時間：2023-02-13 17:22:04
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇驅動電源設計，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
（①海南大學應用科技學院，儋州 571730；②賽迪顧問股份有限公司，北京 100048）
摘要： 提出了一種基于PWM（脈沖寬度調制）控制芯片的小功率LED驅動電源的原理框架。采用FAN7554芯片作為主控制器，設計了一款輸出功率達30W的反激式LED驅動電源，其輸出電壓為33V，輸出電流為0.9A，可為30只功率為1W的LED管采用10串3并混聯方式組成的LED陣列提供驅動電源，并分析所設計LED驅動電源的基本原理。該LED驅動電源經過一系列的電氣測試，并在實際運行中得到比較滿意的結果，具有進入小功率LED照明市場的能力，且對設計高性能、低成本的小功率LED驅動電源具有一定的指導意義。
關鍵詞 ： 脈沖寬度調制；FAN7554；反激式；LED驅動電源
中圖分類號：TN6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）17-0104-03
基金項目：海南大學應用科技學院（儋州校區）校基金資助項目（Hyk-1515）。
作者簡介：高家寶（1987-），男，海南樂東人，碩士，助教，研究方向為開關電源電路模型研究及其應用。
0 引言
LED作為新型綠色環保光源，具有亮度高，發光效率高，壽命長以及工作電壓低等特點，具有廣闊的應用前景，但是LED照明中的驅動電路部分卻是目前制約其發展的一個重要瓶頸之一[1-3]。為了LED管穩定的發光，需要設計出LED恒流恒壓驅動電源。本設計利用FAIRCHILD公司的FAN7554作為PWM控制器，設計了一款輸出電壓范圍為33V~37V，輸出電流0.9A的30W LED驅動電源。通過對其EMI（電磁干擾）濾波電路、PWM控制電路、反饋控制電路、反激式變換電路、各種保護功能電路等進行設計和制作，成功地實現了反激式LED驅動電路，該驅動電源具有結構簡單、成本低廉、節能高效和穩定可靠等特點。
1 LED驅動電源的組成
本文設計的LED恒流驅動電路的工作原理框圖如圖1所示。它主要由輸如EMI濾波電路、PWM控制電路、反激變換電路、光耦反饋電路、電流環恒流控制電路、保護電路等組成。交流電輸入經EMI濾波電路及整流濾波電路后，由光耦的反饋信號調整PWM控制電路輸出的脈沖信號寬度，從而對濾波之后的輸入信號大小進行控制調節，再通過反激式變換電路進行電壓變換。以電流型PWM控制芯片FAN7554為控制器件組成的恒流恒壓控制電路，將電流取樣信息和電壓采樣信息分別經電流比較器處理后由光耦反饋至變換級驅動端，實現電流電壓控制調節，最終提供穩定電流和穩定電壓，驅動LED負載。在保護電路方面主要有浪涌保護、欠壓保護、過壓保護和高頻MOS管保護等。
2 LED驅動電源電路設計及原理分析
2.1 核心元件概述
FAIRCHILD公司提供的FAN7554芯片集成了一個固定頻率的電流模式控制器。圖2為FAN7554芯片的內部結構，該芯片具備軟啟動、通斷控制、過載保護、過壓保護、過流保護和欠壓鎖定等功能，這為外圍電路簡單、成本低廉的LED驅動電源電路設計方案提供了所需要的一切。芯片沒有集成高頻MOS管，在設計時需要與獨立高頻MOS管組成實現PWM控制電路，這極大方便了設計者進行調試與維修，這主要是因為設計者一般會對LED驅動電源中的高頻MOS管的PWM信號進行觀察和測試，且LED驅動電源工作時高頻MOS管損壞的概率較大。
圖3為LM358雙運算放大器的引腳功能圖，其內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器。LM358的主要特性有：直流電壓增益高達100dB；單位增益頻帶寬約1MHz；單電源電壓范圍寬為3~30V。這些特性決定了LM358適合于LED驅動電源的誤差放大電路的設計。
2.2 基于FAN7554芯片的30W LED驅動電源電路設計
根據LED驅動電路的原理框圖，設計了如圖4所示的基于FAN7554芯片的30W LED恒流恒壓驅動電源的電路原理圖，該驅動電源LED負載采用30只功率為1W的LED管進行10串3并混聯方式組成的LED陣列，組內所有的LED管電壓額定值為33V、電流額定值為0.9A，光功率約為30W，設計要求LED驅動電源效率大于80%，則電源輸入功率約為37.5W。考慮到小功率LED驅動電源對功率因數不做要求，在低成本設計的前提下本設計沒有采用無源功率因數校正電路。
2.3 基于FAN7554芯片的30W LED驅動電源電路原理分析
①LED驅動電路的電源。
LED驅動電源的供電電源是220V/50Hz交流電。
②浪涌保護電路。
采用保險絲F1、負溫度系數的熱敏電阻RY1、RY2、電阻R21、R22和電容C16設計浪涌保護電路。當滿載開機時，C6電壓不能突變，相當于短路，導致輸入電壓很大。而熱敏電阻在冷態時電阻很大，可起到限制輸入浪涌電流的作用。在電源接入端加入防止浪涌保護電路，主要是用來防止由于雷電過電壓和操作過電壓等瞬態過電壓，造成LED驅動電路核心器件的損壞。
③EMI濾噪電路。
采用電感L3、電容C13、C7和C8設計EMI濾噪電路，主要是為了濾除共模和差模噪聲，并提供放電回路。
④整流電路。
采用DB107設計橋式整流電路，將雙相輸入交流電轉換成單相交流電。
⑤前端電感電容復式濾波電路。
采用電容C6、C3和電感L1設計電感電容復式濾波電路，不僅起到過濾噪聲的作用，同時還起到將單相交流電轉換成紋波較小的直流信號的作用。
⑥過壓保護和欠壓保護電路。
FAN7554芯片的電源主要來源于由變壓器T1的6號管腳和1號管腳組成的次級線圈，在芯片電源管腳與模擬地之間反向接入穩壓二極管D9，起到過壓保護作用，從而保證芯片的電源電壓不高于18V。當次級線圈供電不足時，由R2電阻和R5電阻組成的欠壓保護電路，芯片電源直接由整流后的直流電源提供電源，實現了欠壓保護功能，從而保證芯片的電源電壓不低于18V。
⑦高頻MOS管保護電路。
采用電阻R3、電容C2和二極管D6設計高頻MOS管保護電路。當高頻MOS管截止時，如果不是高頻MOS管保護電路為電感所存儲的電磁場能量提供泄放回路，那么電感所存儲的電磁場能量將直接注入高頻MOS管，從而在MOS管上產生過大的電壓應力，甚至損壞MOS管[4，5]。
⑧LED負載電源電路。
在變壓器T1和MOS管完美配合工作下，實現了將輸入電能量耦合至LED負載端和恒壓恒流電路兩部分電路中。LED負載的電能量由變壓器T1的12號管腳和9號管腳組成的次級線圈提供，為了防止負載的電流回流至次級線圈，在次級線圈的12號管腳和LED負載之間正向并聯接入二極管D2和二極管D4。可是為了防止加在D2和D4并聯電路兩端的電壓過大而損壞它們，因此在D2和D4的并聯電路兩端并聯上由R1和C1組成的串聯電路；LED負載端的電感電容復式濾波電路由電容C4、C5、電阻R4和電感L2組成，不僅起到濾除噪聲的作用，而且還起到了將單相交流電轉換為紋波較小的直流電的作用。
⑨反饋控制電路。
為了實現穩定的LED驅動電源，加入了電壓采樣和電流采樣電路，通過LM358雙運放將所采樣的電壓值、電流值與相應的基準電壓值、基準電流值相比較后轉換為誤差量，該誤差量通過光耦器件PC817反饋至FAN7554芯片的反饋管腳達到調整高頻MOS管脈沖寬度的目的，從而實現對LED負載的輸出電壓、電流調節[6，7]。
3 總結
本文提出了一種基于PWM控制芯片的小功率LED恒流恒壓驅動電源的電路架構，并利用FAIRCHILD公司的PWM芯片FAN7554作為主控制器，設計了一款功率達30W的反激式LED驅動電源，其輸出電壓為33V，輸出電流為0.9A，可為30只功率為1W的LED管采用10串3并混聯方式組成的LED陣列提供驅動電源。通過對其EMI（電磁干擾）濾波電路、PWM控制電路、反饋控制電路、反激式變換電路、各種保護功能電路等進行設計和測試，通過對其EMI（電磁干擾）濾波電路、PWM控制電路、反饋控制電路、反激式變換電路、各種保護功能電路等進行設計和測試，結果表明其恒流效果好，輸出電壓紋波低，成功實現了該反激式LED驅動電源，這對設計高性能、低成本的小功率LED驅動電源具有一定的指導意義。
參考文獻：
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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）.
關鍵詞： 動態光調節； 數字式LED驅動電源； 嵌入式設計； C8051F021
中圖分類號： TN86?34； TP303.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0103?04
Abstract： The adjustment of LED controlled by dynamic light can′t achieve the expected effect due to the imperfect design of digital LED driving power supply adjusted by dynamic light， but the embedded system can improve the performances of LED driving power supply effectively. An embedded system based digital LED driving power supply controlled by dynamic light was designed. The A/D acquisition module performs the acquisition， rectification， filtering and A/D conversion of data of digital LED adjusted by dynamic light to get the A/D sampling data， and transfer it to the driving circuit. The embedded design is adopted in the driving circuit to optimize the A/D sampling data， so as to control the LED lighting reasonably and regulate the digital LED with dynamic light effectively. The C8051F021 chip is the "manager" of the embedded system based digital LED driving power supply under dynamic light control. Its management flow chart is given in the third part of this paper. The data acquisition language of A/D acquisition module was design also in the third part. The experimental results show that the designed digital LED driving power supply has strong driving performance and high power conversion efficiency.
