采用雙端口SRAM技術,數據的寫入和讀出操作分別由不同的時鐘和地址控制,因此數據的寫入和讀出互不影響。在寫入時鐘WR驅動下,數據從DIN0~DIN7輸入,在內部移位寄存器中串行移位16次后,由級聯口SHIFT0~ SHIFT7移出。行、場控制信號HS、YS則確定數據在存儲器中的存儲位置,最多可以存8×16×32個字節。輸出行、場控制信號HCLK、CLR確定取數位置,在讀出時鐘CLK控制下進行灰度調制,輸出脈寬信號O0~O15。BHL2000的16路漏級輸出接上拉電阻可產生最大80mA的驅動電流[8],同時串有8路級聯信號到下一個芯片。本系統中為了點亮一個48×32的LED點陣,需要三片BHL2000級聯。
2.2 行后級驅動單元
行后級驅動單元實現的是行掃描功能。利用FPGA送給行后級驅動單元的32路行信號可實現對LED背光的逐行掃描和隔行掃描。
本系統采用48×32點陣LED作為背光源,因此每顯示一行需要的電流是比較大的,假如每顆高亮度LED燈的額定電流是25mA,則驅動一行所需要的電流是25×48=1.2A,一般的驅動放大芯片無法滿足要求。因此,需要采用有較大驅動能力的MOS管,在本系統中使用的是STM4953。STM4953是雙P溝道增強型場效應管,輸出電流可達4.5A,完全可以滿足系統的要求。
其內部有兩個CMOS管,1、3腳為VCC,2、4腳為控制腳,2腳控制7、8腳的輸出,4腳控制5、6腳的輸出,只有當2、4腳為“0”時,7、8、5、6腳才會輸出,否則輸出為高阻狀態。
3 系統仿真
本系統采用FPGA對整個系統控制。FPGA控制模塊是整個系統的時序產生控制電路部分,它通過產生相應的控制信號,分別對數據緩存及處理單元、集成灰度調制驅動單元、行后級集成驅動單元進行控制。FPGA控制電路產生SRAM的控制信號和相應的地址信號來實現對數據緩存單元的控制,同時 FPGA控制電路對集成灰度調制驅動單元的控制,是通過產生BHL2000的灰度調制控制信號來實現。而 FPGA控制電路對行后級集成驅動單元的控制,是通過產生1/32的行脈沖信號并送到STM4953來實現。圖5是 FPGA產生的控制信號的總體流程圖。
根據系統輸入、輸出信號的要求,本設計采用Cyclone公司的EP1C6 為目標芯片,以quartus為開發工具,Verilog語言為開發語言,進行FPGA設計。本設計對集成灰度調制和行后級采用模塊化設計,如圖6所示。BHL2000模塊的功能是送給BHL2000芯片所需的控制信號wr、hs、vs、hclk、clk、clr及8位串行灰度信號。row模塊的功能是向行選驅動模塊提供32位并行的行信號 row[31..0]。
4 實驗結果
為了驗證點陣式動態背光源的效果,本設計采用Matlab進行模擬圖像所需的背光源,試驗中選用了2幅1024×768像素的8bit灰度圖像。如圖7所示為仿真試驗結果圖。測試圖像自左至右依次為測試圖1、測試圖2;圖(a)為原始圖像;圖(b)為LED背光仿真圖;圖(c)為基于LED影像背光的試驗結果圖。
由試驗結果可以看到,當原始圖像的像素灰度數值越小時(如測試圖2與測試圖1比較時),背光亮度可降低的幅度越大,因此能更有效地降低背光源的功耗;仿真結果圖像(c)與原始測試圖像(a)相比,整體亮度會有所降低,不影響圖像的顯示質量,但基于動態背光源所顯示的圖像比恒定的背光源能更有效地降低功耗,另外圖像的對比度也有一定的提高。
5 結 論
本文提出了一種基于點陣式LED的動態背光源結構,將單個LED發出的光投射區域限制在散光膜的單一區域,即每個LED只負責液晶部分區域的背光照明。并設計了動態背光源的驅動電路,通過對顯示的畫面進行分析,采用亮度動態控制的方式可以得到不同區域的最佳亮度,同時驅動LED背光達到相應的亮度。本文利用Matlab軟件仿真LED背光源,結果表明采用動態背光源能有效地降低功耗,提高圖像對比度。
