STM32控制的PWM调光驱动电源设计_申康.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：广西科技重大专项（桂科）；广西创新驱动发展专项资金项目（桂科）；广西高校中青年教师基础能力提升项目（，）；北部湾大学校级教改课题电路原理精品在线课程（）收稿日期：修改日期：，（，；，；，）：，（），：；：控制的 调光驱动电源设计申 康，何永玲，王月武，秦锦耀，庄 远（广西大学电气工程学院，广西 南宁；北部湾大学机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州；广西科技大学自动化学院，广西 柳州）摘 要：调光技术在照明行业非常重要，保证调光过程平稳并在 范围内调光是当前研究的热点。提出一种有源功率因数校正（）且具有恒流稳压功能的 调光驱动电源，对功率因数校正电路，恒流限压电路和调光电路进行详细设计分析。针对单一调光芯片控制电路存在输出不稳，无法实现全范围调光的问题，采用 单片机和调光控制芯片 相结合进行控制。最后制作样机并进行测试分析，该调光电源输出电流精度控制在 以内，功率因数在 以上，在额定输入电压下效率达到 以上，在 范围内调光且调光过程平滑无闪烁。关键词：调光；恒流限压；功率因数校正；驱动电源中图分类号：文献标识码：文章编号：（）照明器件凭借其优良的性能，已经逐渐取代传统的白炽灯成为主要的光源。调光作为发挥灯具节能优势的重要途径，也成为灯具必备的功能，调光驱动电源一直紧随时代发展，在体积、能耗、成本、环保等方面开发出更加符合市场需求的产品。目前常用的调光方式通常分为三种：模拟调光、调光、可控硅调光。的发光强度与流过电流大小成比例，模拟调光正是通过改变输出电流幅值来进行 发光强度的控制。另一方面，模拟调光时 的色温、光效等光学特性会随电流的变化而变化，限制了其在高要求场合的应用。可控硅通过控制导通角来改变输入电压的有效值，进而控制输出功率来进行调光，匹配安装使用简单，但是其增加了谐波系数，降低了功率因数，产生了严重的电磁干扰（，）。调光通过 信号控制流过 的电流大小来进行调光，具有可靠性高、调节效果好、色温不偏移等诸多优势，但是由于 芯片的温度特性，存在输出电流不稳定，无法在 范围调光的问题。由于大规模电力电子设备应用带来电磁污染，电网的容量没有得到最大限度利用，因此提高用电设备的功率因数显得尤为重要。提出一种基于 控制电 子 器 件第 卷的高功率因数调光驱动电源，前级有源功率因数校正（，）电 路 采 用 芯片进行控制，采用 双运放电路配合 光耦反馈控制输出电压电流精度，输出级采用 配合 调光控制芯片实现范围内平滑调光。最后制作了实验样机进行验证。主要电路设计对 电路、恒流稳压电路、调光电路进行设计，对高频变压器进行设计制作。在交流 电压输入范围内具有平滑稳定的调光性能，输出电流为 ，输出功率 ，功率因数大于，效率高于。电路设计本文采用以 芯片为控制核心的有源功率因数校正电路来降低电流电压相位差，提高 值。利用有源功率因数校正芯片来实现 值的校正，通过对电路的设计在实现功率因数校正的同时提高涌浪保护能力，保护系统安全。图 功率因数校正电路电路刚接通的瞬间，芯片直接由整流电路供电，具有较大的电流波动，为了保护保护系统安全，提高芯片使用寿命，本文在传统的 电路设计上加入一个保护电路，在芯片的 端连接一个 三极管，三极管的选型采用峰值电压略低于 芯片供电电压的 三极管，这种改动能更好地保护好电路。纹波是电源不可忽略的一个因素，使用合适的高频滤波电容可以很好地去除纹波的影响。本文采用 的 高频滤波电容。高频变压器设计高频变压器作为电源主要器件，承担着电压转换和保护电路的重要功能。当前一般都是用 法来计算磁芯尺寸。设计之前先定义几个关键参数：，。其中 为变压器原边反射电压，为最小开关频率。计算过程如下：（）（）通过计算得出 为 ，为 ，所以 ，选取 型铁氧体磁芯。在临界导通模式下的最大占空比如下：，（）原副边匝数比计算为：（）（）（）初次级绕组匝数确定，取，则 为：（）所以 取整数为 匝，为，取整为 匝。辅助绕组匝数确定：（）（）所以两个辅助绕组匝数均为 匝。变压器的初级电感量：（）（）（）式中：为输入峰值电压与反射比系数，为原边绕组峰值电流。变压器的气隙确定：（）最后计算结果为：。第 期申 康，何永玲等：控制的 调光驱动电源设计 恒流限压电路本文通过 和 芯片组合，构成独立的恒流环、稳压环，具体电路设计如图 所示。