Keywords： dynamic light control； digital LED driving power supply； embedded design； C8051F021
0 引 言
現如今，數字式LED以其低耗、顯示清晰、壽命長等優點，在家用電器的顯示配件方面占據了主導地位。動態光調節是一種能夠有效縮減數字式LED顯示屏漏光現象、增強顯示效果的方法，但由于動態光調節下的數字式LED驅動電源的設計不完善，使動態光對LED的調節無法達到預期效果，這已成為科研組織的研究難題[1?4]。嵌入式是一種以應用為核心、以電子信息技術為根基的計算機系統，其能夠調控軟硬件的靈活性，進而提升LED驅動電源的各項性能[5?6]。為此，利用嵌入式系統，設計動態光調節下的數字式LED驅動電源，增強數字式LED驅動電源的驅動性能和轉換效率，實現動態光對數字式LED的調節效果。
科研組織對動態光調節下數字式LED驅動電源的設計成果均存在一些不足之處。如文獻[7]提出的能耗密度分配模型方法。這種方法能夠將動態光調節下數字式LED驅動電源的多余能耗合理分配出去，達到增強電源轉換效率的目的；但這種方法過于受限于電源傳送功率配對，故其驅動性能較低。文獻[8]提出基于阻抗模型構建動態光調節下數字式LED驅動電源的方法，阻抗模型能夠較為合理實現電源驅動的高性能；但這種方法的耗能較大，電源轉換效率不高。
從以上動態光調節下數字式LED驅動電源的設計成果中可看出，我國科研組織對基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的設計迫在眉睫。
1 數字式LED驅動電源嵌入式設計
1.1 LED驅動電源整體設計
基于嵌入式系統的猶光調節下數字式LED驅動電源的工作原理如圖1所示。
由圖1可知，在基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的設計中，A/D采集模塊對數字式LED數據進行整流、濾波、A/D采樣，其對數字式LED驅動電源有著過渡作用，是數字式LED驅動電源的基礎組成部分。驅動電路是實現數字式LED驅動電源對動態光調節控制的基礎，高性能的驅動電路能夠給予數字式LED驅動電源較高的驅動性能。控制芯片是數字式LED驅動電源的控制核心，其管理著整個數字式LED驅動電源的工作流程。
1.2 A/D采集模塊設計
在A/D采集模塊中，整流是將采集到的動態光調節下的數字式LED的交流電近似轉化為直流電的過程；濾波是將近似直流電中的交流波形去除，最終輸出標準直流電的過程。圖2是濾波器電路圖。
濾波是排除電力干擾的一項重要手段，其能夠避免電源損傷、使電路元件維持在正常狀態下工作。由圖2可知，A/D采集模塊選用低通濾波器為動態光調節下的數字式LED進行濾波，其能夠進行50 Hz電力信號的濾波，對高頻干擾的衰減效果較強。所設計的低通濾波器擁有2個輸入、輸出端口，并配備1個電源接地端。C，C1代表差模濾波電容，C2，C3代表共模濾波電容，L1，L2代表電感，T代表共模電感。如果出現干擾信號，電感則會高速增長，阻止干擾信號通過，進而實現對動態光調節下數字式LED的濾波。整流濾波之后，A/D采集模塊將對其獲取到的數據進行A/D采樣，圖3是A/D采樣電路圖。
由圖3可知，A/D采集模塊主要由對比器、寄存器和A/D轉換器組成，其最重要的組成元件是A/D轉換器。A/D采集模塊將其最初采集到的動態光調節下的數字式LED數據，利用對比器提高數據分辨率，并暫存在寄存器中。用戶可對寄存器處理流程進行編程，A/D轉換器會對寄存器中的數據進行依次調用，進行模/數轉換。
模/數轉換的方式采用高速形式，以增強基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的驅動性能和電源轉換效率。A/D轉換器的輸出結果會經由對比器與最初采集數據進行比較，如果對比器的對比結果是負數，A/D采集模塊將把寄存器狀態調至高效位；反之，則調至低效位。
寄存器的效位狀態會對A/D采集模塊的效率產生影響，通過不斷調整寄存器效位狀態，能夠提高數字式LED驅動電源的工作效率。最后，A/D采集模塊利用控制與定時邏輯原理，將其獲取到的A/D采樣數據輸出到驅動電路。
1.3 驅動電路嵌入式設計
受限于我國的科技能力，數字式LED的單顆發光物質功率過低，在實際應用中，只有將多顆發光物質連接起來使用才能夠實現LED的肉眼可視發光，連接方式主要采用串聯和并聯的混合連接。為此，必須通過特定的驅動電路才能夠令動態光調節下的數字式LED完成正常顯示功能，所設計驅動電路采用嵌入式。
反激式轉換器是一種擁有簡單拓撲結構的電源開關，其能夠為驅動電路提供較高水平的電壓升降和多路輸出。為此，基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的設計中，將反激式轉換器納入到驅動電路，并利用隔離式轉換器維持數字式LED的正常發光。圖4為驅動電路電路圖。
由圖4可知，所設計的驅動電路有著成本低、效率高的特點，能夠實現對LED發光的合理控制。驅動電路能夠容納的輸入電壓范圍是[170 V，280 V]，LED發光物質的連接方式是15顆串聯、5顆并聯，電流、電壓和功率的極大輸出值分別為350 mA，DC 60 V和20 W。A/D采集模塊會將其獲取到A/D采樣數據輸入到驅動電路，驅動電路的輸出接收元件是單片機。基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源為驅動電路的連接設計成嵌入式連接，驅動電路對數字式LED發光的控制并非只有簡單的開啟和關閉，而是能夠合理調節數字式LED的發光亮度，以提高其使用壽命、增強動態光對數字化LED的調節效果。
1.4 控制芯片O計
控制芯片是基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的“管理者”，故在控制芯片的選擇上應絕對符合數字式LED驅動電源的設計初衷，這就要求所選擇的控制芯片應具有高集成度和處理效率。因此，選擇某公司出產的C8051F021芯片作為數字式LED驅動電源的控制芯片，此芯片的性能較高且能夠獨立進行高效的控制工作。
C8051F021芯片是一種擁有CIP?51 內核的芯片，是對8051系列芯片的優化成果。CIP?51 內核擁有高兼容性和流水線結構，能夠通過803x/805x編碼器對其進行開發。CIP?51 內核配備了5個16位定時器、2個通用異步收發傳輸器、1個256 B隨機存取存儲器以及1個特殊功能的寄存器，可實現對控制指令的完美操作。
C8051F021芯片的內部組成并不簡單，這為其自身功能的完善提供了較為有利的元件支持。C8051F021芯片內置看門狗計時器、電源監聽監控設備、視頻存儲設備以及時鐘振蕩器，其中的視頻存儲設備可對基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源進行再編碼和更新。但由于經再編碼后的數據容易丟失，故在使用此功能前必須對數字式LED驅動電源的數據類型進行檢測。
2 數字式LED驅動電源嵌入式軟件設計
2.1 C8051F021芯片管理流程設計
基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的軟件部分為C8051F021芯片的管理流程進行了設計，如圖5所示。
圖5中，C8051F021芯片所需進行的初始化包括看門狗計時器參數重置、接口輸出配置以及編程單元參數設定，軟件也會同時對A/D轉換器進行初始化。如果控制信號不存在，用戶則可手動切換控制模式，否則將默認為自動調光模式；如果控制信號存在，初始化后的C8051F021芯片將會自動接收控制信號，并進行LED發光控制模式的設定。在C8051F021芯片進行管理工作的過程中，用戶如果需要切換控制模式，應在設定控制模式后選擇切換模式，否則只能選擇在基于嵌入式系統的動態光調節下和數字式LED驅動電源未工作的情況下進行切換。這樣設計有助于維持數字式LED驅動電源的工作連貫性，提高驅動性能。
2.2 數據采集語言設計
3 實驗驗證
3.1 驅動性能驗證
對本文設計的基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的驅動性能的驗證，可通過驗證其驅動效率和數字式LED輸出特性實現。驅動效率是影響數字式LED光效的最主要原因，通過數字式LED輸出特性數據則能夠看出數字式LED電源驅動設計的成功與否。
實驗對6種不同規格的數字式LED進行驅動，先利用萬用表對本文數字式LED驅動電源驅動中整流濾波后的電壓進行了測量，隨后將C8051F021芯片的輸出信號頻率調至30 kHz，并利用特定電源為C8051F021芯片供電。實驗室的溫度恒定在20 ℃，濕度控制較為嚴格，此時的驅動效率曲線如圖6所示，數字式LED輸出特性如表1所示。
由圖6、表1可知，本文所設計的數字式LED驅動電源的驅動效率維持在89%左右，而市面上的數字式LED驅動電源的驅動效率一般為80%；在數字式LED輸出特性統計表中，實際輸出的電流和電壕在正常范圍內波動，且電流變化對電壓輸出的影響不大。當電流小于300 mA時，數字式LED驅動電源會停止對數字式LED進行驅動。以上結果能夠證明，基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的驅動性能較強。
3.2 電源轉換效率驗證
對本文設計的基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的電源轉換效率進行驗證，其結果如圖7所示。
由圖7可知，本文所設計的數字式LED驅動電源的電源轉換效率范圍在[80%，88%]之間，且波動較為穩定，未產生尖峰脈沖現象，可見其對數字式LED功率的矯正水平較高，能夠實現動態光對數字式LED的有效調節，驗證了基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的電源轉換效率較高。
4 結 論
本文設計基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源。其中的A/D采集模塊對動態光調節下的數字式LED數據進行采集、整流、濾波和A/D轉換，得到A/D采樣數據并傳輸到驅動電路。驅動電路采用嵌入式設計對A/D采樣數據進行優化，進而實現對LED發光的合理控制和動態光對數字式LED的有效調節。C8051F021芯片是基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對A/D采集模塊的數據采集語言進行了設計。實驗結果表明，所設計的數字式LED驅動電源驅動性能強、電源轉換效率高。
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關鍵詞： 動態激光調節； 數字式LED； 開關電源； 失真補償方程
中圖分類號： TN86?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0143?04
Design of digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement
LIU Lin
（College of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）
Abstract： The reliability of the traditional design method is poor due to the dynamic nature existing in the laser conditioning process in the design of LED switching power supply. Aiming at this problem， a design method of the digital LED switching power supply under high voltage dynamic measurement is proposed. The two?order lattice notch filter is used to establish the power supply signal analytical model driven by digital LED to obtain the optimal transmitting power of the switching power supply. According to the dynamic carrier value of the power supply， the distortion compensation equation is fitted. The characteristic parameters of the switching power supply are extracted to fuse to the main magnetic?core component of the digital LED switching power supply designed with LLC principle. The maximum gain required by the LED switching power supply circuit is given. The practical turns ratio of the LED switching power supply transformer is obtained. The wire diameter of each coil of the transformer inductance is calculated to design the digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement. The experimental simulation results show that the method has high design accuracy， and can prolong the service life of LED switching power supply effectively.