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驅動電源設計范文第5篇
關鍵詞：LED背光源；Boost拓撲；MCU控制；保護電路；恒流電路；2D＼3D調光電路。
中圖分類號：TN312+.8 文獻標識碼：B
引 言
LED作為液晶電視的背光源在中大尺寸3D電視上的應用越來越廣泛，圖像在液晶面板上的顯示是有順序的，在3D顯示中背光與液晶圖像的同步會呈現出更好的顯示效果。
本文基于Boost及MCU控制，設計一種具有掃描3D功能的側導光LED背光源驅動電路，實現了一路Boost為LED提供驅動電壓和MCU控制多路LED通斷的架構，不但降低了系統成本， 而且不依賴專業芯片，不同路數的LED可以用同一個拓撲驅動，通用性強。
1 系統的構成
掃描式3D電視背光源驅動電路系統的結構如圖1所示。電源板提供一個直流電源進入Boost電路做LED的驅動；MCU為整個系統的控制中心，負責信號的處理；反饋保護采樣電路采樣LED的低壓端電壓并將信號反饋給MCU；恒流及調光模塊接收MCU的控制信號直接作用于LED的低壓端。圖1中LED的串數及每串的顆數都可調整，只要調整Boost電路的參數及選擇相應IO口數目的MCU即可。下面介紹一下系統各模塊工作原理及系統實現過程。
1.1 Boost電路的設計
Boost電路詳圖如圖2所示。Boost做LED燈條恒流時的電壓自適應，用簡單的Boost芯片搭建即可。其中對輸出做一個精度不高的反饋，后續LED燈條正端的電壓細調通過MCU檢測燈條負端來做反饋，電壓的調整則通過Boost芯片Driver的調節占空比來實現的。本Boost芯片的CS腳具有過流保護功能。
1.2 MCU控制器
本設計針對8路LED控制，MCU選擇28引腳閃存單片機：單片機時鐘頻率16MHz、A/D口11個、I/O口25個、定時器2個。整個系統的控制流程如圖3所示：MCU實時抓取前段3D控制控制信號，當3D控制信號為高時，進入3D狀態，通過檢測場同步的上升沿和下降沿來觸發背光第一串燈條的打開，燈條的打開時間及燈條之間打開的時間間隔用兩個定時器作為中斷觸發條件，這樣就可以用掃描的方式分時打開背光，完成背光與圖像的同步；當主板的3D信號為低時，進入2D模式，根據PWM信號對背光進行同步調節。在2D或3D模式下MCU對燈條低壓端進行實時監測，如果觸發保護，則電路被關閉。
1.3 恒流及2D/3D調光電路
LED恒流電路如圖5所示。檢測電阻R7上的電壓，獲取2D與3D兩種狀態下的電流采樣參考電平：R3上的電壓較高時為3D狀態，較低時為2D狀態。運放的輸入端具有虛短的特點，R2上的電平隨即被設定，即R2所允許流過的電流被限定，從而LED的電流設定。當LED電流增大時，R2上的電壓變大，反相輸入端的電平高于同相輸入端的電平，運放輸出低電平，三極管V1的基極電平降低，V1的CE電流減小，從而減小了LED的電流。當LED電流減小時，R2上的電壓變小，反相輸入端的電平低于同相輸入端的電平，運放輸出高電平，三極管V1的基極電平升高，CE電流增大，從而增大LED的電流。如此循環，在動態過程中實現LED電流的恒定。在此過程中無需芯片的控制，電路自動反饋調整電流，實現電流恒定。
