大功率白光LED“高效均流”并聯供電系統設計

隨著人們對節能環保型光源的需求以及白光LED（LightEmittingDevices）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：VisibleLightCommunication）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，實現了短距離數據傳輸。為了實現白光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，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并聯供電系統。

　　系統結構和原理

　　大功率白光LED的供電系統需提供大電流并具備高穩定性，相比多支路并聯供電系統而言，在同等電流需求下，單支路供電系統需提供的電流更大，因此單支路型電源的壽命短。鑒于此，設計了雙支路DC/DC并聯供電系統，兩個支路實現分流工作，既提高了效率，又延長了使用壽命，具有傳統驅動系統不可比擬的優點。

　　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、電子開關實現支路電流調節、PWM（PulseWidthModulation）驅動信號占空比實現穩壓、霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時等電路實現過流保護。所設計的驅動電源包括4部分：雙DC/DC并聯模塊；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.系統工作原理是：利用兩PMOS（P-channelMetal-Oxide-Semiconductor）電子開關（Electronicswitch1、Electronicswitch2）實現兩支路均流，通過采集輸出電壓并調節PWM1和PWM2的占空比實現穩壓，通過霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時等電路實現過流保護。

　　系統的模塊化設計

　　2.1DC/DCBuck型穩壓電路

　　兩個DC/DC支路采用PWM（PulseWidthModulation）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地經過開關管，暫時以磁場能形式存儲在電感器中，然后經電容濾波得到連續的能量傳送到負載，得到脈動較小的直流電壓，實現DC/DC變換。

　　PMOS管型號為SI4405，PMOS驅動器為ADP3624；PWM1、PWM2為由ARM7產生的頻率固定、占空比可調的方波信號，可分別調節兩DC/DC支路的輸出電壓。為得到穩定的輸出電壓，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，設計中取為20kHz；

　　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PWM1、PWM2的占空比，在較短時間內，調整輸出電壓至所需的穩定值。

　　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20A，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電流的關系，就可確定流經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，實現反饋控制。　　2.3過流保護及自恢復模塊

　　該并聯均流供電系統具有過流保護及自恢復功能，實現原理如圖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輸出高電壓，所以繼電器驅動器2無法使K1和K2繼續斷開。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動作，從而保持K1和K2持續斷開，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，實現自恢復。

　　實驗結果與數據分析

　　3.1大功率白光LED與高效均流并聯供電系統的集成

　　為測試所制作的雙DC/DC并聯供電系統的性能，采用3W大功率白光LED（額定電流750mA、額定電壓4.0V）做了驅動實驗與性能測試，LED的照片如圖4所示。將大功率白光并聯供電系統、大功率白光LED、數據編碼模塊、Bias-Tee耦合模塊以及按鍵/指示燈等進行了系統集成，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，對給出的并聯供電系統進行了實驗。

　　3.2照明狀態時的均流特性實驗

　　通過按鍵分別設定驅動器輸出電壓為0.5V、1.0V和3.0V，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%，實現了很好的穩壓與均流效果。

　　3.3照明狀態時的電源效率實驗

　　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可見光通信狀態時輸出電壓的線性區測試

　　當白光LED處于通信模式時，為保證通信質量，需要提供穩定、線性的驅動電壓。為驗證該供電系統的線性特性，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。可以看出，當驅動電壓小于1.6V時，白光LED進入非線性工作區。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）調整至線性區中間點（亦稱為線性工作點），約為2.7V。

　　3.5動態響應測試

　　當使用該雙DC/DC并聯供電電源驅動白光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。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電時并不存在尖峰和毛刺現象，因此，不會損壞LED.另外，從響應曲線可以看出，當電壓從0上升至穩定的1.6V時，上升時間約為20s，關電降至0的下降時間約為65s。

　　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。針對單支路供電系統和雙支路供電系統，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12V，輸出電壓為3.0V。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，雙支路電源系統的壽命將比單支路電源系統的壽命長。

　　結語

通過對兩個Buck型DC/DC電路進行并聯，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，并