Keywords： dynamic laser conditioning； digital LED； switching power supply； distortion compensation equation
0 引 言
LED照明產品以其耐震動、能耗小、光效高、響應快等優勢成為替代白熾燈和熒光燈等老式電源的新一代綠色光源[1?3]。對于一個優質的LED照明產品來說，要在市場上取得領先的銷售地位不但要擁有一個質量優等的LED芯片，而且還必須具有一個良好的LED驅動系統[4?6]。目前大多數的開關電源技術還不夠成熟，存在可靠性低、效率較低等弊端，這些弊端大幅度地降低了LED照明燈具的壽命。在這種情況下，如何有效地提升LED開關電源的效率和可靠性成為電源領域的研究熱點。高壓動態測量下的數字式LED開關電源優化設計方法可以計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，以此為依據完成對高壓動態測量下的數字式LED開關電源的設計，成為很多專家和學者研究的重點課題，同時也出現了很多好的方法[7]。
文獻[8]提出一種基于高功率因數的高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。該方法先給出數字式LED驅動功率的因數，利用SN3350構成PWM恒流可調電路，給出開關電源的功率因數均值，以此為依據完成對數字式LED開關電源的設計。該設計方法穩定性較強，但是存在設計過程繁瑣，耗時長的問題。文獻[9]采用一種基于雙同步斬波模式的高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。該方法時間復雜度較低，但是采用當前方法進行LED開關電源設計時無法適應激光調節的動態性，存在LED開關電源設計可靠性差的問題。文獻[10]重點提出一種基于反激式的高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。該方法可擴展性較強，但是存在魯棒性較差的問題。
針對上述問題，本文提出一種基于高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。實驗仿真結果證明，所提方法設計精度較高，可以有效地延長LED開關電源的使用勖。
1 數字式LED開關電源的設計原理
在對數字式LED開關電源設計的過程中，先給出變壓器一次繞組上的電流表達式，得到初級繞組和次級繞組的匝數比，獲取LED開關電源變壓器各繞組的匝數比，給出輔助繞組匝數與次級繞組匝數的比值，計算出變壓器初級電感感量，利用該電感感量完成對數字式LED開關電源的設計。具體的步驟如下：
假設，由[Lp]代表變壓器初級繞組的電感量；[Vde]代表初級繞組兩端的電壓；在驅動信號為高電平時，[Np]代表開關電源一次繞組，當[Np]上的電流線性上升時，則利用式（1） 給出[Np]上的電流表達式：
[ip=VdctonLpNp] （1）
式中[ton]代表MOS管的導通時間。
假設，由[is]代表次級繞組[Ns]上的電流；[isk]代表次級繞組上的峰值電流；[uout]代表輸出電壓；[toff]代表MOS管[Q1]的有效關斷時間；[Ls]代表次級繞組的電感量，則利用式（2）得到初級繞組和次級繞組的匝數比：
[NsNp=ufNf?Nsufmin×iskipkNs?isuoutLstoff×Q1] （2）
式中：[uf]代表兩端的電壓表述方程；[Nf]代表輔助線圈；[ufmin]代表電感的電學特性；[ipk]代表電流的峰值電流。
假設，[uoutmax]代表輸出功率最大時的輸出電壓，[uinmax]代表初級繞組上的最小輸入電壓，則利用式（3）獲取LED開關電源變壓器各繞組的匝數比：
[Nfisk=uinmax?Aeuinmax?uoutmax?ipk?dI?J?Lp] （3）
式中：[Ae]代表磁芯的橫截面積；[d]代表線徑；[I]代表電流值；[J]代表電流密度；[Lp]代表初級繞組的電感電量。
假設，[iskipk]代表次級電流峰值[isk]和初級電流峰值[ipk]的關系，則利用式（4）得到輔助繞組匝數與次級繞組匝數的比值：
[NfNs=iskipk?ton×tofff?D?ι??P] （4）
式中：[f]代表電源IC 的工作頻率；[D]代表MOS驅動信號的占空比；[ι]代表法拉第電磁感應定律；[?P]代表磁芯材質。
假設，[?]代表電源芯片的最大值；[μ]代表損耗分配因子，則利用式（5）計算出變壓器初級電感感量：
[μ?c=μ???j?θr?α?] （5）
式中：[?j]代表損耗分配因子；[θr]代表電容的容差；[α?]代表副邊繞組峰值電流。
假設，[Np]代表變壓器[TI]原邊繞組的匝數，則利用式（6） 完成對數字式LED開關電源的設計：
[εe=TI?k??P?μ?cNp] （6）
綜上所述可以說明，利用數字式LED開關電源設計原理可以設計LED開關電源。
2 高壓動態測量下的LED開關電源優化設計
2.1 開關電源特征參量的提取
在對數字式LED開關電源優化設計的過程中，利用二階格型陷波器構建LED驅動的供電信號解析模型，給出驅動補償系數，得到LED開關電源特征參量。具體的步驟如下：
假設，[zt]代表電源驅動信號；[xt]代表電源驅動信號模型的實部；[yt]代表電源驅動信號的固有模態函數；[at]代表系統融合參量；[eiθt]代表驅動電路可調電壓。則利用式（7）計算[zt]：
[zt=eiθt×xtyt?at] （7）
假設，[PN]代表數字式寬頻最大功率；[LN]代表傳輸數據的時間；[UN]代表LED的電容濾波；[mN]代表電阻隔離。則利用式（8）得到LED開關電源的最優發射功率：
[?F?PN=EN?PNLN?mN?UN] （8）
假設，[v]代表驅動的速度；[β]代表傳播常數。則利用式（9）給出電源載波值動態失真補償方程：
[C2=vβ] （9）
利用給定的[β]代表傳播常數，提取LED開關電源的特征參量，利用式（10）表述：
[kp=krur+k?u?+kzuzfrur+βuz] （10）
式中：[krur]代表LED開關電源[ur]軸最小工作電源電壓；[k?u?]代表初級的漏感能量；[fr]代表特征參量在[ur]軸的分量。
假設，[k0]代表沿[ur]軸分量的初始值；[n]代表信號濾波的數量。則利用式（11）獲取LED開關電源正常控制模式下的狀態：
[TL=n?ark0?urV0] （11）
式中[V0]代表外部電阻的比值。
綜上所述可以說明，在對數字式LED開關電源優化設計過程中，利用二階格型陷波器構建LED驅動的供電信號解析模型，給出驅動補償系數，得到LED開關電源特征參量，計算出LED開關電源正常控制模式下的狀態，為實現對數字式LED開關電源優化設計奠定了基礎。
2.2 基于功率校正的數字式LED開關電源設計
在對數字式LED開關電源優化設計過程中，以2.1節獲取的LED開關電源正常控制模式下的狀態[TL]為依據，利用LLC諧振半橋的控制芯片設計出電感[L]與開關頻率關系，給出輸入電壓最低，電路峰值最大時的電感方程，獲取變壓器實際匝比，計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，完成對數字式LED開關電源的設計。具體的步驟如下：
假設，[Uin_ms]代表輸入電壓的有效值；[Uo]代表PFC輸出電壓；[fsw_min]代表最低開關頻率。利用式（12）得到電感[L]與開關頻率的關系：
[L=U2in_msUo-2Uin_ms2fsw_minUoPoηTL] （12）
式中：[Po]代表輸出功率；[η]代表效率。
在選取LED開關電源的芯片時，要保障在最惡劣的情況下輸入電壓最低，電路峰值最大時也不會飽和，利用式（13）給出其電感方程：
[LIp=NAeΔB] （13）
式中：[ΔB]代表磁感的工作范；[Ae]代表磁性等效截面積；[N]代表電感線圈匝數。
假設，[U′in]和[U′o]分別代表輸出與輸入的等效基波分量；[Lr]代表變壓器漏感；[Lp]代表變壓器初級電感量，則利用式（14）獲取等效的電路增益函數：
[??=Lp?k，QMPKU′in?U′o?Uo_ fr×Lr，Lp] （14）
式中：[MPK]代表電路所需的最大增益；[Uo_fr]代表最大輸出電壓和諧振點輸出電壓；[k]和[Q]代表變壓器的電感匝數和峰值最大電流。
分析式（13）可以得出，峰值增益是[k]和[Q]的函數，在選取[k]和[Q]時，其峰值增益需要滿足電路最大的增益范圍，利用式（15）計算峰值增益：
[MPK=Mmax?Mfrk?Q×Uo_max] （15）
式中：[Mmax]代表電路所需最大增益；[Mfr]代表諧振點增益；[Uo_max]代表最大輸出電壓。
假設，[Np_min]代表變壓器初級最少匝數；[Bm]代表磁芯最大不飽和磁感應強度。則利用式（16）得到變壓器實際匝比：
[na=nk+1kNp_min?Bm] （16）
假設，[Κp]代表開關電源的電流有效值，則利用式（17）獲取線圈的線徑和電流值的密切關系：
[?γ=Κp?na???LIp] （17）
利用式（16）計算的結果為依據，可以完成對數字式LED開關電源優化設計。
3 實驗仿真證明
為了證明提出的基于高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計的有效性，需要進行一次實驗，在Matlab/Simulink軟件環境下搭建高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計實驗仿真平臺。實驗數據來源于3臺420 W的LED開關電源樣機，如圖1所述。
3.1 不同方法的LED開關電源設計的有效性
分別采用本文所提動態激光調節方法和基于反激式方法進行數字式LED開關電源設計，比較兩種不同方法獲取電路峰值增益和輸出電流有效值設定值，利用對比的結果衡量不同方法進行LED開關電源設計的有效性，對比結果見圖2，圖3。