2D/3D調光電路如圖4、5所示，VREF為MCU 供電電壓VDD。在2D時，2D/3D IN信號為低電平，MCU芯片做出判斷產生高阻態或低電平兩種狀態。當PWMIN為高時，MCU的PWM1 3D腳輸出高阻態，此時VREF經過串聯電阻R4、R6、R7到地，在R7上產生分壓壓降，LED恒流模塊中的運放同相輸入端獲取R7上的電壓作為LED恒流的參考電平，LED恒流模塊打開LED；當PWMIN為低時，PWM1 3D腳輸出低電平相當于接地，此時VREF經過串聯電阻R4與MCU PWM1 3D腳內的N MOS管到地，此時電阻R7上無壓降，LED恒流模塊中的運放同相輸入端在R7上獲取不到電壓，LED恒流模塊關閉LED，從而實現2D下的調光控制。
在3D時，2D-3D IN信號為高電平，MCU做出判斷采用高電平與低電平兩種狀態輸出。依據外部PWMIN信號的狀態，當PWMIN為高時，MCU的PWM1 3D腳輸出VDD高電平，此時電阻R4串接在兩個VDD電平之間，不產生電流，無壓降，則VDD經過串聯電阻R6、R7到地，由于沒有電阻R4的分壓，將在R7上產生一個較高的壓降，LED恒流模塊中的運放同相輸入端獲取R7上較高的電壓作為LED恒流的3D參考電平，LED恒流模塊打開LED；當PWMIN為低時，PWM1 3D腳輸出低電平相當于接地，此時VREF經過串聯電阻R4與MCU的PWM1 3D腳內的N MOS管到地，此時電阻R7上無壓降，LED自恒流模塊中的運放同相輸入端在R3上獲取不到電壓，恒流模塊關閉LED，從而完成3D下的調光控制。
1.4 反饋保護的實現
燈條保護電路是通過檢測圖5電路R10與R11之間的壓差來實現的。當燈條正端或負端對地短路或開路時，此處的分壓值為零，MCU通過IO口檢測出此處的電壓不正常，給出一個錯誤信號把電源關掉；當燈條正負短路在一起時，此處的電壓過高，MCU同樣能檢測出錯誤信號關掉電源。MCU用作反饋電路也是對R10、R11間的電壓進行檢測，然后對各路檢測結果進行比較得出最小的一路，讓這個最小的與設定值進行比較，如果小于設定值則說明Boost電路輸出的電路電壓過低，那么就調低圖4中MCU FBOUT腳的占空比（MCU是個數字腳），這樣通過圖4 C1的緩沖作用得出一個電壓比較小的值，從而Boost提高輸出電壓；如果檢測到的最小值大于自己設定的值，那么調高MCU占空比，實現實時反饋。
2 實驗結果
實驗樣機2D模式下的工作參數：LED電流130mA，調光頻率200Hz，占空比85%，由圖6可見，電流恒流特征良好。
3D顯示模式下背光電流波形如圖7所示，實現了電流倍增（390mA）。小占空比大電流的情況下，能實現亮度基本不變的條件下在60Hz場同步下實現SG 3D的掃描。
3 結 論
本文設計了一種新型SG 3D側導光LED背光源驅動電路，實現了2D顯示模式下PWM調光及3D顯示模式下掃描方式調光。該系統采用Boost和MCU調光相結合的方式，由于MCU直接對LED進行調光，省掉了專用調光芯片，且由于MCU具有可編程的特點，可以用來作保護電路及反饋電路，簡化了原來的電路，后續維護上只需對程序升級就可實現，不需要重新布PCB。該設計對PIC微控制器在液晶電視LED背光驅動上的應用具有指導性意義。
本文設計了一種新型SG 3D側導光LED背光源驅動電路，實現了2D顯示模式下PWM調光及3D顯示模式下掃描方式調光。該系統采用Boost和MCU調光相結合的方式，由于MCU直接對LED進行調光，省掉了專用調光芯片，且由于MCU具有可編程的特點，可以用來作保護電路及反饋電路，簡化了原來的電路，后續維護上只需對程序升級就可實現，不需要重新布PCB。該設計對PIC微控制器在液晶電視LED背光驅動上的應用具有指導性意義。
參考文獻
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