利用 芯片提高输出电流电压精度，能够使输出电流电压精度控制在 以内。在高频变压器的次级输出端设计一个高精度的采样电阻，当负载发生变化时采样电压信号就会发生改变，而芯片的外部基准电压为恒定值 ，采样值与基准电压进行比较然后在运算放大器的输出端输出不同的信号，通过光耦反馈回 芯片，起到调节输出电流电压的作用。通过测试发现可以实现 的电流输出。图 恒流限压电路 调光电路设计本文使用 加 芯片来实现调光功能，并且在功能上设计为多种调光模式，包括粗调、微调等。其电路图如图 所示。图 调光电路利用 微处理器来控制多种情况下 输出，主要控制思路为：使能通道时钟开启 设置中断函数 通道使能函数设置按键功能函数设计在主函数调用。软件控制主程序如图 所示。调光电路硬件元器件设计遵循以下规则：，（）图 软件控制主程序（）（，）（）所以电感取值为 。输出电容：，（）输出电容选择两个 铝电解电容并联。的外接电阻 选择是控制开关频率的关键。开关频率设定为 。（）（）所以 为 。电流检测电阻 通过计算可得：（）样机制作及测试分析 样机制作基于前文对 电路、恒流稳压控制电路、调光控制电路的分析，使用 对系统进行整体设计，然后搭建了一款功率为 的基于 调光 驱动电源样机，调光驱动电源样机如图 所示。功率因数以及效率测试当输入电压在 范围内变化，负载满载情况下对样机的输出电压（）、输出电流（）、效率（）、功率因数（）进行测试，得到数据如表 所示。从表中可以看出功率因数只电 子 器 件第 卷图 调光驱动电源样机实物图图 样机测试图发生很小的变动，效率在输入电压范围内保持在左右，仅在 左右的输入电压范围前后降到 之下。作为一款恒流驱动电源，在预设输入电压范围内，样机仍能够保持电流精度是电源测试重要的指标之一，从表中数据可以看出，在各测试点输出电流基本维持在 ，没有发生变化，输出电流整体比较平稳，精度控制在 以内。利用功率因数表对样机的整体进行测试，从数据可以发现，样机功率因数值维持在 附近，系统样机的总谐波失真率（，）较小。表 样机效率及功率因数实验数据（）（）调光测试针对单一控制芯片调光过程中容易出现闪烁和不稳定现象，采用 微处理器，使用调光控制芯片 并结合型号为 的 进行调光控制，实验表明样机在 范围内可平滑调光，并且在整个调光过程电源输出稳定，发光正常无闪烁，样机总谐波失真率较小。在调光环节，不同占空比下，发光照度测试情况如图、图 所示。图 占空比为 时照度测试图 占空比为 时波形及照度测试当 占空比为 时，用特安斯 照度计测量，此时的照度值如图 所示，为 ，此时流过 的电流值为 ，电压为 ，处于满载发光的额定工作状态。占空比为时，用肉眼观察 没有点亮，测量的照度值为，如图（）所示，这个数值就是实验室环境的背景照度值。此时示波器上面监测到 管漏源极电压波形如图（）所示，几乎为零，也即 负载上没有电流流过。因此，本文设计的调光 驱动电源实现了 范围内的调光。总结针对 调光驱动电源，本文提出了一种更符第 期申 康，何永玲等：控制的 调光驱动电源设计 合市场需求，调光更稳定的方案。方案前级采用 芯片进行功率因数校正，后级采用 加 光耦进行反馈控制，结合 进行恒流稳压精确调整，输出端用 单片机及调光控制芯片 进行调光控制。通过对系统相关参数进行分析设计，试制了一台 的样机。测试得样机具有较大的功率因数（），电源效率在市电 条件下高于，恒流精度在 以内，在 范围平滑调光无闪烁，适应当前多种场景需求。参考文献：刘伟程 半导体照明技术存在的问题及优化策略分析 电子技术与软件工程，（）：付贤松，王婷，任梦奇，等 新型隔离式 调光 驱动器设计 电工技术学报，（）：郑清良，林维明 一种 驱动电源组合调光策略与实现 电源学报，（）：，：，：应用中的低电压反馈 电子产品世界，（）：郝永龙 基于 的恒流 驱动电路设计 中国照明电器，（）：，（）：，：廖志凌，邱殿成，陈兆岭，等 一种 模块的非线性仿真模型研究 电力电子技术，（）：张军朝，薛帅，侯瑞，等 基于 光色动态可调的隧道照明控制系统研究 电子器件，（）：廖慧，阳序仁 基于 的 智能照明系统的设计与实现 电力电子技术，（）：丁彩红，张天宇 可调光的初级反馈 驱动器的研究 电力电子技术，（）：申 康（），男，汉族，江西赣州人，北部湾大学讲师，广西大学在读博士研究生，主要从事电力电子拓扑及建模控制技术，驱动电源，无线电能传输技术方向研究，；何永玲（），女，汉族，广西钦州人，工学硕士，教授，主要从事机械设计制造研究，。