分析圖2和圖3可以得出，利用本文所提動態激光調節方法進行數字式LED開關電源設計的綜合有效性要優于反激式方法進行數字式LED開關電源設計的綜合有效性，這主要是因為在利用本文方法進行數字式LED開關電源設計時，先融合二階格型陷波器組建LED驅動的供電信號解析模型，得到LED開關電源最優發射功率，給出電源載波值動態失真補償方程，提取開關電源特征參量，從而保障本文所提動態激光調節方法進行數字式LED開關電源設計的綜合有效性。
3.2 不同方法的LED開關電源能耗和負載均衡性對比
分別采用本文所提動態激光調節方法和基于反激式方法進行數字式LED開關電源設計，比較兩種不同方法進行LED開關電源設計的能耗和負載均衡性，對比結果見圖4，圖5。
從圖4和圖5中可以說明，利用本文所提動態激光調節方法設計數字式LED開關電源的整體優越性要高于反激式方法進行數字式LED開關電源設計的整體優越性，這是由于在利用本文所提動態激光調節方法設計數字式LED開關電源時，給出輸入電壓最低，電路峰值最大時的電感方程，獲取變壓器實際匝比，計算出變壓器電感電量各繞組的線徑，大幅度提升了本文所提動態激光調節方法設計數字式LED開關電源的整體優越性。
4 結 語
針對采用傳統方法進行LED開關電源設計時，無法適應激光調節的動態性，存在LED開關電源設計可靠性差的問題。本文提出一種基于高壓動態測量下的數字式LED開關電源設計方法。實驗仿真結果證明，所提方法設計精度較高，可以有效地延長LED開關電源的使用壽命。
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【關鍵詞】站臺門系統 電源方案 對比研究
1 概述
軌道交通系統為了保障安全、高效的運行，采用在站臺和列車之間使用站臺門，站臺門系統由驅動部分、控制部分、電源部分構成，站臺門電源要求對驅動部分、控制部分和信號接口部分提供穩定可靠的電源供應和在交流停電情況下提供一定時間的后備安全供電。
軌道交通系統使用設備要求高安全性、高可靠性，電源系統設計時必須考慮可靠性、安全性，滿足站臺門系統的可靠性和安全性的要求。
站臺門系統用電設備包括驅動電機、控制主機及就地控制單元等，由于直流電機具有良好的啟動機械性能，可以滿足站臺門反復間歇開/關門的動作要求，因此目前軌道交通站臺門一般選用直流電機作為驅動機構，電機供電電壓通常為DC110V（驅動波型如圖1），站臺門的負載特性主要表現在驅動負載沖擊性較大的特點，而由控制電源負載一般波動不大；控制部分供電電壓通常為直流110V和24V，在站臺門不動作時系統提供功率3-5KW，在站臺門動作時最大功率8KW-40KW（門配置不同）交流停電后提供0.5小時-1小時并能保證雙側門開關5次。
2 電源方案對比分析
電源系統是由驅動電源和控制電源組成，一般有交流供電方案和直流供電方案兩種，驅動和控制電源獨立配置蓄電池組、電源模塊、配電回路，由一套監控系統集中管理；根據站臺門系統的驅動電機來設計驅動電源，在國內的地鐵應用中按電壓等級大致可分為直流100V、48V和24V；控制電源是給站臺門控制系統的中央控制盤、就地控制盤、就地控制盒等供電，控制電源按電壓等級大致可分為直流110V、24V和交流220V這三種電壓；站臺門系統設備不同，要求的參數也不一樣。以100V驅動電機電壓為例說明電源方案。
2.1 直流UPS方案
交流380V市電輸入驅動電源后分別給整流模塊和充電模塊供電，經整流模塊轉換成110V直流電源直接供給驅動門機，經充電模塊轉換成108V直流電源給蓄電池組充電。當市電停電后，蓄電池組通過二極管給驅動門機供電，原理框圖如圖2。
直流UPS方案具有如下特點：
（1）模塊化冗余設計，無單點故障，保證系統的可靠性
（2）可在線維護，可帶電插拔，維護工作簡單快捷
（3）正常供電失電后蓄電池直接給驅動門機供電，無轉換環節，不損失蓄電池容量，利用率更高。
（4）正常運行的時候蓄電池組因有隔離二極管不參與供電，能獨立對蓄電池進行自動充放電管理，保證蓄電池的使用壽命。
2.2 交流UPS方案
交流380V市電經交流UPS整流、逆變后輸出交流380V/220V電源至站臺門就地用電單元，再經就地轉換模塊轉換成110V直流電源后給驅動門機供電，當市電停電后，蓄電池組通過交流UPS逆變后輸出交流380V/220V電源到站臺門就地用電單元，再由就地轉換模塊轉換成110V直流電源給驅動門機供電，設備原理框圖如圖3。
交流UPS方案具有如下特點：
（1）交流UPS可分為整機型和模塊化UPS，如采用整機型的UPS，系統存在單點故障，降低系統的可靠性，同時整機型UPS不能做到帶電插拔和在線維護，增加后期維護成本和工作量。
（2）停電后蓄電池需通過UPS逆變再由就地轉換模塊給驅動門機供電，通過了兩次轉換環節，增加了系統的故障率及損失蓄電池容量，降低了利用率
（3）由于每個驅動電機由單獨的就地轉換模塊供電，無冗余，降低了可靠性，如果模塊損壞，無法供電，影響運營，給后期維護帶來不便
（4）對蓄電池組充電無精細化管理，影響蓄電池的使用壽命
2.3 對比分析
（1）直流UPS電源只經過一級轉換，效率高于90%，交流UPS電源一般最大效率90%，再經過一級交直流轉換，交流電源方案效率最大80%左右。
（2）直流UPS電源方案蓄電池不需要經過轉換，交流UPS電源需要通過逆變和STS、交直流轉換，在蓄電池使用率方面，直流方案優于交流方案。
（3）直流UPS電源方案中整流模塊均N+1配置，只需要一次交直流轉換，無單點故障；交流UPS電源做不到全部N+1配置，存在單點故障，停電時蓄電池需要通過逆變和STS兩個部分才能供到母線，后面還需要通過一級交流轉直流才能給門機供電，有3處單點故障；在可靠性方面直流方案優于交流方案。
（4）直流UPS電源方案中整流模塊可以帶電插拔，維護方便，不需要專業工程師來操作，交流電源做不到所有模塊都帶電插拔，維護周期較長。
（5）對蓄電池組的充放電管理，直流UPS電源方案比交流UPS電源方案做的更好，能更好地保證蓄電池的使用壽命。
（6）交流UPS電源方案需要的設備空間比直流UPS大，而且UPS一般尺寸都是非標準的柜體，直流UPS由于轉換數量少，不需要旁路系統和STS切換系統，直流系統的需要的設備空間小，而且可以很方便的配置標準柜體。
3 結論
綜上對比分析，直流UPS在使用效率、可靠性、可維護性、運營成本、產品標準化等方面有優勢，可以作為軌道交通站臺門系統電源的主要實施方案。
作者簡介
陳樹亮（1981-），男。現為中鐵六院中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司工程師。研究方向為軌道交通站臺設備智能化研究。
【關鍵詞】LED照明；驅動電源設計
隨著全球性的資源短缺和環保問題，半導體照明受到世界各國及產業屆的關注。LED給人類帶來了一次光源的革命，其壽命長、環保、節能、可靠性高，受到了用戶的青睞。隨著外部市場環境，政府的推動以及LED整體價格的下降，傳統的白熾燈泡將逐步會被這種新型能源所取代。
當然，作為一個新生事物，LED照明也受到了一些挑戰。目前，LED燈具在價格方面還是相對較高，這樣也就要求LED燈具在壽命上需有所保證。我們知道，LED燈珠的壽命一般都能保證在50，000小時以上，而驅動的好壞將直接決定著LED整燈的壽命，怎樣設計出一款合適可靠的LED驅動，也就是LED照明需要關注的問題。
工業開關電源在國內已經發展有二三十年的歷史了，相對比較成熟。而LED作為一個新興的產業，其電源驅動部分相對顯得較晚，但大體設計方案還是源于工業開關電源。因室內照明目前市場化運作較為成熟，現針對室內照明來分析電源驅動的設計。
室內LED照明燈具大致有以下幾種類型：平板燈，球泡燈，GX53，筒燈，T8& T5管燈，MR16，玉米燈，蠟燭燈等。
選擇一款合適的驅動以保證整個燈具的價格和性能有一定優勢，也將對這些燈具在市場上的推廣及應用起著事半功倍的效果，我們通過對以上照明燈具的細分來對電源部分作一個分類及總結：
一、平板燈
市場上常見的平板燈的尺寸大小為300*300，300*1200，600*600，600*1200，150*1200，其體積一般較大，我們可采用外置恒壓電源+LED恒流的模式來進行設計，將后級的LED恒流部分直接設計在LED燈板上，前級的LED恒壓電源，可采用傳統的工業電源，因工業恒壓電源在國內已有一定的歷史與規模，性能及價格相對比較有優勢。這樣，整燈的價格及性能都能得到相應的保證。
二、球泡燈&筒燈
這兩種類型的燈具在外形上雖然不一樣，在LED驅動方案的選擇上，大體可保持共用，以最合理的方式來保證整燈的性價比。
從整燈的功率部分來看，市場上球泡燈一般從3W～12W左右，而筒燈在8W～20W左右，這樣可按功率將驅動做成3W，6W，12W，20W。因筒燈在國內市場上是需要3C認證的，在國際市場上CE，UL等也將其納入檢測范圍，所以在設計之初必須考慮產品的安全性。一般該驅動電源以隔離型為主，這樣將有助于安規檢測以及機構件上的優化。這種隔離型電源大體可分為以下兩種模式：
1.低成本，無頻閃
在小功率部分，如10W以下，可將開關MOS集成在芯片內部，采用原邊反饋模式，這樣將有助于降低產品成本，減少產品體積。
該方案在前級加入了大的電解電容，可以使輸出電流紋波減少，保證了產品無頻閃，起到了保護視力的作用。但其PF值相對較低，在小功率、對PF值無太大要求的情況下，此方案有較大優勢。
原理圖如圖1。
2.高PF值
出于對電網的保護，有些市場對整燈的PF值是有一定要求的，這樣我們可以采用帶主動PFC的芯片，大致原理圖如圖2。
因前級去掉了大的電解電容，而芯片自帶PFC功能，這樣保證了整燈的PF值〉0.92，有助于對電網的保護，節省國家電力。
隔離型LED驅動方案大體上可分上述兩種，其他類型燈具開發可在此基礎上作為設計平臺開發.
三、T8&T5管燈
T8管燈在目前市場上是比較常用的一種燈具，其主要用于工程及商業化照明.從長度上可分為0.6m，1.2m，1.5m，該驅動設計在市場上目前分為兩種方案：
（一）非隔離型方案：此方案以東南亞國家為主，其優點是價格低，在此拓樸結構下，又大體分兩種方案：
1.一種是以被動式即填谷電路為主的降壓型驅動方案，其輸出電流紋波小，無頻閃。但為了保證整燈的壽命，其電容需用高可靠性，成本相對較高，如圖3。
2.一種是以主動式PFC的驅動方案，其可省掉前端大電容，同時不需額外增將元器件，即可保證高PF值，成本相對較低，但其輸出端紋波電流較大如圖4。
（二）隔離方案：此方案大多用于歐洲市場，其對價格不太敏感，對安全性要求較高。
其方案類似于前面提及的球泡燈及筒燈驅動方案。
上述方案是室內照明在驅動設計上的大體方向，但為了保證驅動電源的高壽命，在設計上，我們還需要考慮以下方面：我們知道，燈具散熱一直是業界研究的課題，這樣對于驅動電源來講，其工作環境溫度相對很高，拿10W的球泡燈舉例，市場上的球泡燈內部工作環境溫度達到了80℃，而在此高溫環境下，電解電容的電解液容易再高溫環境下被烤干，易損壞，所以在該電解電容的選擇上就要格外注意，以保證整燈的壽命。一般應選在105℃，10，000小時以上。
為了提高產品的可靠性以及市場的認知度，我們除了在方案選擇上需作全方面的考慮外，在安規及相關認證上也需要做相應的考慮，目前常用的認證有CE，3C，UL，TUV等。針對目前市場上常用的認證做如下統計，詳見表1。
關鍵詞：任務驅動教學法；開關電源；應用與維護
開關電源的應用與維護課是應用電子技術專業職業能力的必修課，也是電氣自動化技術的專業技能課。主要講解開關電源技術基礎、自激式開關電源的應用與維修、他激式開關電源的應用與維修、單片開關電源的應用與維修、家電產品中的開關電源與維修、辦公設備中的開關電源與維修、功率因數校正器的應用與維修以及新型開關電源的應用與維修。通過對這些實用技術的教學，可提高學生對開關電源應用與維修的實踐技能，培養學生的綜合職業能力。
一、任務驅動教學法
任務驅動教學模式是指教師將教學內容設計成一個或多個具體的任務，力求以任務驅動，以某個實例為先導，進而提出問題，引導學生思考，讓學生通過學習和實踐掌握教學內容，達到教學目標，培養學生分析問題和解決問題的能力。
二、任務驅動教學法在開關電源的應用與維護教學中的作用
1.改變了課堂教學的形式，使理論和實踐相結合。我國現階段高職院校的教學形式還停留在“教師傳授，學生接受”為主的教學模式，教學效果并不理想，也不能滿足社會對人才的需求。把任務驅動教學法引入具體的課程中，能有效改變教師講、學生聽的教學形式，讓學生成為課上的主體，教師只進行指導，實現教與學的有機統一、理論與實踐的結合。
2.改變學生的學習方式，激發學習興趣，豐富學習形式。教師要結合教學的內容和重點，設計不同的教學任務，讓學生主動參與到任務的完成中，使學生由原來的“要我學”變成“我要學”。
3.改變了教學的目標，提高了教學法的實效性。傳統的教育理念強調知識目標的實現，而任務驅動教學法則將知識目標、能力目標和素質目標有機結合，讓學生在掌握知R的同時，培養了能力，以適應未來就業崗位的需求。
三、任務驅動教學法在開關電源的應用與維護課中的具體做法
任務驅動教學法中的任務需要精心設計和考量，應以知識目標為指導，選擇具有典型性、易實施的任務，而不是教材中的每一節內容都適合采用任務驅動的方式，更不能脫離教材而隨意選擇內容。本課程劃分為四大模塊：開關元件與驅動電路、變換器與軟開關技術、控制電路和開關電源電路分析。現以模塊4“開關電源電路分析”為例，介紹任務驅動法在開關電源的應用與維護課程教學中的應用。該模塊設計三個任務：電源電路圖分析、電路中元件確定和電路析焊接并測試，其具體實施如下：
1.設計情境。小李是設計部的一名新來員工，恰巧公司正在研發新產品，由于小李沒有經驗，所以工作開展中遇到很多困難。大家一起看看，他都遇到了哪些困難，能不能幫助他解決？
2.引出任務。課件顯示一件電源電路圖，教師引出任務：小李拿到了一張電源電路圖，但他怎么也不明白其工作原理。大家根據所學的知識，看看能不能幫小李分析？教師給一定自由思考時間，讓學生討論并分析電路圖，然后提問個別學生回答。教師根據學生的回答情況進行總結，并正確分析電路圖。
3.獨立探索。第一個任務完成后，教師再次引出任務，并培養學生獨立探索的能力。教師：“同學們，電路圖分析完了，誰知道這張電路圖都需要哪些元件，元件的參數件又都是多少？”教師提供相關的學習資源供學生查閱，讓學生獨立完成。這樣可以調動其學習興趣及參與積極性，不放棄任何一個學生。查完后，學生代表發言，其他學生對照自己的結果，進行對比分析，發現問題并及時解決。最后，教師講解所需的元件及每個元件的參數。
4.確定任務并告知。教師告知訓練任務，即電路板焊接并調試。教師講解焊接過程中的注意事項及安全問題，讓學生整理電路圖。
5.學生分組協作學習。5～6名學生為一組，每組選派一名組長。分組討論完成本次任務的步驟，確定所需的設備、工具及材料等，由組長分工，合作完成焊接任務。這樣學生不僅學到了知識，也培養了團結合作的精神。在學生焊接的過程中，教師要巡視每組完成的情況，并加以指導。
6.驗收成果并評價。每組對完成的電路板自行進行測試，分析出錯的原因，并加以改正。最終，每組先對任務的完成情況進行自評，再小組之間派代表進行互相評價。教師根據巡視情況及各組發言情況進行總結，并給出評分標準。
參考文獻：
關鍵詞： LED；驅動電源；匹配方式
中圖分類號：TN312+.8 文獻標識碼：B
The Study of Driver Matching that Applied in High-power
LED Lighting
LIANG Jian-feng, WANG Hong
(School of Sciences, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)
Abstract: This paper analyzed the principles and working characteristics of High-power LED. The characteristics of LED determine which power driver to use. LED lighting needs constant current driver. The article expounds several matching types of LED driver, including all in series, all in parallel, series-parallel connection, crossed connection and distributed constant current. For high-power LED lighting, the distributed constant current driver is the future direction of development.
Keywords: LED; power driver; matching
引 言
自從出現發光二極管（light emitting diode，LED）以來，人們一直在努力追求實現固體光源。隨著科技的不斷進步，半導體材料應用技術的高速發展，白光LED固體光源的性能得到不斷完善并進入實用階段。白光LED是一種新興產品，在照明市場備受矚目。它與白熾鎢絲燈和熒光燈相比，主要優點為體積小、發熱量低、耗電量小、壽命長、響應速度快、耐振動和沖擊以及無污染。LED固體照明是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后新的照明革命。
從第一批LED進入市場的幾十年間，LED的應用領域不斷擴展，包括：大屏幕彩色顯示、照明燈具、激光器、液晶顯示屏背光源、探測器、交通信號燈等。在全球能源緊缺、環保要求不斷提高的情況下，LED越來越多地進入到各種照明領域中，且LED作為新一代照明光源在照明市場中所占的比重也呈現出逐年遞增的趨勢。專家預計，LED產品將在十年內大范圍替代常規照明產品，屆時，LED將能成為家喻戶曉的產品，帶來可觀的節能效果，LED進入通用照明市場已經不再遙遠。
LED雖然在節能方面比普通光源的效率高，但是LED光源卻不像一般的光源一樣可以直接使用電網電壓，它必須配有專用的電壓電流轉換設備，提供能夠滿足驅動LED的額定電壓和電流，才能使LED正常工作。不同的LED照明燈具，不同的照明用途和功率大小，LED驅動電源的規格也不同。所以，選擇合適、高效的LED電源，選擇正確的驅動方式，才能真正展現LED光源高效能的特性。
1大功率LED的工作特性
LED的發光原理就是將電能轉換為光的過程，將電流通過化合物半導體，通過電子與空穴的結合，過剩的能量將以光的形式釋出，達到發光的效果。圖1所示為正向導通壓降（VF）和正向電流（IF）的關系曲線圖，從圖中可以看出，當正向電壓超過某個閾值后，IF隨著VF的上升而快速上升，較小的電壓變化都會引起電流的較大變化。大功率LED的光特性通常被描述為電流IF的函數，圖2所示為光通量和正向電流的關系曲線圖。LED的光通量由流過LED的電流決定，LED光通量隨著流過LED的電流的增加而增加，但卻不成正比，越到后面光通量增加得越少。電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度，因此應使LED在一個發光效率最高的電流值下工作。采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性和壽命。這也決定著LED照明適合恒流驅動而不是恒壓驅動，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發光強度。
另外，LED的光通量和溫度也成反比關系，高溫會導致LED的光輸出降低，LED的光波長向長波漂移，發光顏色發生變化。且溫度的升高會使LED的正向電壓降低，從而大大縮短LED的壽命，加速光衰。圖3所示為不同熱阻的的1W LED的允許順向電流和環境溫度的關系曲線圖，從圖中可知，當溫度達到70～100℃時，LED的恒流需要線性地減少，直到120℃這一點達到零，恒流下降點和減少斜率取決于散熱設計。因而，大功率LED燈具必須要有良好的散熱性，對驅動電源而言，必須在溫度過高時能夠關斷輸出，起到保護作用。
2大功率LED與驅動電源的匹配方式
大功率LED已經廣泛應用于照明、裝飾類等產品，在設計LED照明系統時，需要考慮用什么樣的LED驅動器，以及LED作為負載采用的串并聯方式，合理的配合設計才能保證LED正常工作。用LED作為大功率照明燈具，通常都是由多顆LED組成，少則十幾二十顆，多則上百顆。如此多的單獨的LED組合在一起來組成發光組件構成照明燈具，已逐步應用于路燈、隧道燈、工礦燈、商用照明等場合。LED的連接方式直接關系到其可靠性和使用壽命。
2.1LED采用全部串聯方式
如圖4所示，LED采用全部串聯方式，即將多個LED的正極對負極連接成串，其優點是通過每個LED的工作電流一樣，一般應串入限流電阻R。串聯方式要求LED驅動器輸出較高的電壓，當LED的一致性差別較大時，分配在不同LED兩端的電壓不同，通過每只LED的電流相同，LED的亮度一致性較好。
當有一顆LED發生短路時，如果是采用恒壓電源驅動，由于輸出電壓不變，這樣分配到每顆LED上的電壓都有升高，驅動器輸出電流將增大，如果超過LED額定電流太多的話，容易造成余下的LED光通量超過正常值而縮短壽命甚至燒毀。如果是采用恒流電源驅動，當一顆發生短路時，由于驅動電流不變，將不會影響余下所有LED的正常工作。
當有一顆LED斷路后，串聯在一起的LED將全部不亮。這時只要在每個LED兩端并聯一個齊納管即可，如圖5所示，所選齊納管的導通電壓要高于與其并聯的LED的導通壓降，否則該LED也不會亮。
應用此串聯方式，當LED數目較少時，電源兩端的輸出電壓不會太高。但是當LED數目較多時，特別是大功率LED路燈等，通常數目至少都有幾十顆，這樣為了使LED正常工作，其驅動電源的輸出電壓必然會非常高。比如100顆這樣的大功率LED來組成照明燈具，必須要有超過300V的輸出電壓，而這樣高的電壓會對人身安全造成影響。
2.2LED采用全部并聯方式
如圖6所示，LED采用全部并聯方式。這要求LED驅動電源輸出較大的電流，負載電壓較低。每顆LED的電壓一樣，而總電流是流經每顆LED的電流之和。當LED的一致性差別較大時，通過每顆LED的電流不一致，LED的亮度也不同。
當有一顆LED因品質不良斷開時，如果采用恒壓式驅動電源，電源輸出電流將減少，而不影響余下所有LED的正常工作。如果是采用恒流式驅動電源，由于總輸出電流不變，這樣分配到每顆LED的電流都增加，容易導致損壞所有的LED。因此，這種全部并聯的方式不適用于LED數量較少的場合，因為只要一顆斷路，余下的每一顆都要額外增加較大的電流。當并聯的LED數量較多時，斷開某一顆時，分配到余下每一顆的電流并不大，對余下的LED影響不大。所以，當選擇全部并聯時，不應當選用恒流式驅動器。當某一顆LED因不良而短路時，那么所有的LED將不亮。
2.3LED采用混聯方式
這種方式，就是眾多LED既有串聯，又有并聯。這種混聯方式有兩種解法，分別如圖7和圖8所示，其分析方法基本和上述兩種連接方式一樣。
2.4LED采用交叉陣列形式
為了提高可靠性，降低熄燈幾率，出現了如圖9所示的交叉陣列形式的連接設計。圖9是以15顆LED為例的設計圖，更多的LED數量也可以參照此形式。這種交叉連接方式，即使個別LED開路或短路，也不會影響發光組件的整體實效。
3分布式恒流架構
由于目前大功率LED照明用的LED數量較多，通常都有幾十個甚至上百個，選擇合適的驅動匹配方式顯得尤為重要。上述各種驅動方式各有優缺點，但是，對于大功率LED驅動電源來說，先恒壓再恒流，是未來LED照明的主流設計方式，此方式被命名為分布式恒流，其主要架構如圖10所示。
該方式先通過一個開關穩壓電源，輸出穩定的直流電壓，然后在直流輸出端接上LED模塊，LED模塊上已經有了恒流裝置。這樣將恒流技術分布到光源內部，和LED構成一個相對獨立的模塊，這樣設計隨意性強，電源規格簡單，可以根據不同光通量要求而選擇不同數量的LED模塊。這種LED模塊的劃分，使得大功率LED照明特別適用于路燈、隧道燈、公共場所照明、廣告燈箱等領域。分布式恒流設計LED產品有著非常高的產品穩定性。
分布式恒流技術，其穩壓電源部分可以繼續采用傳統的開關電源進行恒壓的供電模式，因開關電源技術積累給LED驅動電源設計創造了品質條件。分布式恒流技術還需要在恒流節點上串接低壓差線性恒流驅動器，低壓差的驅動器關系到驅動效率。LED恒流模塊設置靈活，不會因為支路電流變化而影響其它支路工作。分布式恒流可以根據應用情況而靈活布置并聯支路和LED模塊，從而保持各支路和整體線路的電流穩定。驅動線路穩定性直接影響產品整體穩定性，分布式恒流在穩定性方面有著獨有的優勢。
4結論
大功率LED照明正處在快速發展階段，由于價格成本高，目前還主要應用在路燈、隧道燈等領域，距離大規模的商用和民用還有很長的路要走。大功率LED照明大規模的產業化及應用，離不開驅動電源技術的發展，選擇合適的驅動匹配方式，不僅可以保證LED正常的照明效果，還能保證LED的使用壽命，使LED照明的優勢真正得到體現。先恒壓，再線性恒流，是未來大功率LED照明的驅動方式。在分布式LED驅動設計中，色溫可調、灰度控制都變得方便。分布式恒流技術充分預留智能化接口，這是LED照明智能化發展的關鍵。在節能技術要求越來越高的今天，大功率LED照明將成為照明技術發展的主流已成為共識，LED照明時代也正在來臨。
參考文獻
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【關鍵詞】電源；MSP430F169；MODBUS協議；RS485總線
Design of Industrial Remote Monitoring Power Supply
WANG Zheng
（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）
【Abstract】A design of industrial remote monitoring Power Supply with high stablity， is proposed in this paper. The ultra low power 16 bit microcontroller MSP430F169 produced by TI company act as the main control chip of Power Supply， to collect the real-time information of voltage，current， temperature and to test the error state of Power Supply. Based on the Modbus protocol and RS485 bus， the collected information of Power Supply is sent to Host Computre. The data is analyzed， then， Host Computre send control commands to the main control chip which change the PWM waveform output of the drive circuit to correct the output voltage and current of Power Supply in time. After the test， the Power Supply sustainly and effectivly working in industry is realized.
【Key words】Power Supply； MSP430F169； MODBUS protocol； RS485 bus
0 引言
電子電氣設備已涉及日常工作、生活各方面，而電子設備的正常穩定運行離不開安全可靠的電源。電源產品被廣泛應用于工業、軍工、科研、生活等領域，工業系統中對電源的遠程監控功能和高可靠性要求越來越高，傳統電源未對采集的電源數據進行存儲和再訪問，缺乏數據的分析處理，因而難以確保電源可靠工作。
為此，本文設計了一種新型遠程監控電源[1-3]。它是基于開關電源獲取恒壓或恒流輸出，基于MODBUS協議[4-5]和RS485總線[6-7]技術實現與上位機通信，基于微控芯片MSP430F169及驅動電路實現對電源主機的監控。
1 電源主機硬件部分
該電源由6個電源模塊和1個上位機控制單元組成。上位機和電源模塊之間通過RS485總線通訊。每個電源模塊有電壓、電流兩種工作模式。電壓工作模式為將監測的輸出電壓作為反饋量，與控制電壓比較，根據比較結果控制輸出電壓。電流工作模式為將監測的輸出電流作為反饋量，通過調節輸出電壓來調節輸出電流。其中，電壓模式時用戶直接控制輸出電壓大小，電流模式時用戶可以直接控制輸出電流大小。每個電源模塊的組成為電源實現部分、下位機驅動板卡和下位機控制板卡。其總體框架如圖1所示。
1.1 電源實現部分
開關電源實現輸出電壓0-20V可調，輸出電流0-1200A可調；三相電缺相檢查、輸入過壓欠壓檢查、輸出過壓欠壓過流保護；提供±24V、±15V交流電，給下位機驅動板卡和控制板卡供電；提供溫度檢測傳感器。
1.2 下位機驅動板卡
使用PWM模塊驅動電源實現部分的IGBT工作，并提供PWM控制接口給下位機控制板卡，實現輸出電壓和電流調節；使用LED指示電源實現部分的相關故障并將故障信號連給下位機控制板卡的開關量輸入引腳；將±24V和±15V交流電轉成±12V直流電，并給下位機控制板卡供電；實現缺相、輸入欠壓過壓、輸出過流過壓欠壓的監測功能。
1.3 下位機控制板卡
通過單片機DAC引腳產生0～5V控制信號，用于控制PWM的輸出脈沖寬度；通過單片機開關量輸入引腳，檢測缺相、輸入欠壓過壓、輸出過流過壓欠壓等故障狀態；通過單片機開關量輸出引腳，給出TTL電平信號，用于關斷PWM模塊，實現軟件關機功能；通過單片機讀取數字溫度傳感器（DS18B20）數值；通過單片機開關量輸出引腳顯示當前工作模式（電流模式或電壓模式）；RS485地址可調。
下位機控制板卡核心部件為單片機（選型為MSP430F169），該單片機能夠提供如下資源：3路ADC輸入、2路DAC輸出、6路開關量輸入、5路開關量輸出。其中，輸入開關量用于獲得電源的各種狀態；輸出開關量用于控制PWM的通斷、電路狀態指示燈等，ADC用于監測輸出電流和輸出電壓；DAC用于控制輸出電壓和輸出電流。
2 軟件部分
2.1 下位機固件
在下位機LCD上顯示電源模塊的各種狀態（包含當前輸出電壓、輸出電流、故障模式、關鍵部件溫度以及當前時間和日期等），100ms（控制周期）刷新一次；處理上位機的各種請求。
2.2 上位機程序
2.2.1 開發語言
C#，整個程序基于 Framework環境運行。
2.2.2 功能說明
本控制系統通過RS485總線實現多臺電源單機的聯網工作，中央控制程序對單機的工作狀態進行實時監控，并按照用戶設定的工作模式和參數對網絡上的全部單機進行工作模式控制，對多機進行負載均衡控制，保證電源網絡按照設定參數輸出，滿足工作需要。
2.2.3 通信協議
上位機和下位機的通信協議為MODBUS。
2.2.4 軟件總體架構
軟件整體框架按5層結構設計，從下往上分別為硬件接口層、協議層、設備管理層、應用層和界面層。各層分別與上一層和下一層通信，完成數據傳遞。分層設計的優點是各層功能獨立，接口明確，在程序設計、開發和維護上更為方便、快捷，各層內部的功能和結構變化不影響整體系統的設計和開發。
3 結論
本文基于開關電源技術和工業控制中廣泛使用的MODBUS協議和RS485總線技術，以16位超低功耗的單片機MSP430F169作為主控芯片，加上合適的驅動電路，實現了一種可遠程監控的電源。其中使用了六路電源模塊組成一個電源主機，更提高了工業控制中電源供電的可靠性。通過上位機程序與電源主機聯合測試，可監控電源主機實現可靠的恒定電壓或恒定電流輸出。隨著無線網絡技術的不斷發展完善，無線遠程監控電源設備將更加方便，但穩定性仍是關鍵技術之一，是值得繼續研究的方向。
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關鍵詞：6U標準板卡； 一體式； 伺服控制系統; 電氣接線
中圖分類號：TN91134文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2011)22020602
Integral 2axis Servo Control System Based on 6U Standard Board
CAO Fulu, SUN Xiangliang, ZHANG Pengnian, HU Weihua
(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)
Abstract： To solve the continuity problem of many wires to interconnect independent modules of a servo control system, an integral 2axis servo control system with independent intellectual property rights was developed. The system is based on 6U standard controller board, power conversion board, resolvertodigital converter (RDC) board and power driver board. The functions and working principles of the system and the modules are discussed. The characteristics of the system are analyzed. The actual application proves the system has the advantages of versatility, high reliability, maintainability and electromagnetic compatibility.
Keywords： 6U standard board; integral mode; servo control system; electric wiring
收稿日期：201107100引言
伺服系統中包含能源設備、檢測設備、控制設備、放大裝置、輔助設備等功能模塊［14］。各功能塊的相對獨立設計，導致系統各功能塊之間的電氣連接需要較多的接線。諸多的電氣接線不利于系統的通用性、可靠性、可維修性［56］及電磁兼容性設計［78］。基于上述問題，本文研發了完全自主產權的一套基于6U標準［9］板卡的一體式兩軸伺服控制系統。
1系統組成與功能
系統組成框圖如圖1所示。該系統集控制板、功率驅動板、電源轉換板、角度編碼板于一體，各功能板均采用基于6U標準的板卡，插拔式裝配設計，相互之間采用母板式連接。該系統主要完成的功能有：控制板實時地向兩塊角度編碼板同時發送同步脈沖，通過兩串行接口分別接收兩塊角度編碼板反饋的兩軸驅動機構的當前位置信息，按照上位機控制命令的要求，并依據開關量信號表征的系統當前狀態，在確保系統安全運行的情況下，進行位置閉環后，輸出模擬速度給定信號，控制功率驅動板輸出合適的電機驅動信號，完成對兩軸驅動機構的隨動控制。
2各模塊的功能
2.1電源轉換板
系統輸入電源為工頻交流220 V，系統內控制板、功率驅動板、軸角編碼板均采用直流24 V供電。考慮到該系統對基于直流24 V、直流48 V、直流72 V等電壓等級電機的伺服系統的通用性，電源轉換板采取了通用性設計。它的功能框圖如圖2所示。
圖1系統組成框圖圖2電源轉換板功能框圖該電源轉換板首先將交流輸入濾波后，經AC/DC模塊轉換成直流，再經DC/DC降壓并濾波處理后輸出系統所需的控制電源直流24 V/2 A、功率電源直流24 V/10 A及功率電源直流48 V/10 A。
2.2軸角編碼板
系統所采用軸角編碼板的功能框圖如圖3所示。軸角編碼板向系統旋轉變壓器送出兩路正弦激磁信號，接收兩路正弦及余弦感應信號，將接收到的反應伺服機構當前位置的正余弦信號進行編碼處理，形成位置編碼，并在接收到同步觸發脈沖后，經串行口實時送出當前位置編碼。
圖3軸角編碼板功能框圖2.3功率驅動板
系統功率驅動板的功能框圖如圖4所示。功率驅動板包含速度環與電流環兩級環路，即將接收到的差分速度給定信號與速度反饋信號處理后求差，經速度調節器后作為電流環給定信號，將該信號與處理后的電流反饋信號求差再經過電流環調節器后輸出，該模擬輸出經PWM產生電路轉換成PWM信號，再經功率放大后輸出給電機，完成對伺服電機的驅動，并對連續多次的故障信號進行鎖存實現電路保護［10］。
圖4功率驅動板功能框圖2.4控制板
系統的控制板功能框如圖5所示。控制板的主要功能是實時地向兩塊軸角編碼板同時發送同步脈沖，通過兩串行接口分別接收兩塊角度編碼板反饋的角度編碼，并通過串行接口接收上位機控制命令，依據開關量信號表征的系統當前狀態，在確保系統安全運行的情況下，進行位置閉環后，向功率驅動板輸出模擬速度給定信號。
3系統的特點
該系統所具有的主要特點有：各功能板卡均采用6U標準尺寸，具有較高的集成度； 統一了接口連接器， 減少了器件種類；采用插拔式裝配設計，安裝方式穩定可靠，易于維修；電源轉換板考慮通用性設計，輸出功率電源直流24 V/10 A及功率電源直流48 V/10 A，在母板上進行簡單的跳線設計，即可滿足驅動直流24 V，48 V以及72 V等電壓等級的電機的需求；功率驅動板可以適用直流24～72 V的電源輸入范圍，具有一定的通用性；系統采用一體式屏蔽機箱設計，具有較好的電磁兼容性。
圖5系統控制板功能框圖4結語
綜上所述，該系統集基于6U標準尺寸的控制板、功率驅動板、電源轉換板、角度編碼板等諸板卡于一體，插拔式裝配設計，相互之間采用母板式連接。實際應用表明，該系統具有較高的通用性、可靠性、維修性和電磁兼容性。
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關鍵詞：逆變電源；串聯諧振；數字信號處理器（DSP）
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.008
引言
隨著電力電子技術、信號處理技術及計算機控制技術的迅速發展和廣泛應用，對逆變電源的性能及效率等要求也越來越高。串聯諧振中頻逆變電源是感應加熱的關鍵設備，在現代工業生產中，熔煉金屬及對工件進行透熱、淬火和彎管等，常常采用中頻（150Hz～20kHz）諧振逆變電源裝置作為感應加熱電源。
傳統的串聯諧振中頻逆變電源控制仍然多為模擬控制或模擬與數字相結合的控制系統[1-2]，存在如控制電路結構復雜、采用較多的元器件，體積龐大、電源一致性差；系統工作不穩定、控制精度不高、開發調試復雜等缺點。克服以上缺點的方法是應用數字處理技術，將傳統的模擬電源升級改造為數字化電源（DPS：Digital Power Supply）。數字電源控制電路的核心器件是數字信號處理器（DSP），通過微處理器的精確運算來控逆變電源的各項性能和工作全過程，使控制電路高度集成、簡化，且實現了數控化。本文設計了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz 的串聯諧振中頻逆變電源，并通過試驗驗證了該設計方案的有效性和可行性。
中頻逆變電源設計
電源主電路設計
串聯諧振中頻逆變電源系統主電路結構如圖1所示。三相380V/50Hz交流電經空氣開關、熔斷器后加到由二極管模塊組成的三相不控整流橋，三相整流橋輸出的直流電壓Ud經電解電容Cd濾波成平直的電壓，再加到由四個IGBT和四個反并聯二極管組成的單相全橋逆變器，逆變器輸出的電壓Uo經中頻變壓器T隔離并降壓后送到由補償電容C和負載感應器Lo組成的串聯諧振電路的兩端。中頻變壓器T用于負載匹配，感應線圈等效電感Lo和電阻R以及諧振電容C組成變壓器次級串聯諧振槽路。
串聯諧振逆變電源工作原理
串聯諧振逆變電源等效電路如圖2所示，其移相控制原理及工作過程分析如下[3]：
圖2所示的主電路的控制采用了如圖3所示的移相控制策略。其基本原理是：檢測逆變器輸出電流 利用其過零點來產生滯后橋臂管VT4的驅動信號4gVTu（VT2管的驅動信號2gVTu與之互補）；由VT1和VT3組成的超前橋臂的驅動信號1gVTu和3gVTu 分別超前于4gVTu和2gVTu，超前的角度為移相角α或者調節逆變橋輸出電壓的寬度o u，從而調節基波電壓的幅值，就能對電路輸出功率調節進行調節。
數字鎖相環（DPLL）控制
串聯諧振逆變電路工作在諧振狀態時，諧振回路呈電阻性，工作頻率等于負載的諧振頻率。由于逆變輸出所接負載的規格不同，感應線圈的等效電感和等效電阻也將改變，諧振頻率會發生變化，如果不改變逆變電路IGBT的驅動頻率，將使逆變器偏離諧振點，不僅使逆變橋上IGBT偏離零電流開關點，而且引起開關損耗增大，當逆變器工作頻率高于負載諧振頻率較大時，在一定的P值下，還會使負載阻抗增大，逆變器的無功功率增加，輸出功率因數下降，功率容量不能充分利用。因此逆變控制系統必須具備頻率跟蹤功能，使逆變器的工作點保持在諧振點附近，從而實現IGBT的ZCS開關，并且有效利用逆變器的輸出功率容量。一般的頻率跟蹤采用鎖相環控制（PLL），通過檢測輸出電壓和電流的相位差，控制鎖相環電路的觸發信號輸出頻率，達到頻率跟蹤的目的。本設計采用基于DSP技術的數字鎖相環（DPLL）來實現頻率
的自動跟蹤[4]。
串聯諧振中頻逆變電源系統結構框圖如圖4所示。電源控制系統采用以TMS320LF2407為控制核心的硬件控制平臺，傳感器采集的各種檢測信號經轉換后作為DSP的輸入信號，DSP根據檢測輸入的信息對系統進行實時控制，逆變器中功率主開關管的驅動信號由DSP的事件管理模塊EV產生，并對最終產生的PWM波形輸出進行死區控制；通過對負載電流和電壓的檢測、采樣、濾波、電平轉換和A/ D 變換處理后，與給定頻率作比較，進行頻率鎖相跟蹤及移相功率控制；當過流或過壓等故障信號產生時，硬件電路會封鎖逆變器的觸發信號來實現保護功能，同時，保護信號會使中斷口XINT發生中斷，立即進行系統的其他保護處理。系統具有電壓、電流、工作頻率及諧振頻率等各項參數的顯示；電路設有過流、過壓、過熱、缺相等全面的保護系統，并指示出各種故障便于維修；同時，還具有上下位機通訊功能，可以實現遠程網絡化控制或用計算機自動控制[5]。
實驗結果及結論
關鍵詞：永磁同步電機；DSP芯片；實驗驗證
中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0016-01
1 引言
近些年來，交流伺服系統在工控、軍工、民用、醫療等領域的應用十分廣泛。對于永磁同步電機伺服系統，除了要求具有動態響應迅速、穩態運行可靠的特性外，還要求系統能夠實現準確定位和快速跟蹤。本文結合永磁同步電機伺服驅動系統實驗平臺開發設計，將模糊控制和傳統PID控制相結合，使系統既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有PI控制精度高的特點。
2 實驗平臺硬件設計
永磁同步電機驅動控制系統實驗平臺硬件由驅動電源電壓的整流和逆變模塊、反饋信號（位置、電流）檢測模塊以及相應的硬件保護等模塊組成。本設計采用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，這是一款浮點類型的處理器，主頻高能高效率運行負載控制算法，尤其是矢量控制算法以及高頻率電流環處理的采集運算，大量傳感器模擬和數字信號濾波計算等實時控制。
2.1 主電路
主電路是驅動系統能量轉換的通路，用來將電能直接轉化為驅動伺服電機轉動轉矩的機械能。采用交流直流交流方式將電能轉化的結構方式，對三相220V交流供電進行全橋不可控整流。逆變部分采用IPM智能功率模塊，將母線直流電轉化為交流電，其IPM內部集成了IGBT驅動電路，性能穩定，避免在外部搭建PWM驅動電路而造成的控制系統繁瑣，縮短了PWM信號在PCB板上的走線長度，避免了周邊電路帶來的干擾。在由DSP發出的SVPWM信號采用光耦隔離后由系統提供的驅動DC15V電源直接驅動IPM。根據系統功率要求，考慮了系統的布局和干擾條件，本設計采用了Agilentg公司生產的光耦HCPL3120，具有500ns的開關時間和15KV的絕緣耐壓等優良特點，在IGBT驅動中具有廣泛的應用，其性能滿足系統的要求。
2.2 控制電源電路
一般情況下，控制電源單獨工作時，其輸出電壓紋波大小均可以滿足控制系統要求，但控制電源帶上負載后，在電源輸出電壓上會疊加上較高的紋波電壓，如輸出紋波太大，會影響到控制電路和檢測電路工作的可靠性。因此，合理配置和設計穩定的開關電源對整個系統的實現至關重要。針對控制電源穩定性的需求，本設計采用了PI公司生產的三端離線PWM復合開關TOPSwitch以及光耦和基準源組成的反激式開關電源，輸入額定電壓為220V，經過反饋及鉗位電路分別得到5V，-5V及15V的控制電源。采用5V電源為控制基準反饋回路。
2.3 轉子位置、角速度檢測電路
電機轉子外側安裝有位置傳感器，通常選用正交式光電編碼器。其利用光電元件制作的精密光柵器件檢測光學信號，在經過換算和信號處理輸出具有ABI三種信號的正交編碼信號。輸出的信號能夠直接連接到DSP的碼盤檢測接口，DSP通過內置的接口采集到高速的盤脈沖信號進行處理，用于完成矢量控制和位置環的伺服控制。
2.4 電流檢測電路
矢量控制依賴于準確的電流采樣信號，其信號的波動干擾都會直接造成系統控制偏差和控制性能下降，直接影響整個電流環的控制以及系統的穩定。因此我們需要選用的霍爾電流傳感器應該滿足高采樣精度和低溫漂的要求。本設計選用了ALLegro公司生產的ACS712ELC系列的電流傳感器。該傳感器具有2.1 kVRMS電壓絕緣及低電阻電流導體的全集成、極穩定的輸出偏置電壓和近零的磁滯。同時在DSP中的12位轉換器模塊提供了高效的采集頻率對電流信號進行采集和反饋控制，可以滿足對系y的控制精度和穩定性的要求。
3 實驗平臺軟件設計
DSP作為系統軟件算法實現的載體，軟件實現的功能主要有：矢量控制算法、PID調節器算法、伺服驅動的電流環、速度環、位置環算法的實現，模糊控制器算法實現。本設計伺服電機數字控制系統軟件采用模塊化設計。
3.1 系統模塊
系統模塊是系統初始化的過程。主要包括兩個模塊：系統初始化和中斷配置。系統初始化主要包括：配置系統時鐘、IO接口初始化、通訊模塊的初始化、模擬量接口的初始化、在ROM中設置用戶參數與電機參數的配置。
3.2 電機控制模塊
電機控制模塊主要由DSP完成。其主要包括兩個部分：矢量控制模塊和SVPWM產生模塊。矢量控制算法是永磁同步電機伺服驅動控制的基礎，算法的實現需要實時對電流信號解耦運算，每個控制周期都有需要運算的程序，因此可以利用DSP對數字信號的高速處理的能力來解決大量運算的工作。
3.3 外部接口模塊
外部接口模塊實現對DSP內部控制算法和片外系統的信息交互接口。有控制算法需要的實時電機電流和碼盤位置信號和用于存儲信息的ROM之間的SCI通訊裝置接口。控制器運行狀態信息的反饋，包括通過IO接口采集進入DSP內部的數字量信號和驅動器散熱系統溫度信號的處理。
3.4 通訊模塊
通訊模塊是實現上位機和驅動器控制本身信息交互的功能。DSP集成了CAN2.0B的標準通訊協議，供用戶在此物理層的基礎上進行應用層協議的開發。應用該協議上位機能夠實現對一臺或多臺驅動器組成主從結構的網絡控制，其傳輸速度能滿足上位機對系統及網絡控制的實時性要求。
4 實驗驗證
矢量控制系統是一個復雜的閉環控制系統，其中包含有速度和電流兩個閉環結構，有多個PI調節器需要進行參數整合，因此一次性將整個系統搭建并調試的方案不具有可行性。電流環的參數主要取決于電機的電氣特性，因此要先進行電流環參數調整，當電流環穩定后在進行速度環和位置環調試。系統實驗位置曲線如圖1所示。
5 結語
本文通過分析交流永磁同步電機驅動控制系統硬件、軟件相關模塊的設計，構建了交流永磁同步電機伺服驅動控制系統。采用分級調試思想，調試了系統開環、電流環以及速度環，驗證了電機驅動系統的電流環與速度環驅動控制可行性；最后在實際作業環境下測試了位置環，驗證了模糊算法并給出了相關調試曲線，說明模糊自適應PID在位置環中的應用具有改善控制性能的作用，且驅動系統滿足系統控制精度要求。
參考文獻
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