驱动电源设计
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驱动电源设计范文第1篇
引 言
所谓“绿色照明”是指通过可行的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，改善提高人们的生活品质。完整的“绿色照明”内涵包括高效、节能、安全、环保等四项指标，不可或缺。作为“绿色照明”之一的半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，它具有高效、节能、安全、环保、寿命长、易维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型第四代“绿色”学源。2003年6月17日，我国正式启动“国家半导体照明工程”。随着“绿色照明”理念的提出和推广，以半导体材料制作的LED光源被逐渐的应用到了景观照明方面，与此同时大功率的LED路灯引起了人们的广泛关注。大功率LED路灯的工作原理是，通过直流低压对大功率LED组进行点亮，从而满足人们的照明需求。大功率LED路灯不仅具有亮度高和显色性好的优势，并且因为LED路灯的需要输入的电能是低压直流，所以对电能的要求少。随着太阳能光伏发电技术的不断成熟，由于大功率LED路灯对电能的要求少，使得太阳能LED路灯作为未来道路的照明方式成为可能。在目前的LED应用过程中，由于大功率LED所需要的必须是低压直流电源，所以普通的家用交流电无法满足大功率LED的要求，即使经过了普通降压和稳压的电源也必须通过重新改良过后才能用于为大功率LED驱动电能。本文通过对大功率LED的工作特性深入探析理解，并对目前常用的一些驱动电源进行简要分析，对高效的发挥出大功率LED的优势驱动电源必须具备的哪些条件提出了多个设计要素。
一、LED驱动电路研究的意义和价值
LED路灯是低得罟、大电流的驱动器件其发光的强度由流过LED的电流决定电流过强会引起LED的衰减电流过弱会（dian4 liu2 guo4 ruo4 hui4）影响LED的发光强度因此LED的驱动需要提供恒流电源以保证大功率LED使用的安全性同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC（功率因素校正）和恒流问题还需有比较高的转换效率有较小的体积能长时间工作易散热低成本抗电磁干扰和过温、过流、短路、开路保护等。本文设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高在LED路灯使用过程中取得满意的效果。
LED由于节能环保、寿命长、光电效率高、启动时间按短等众多优点，成为了照明领域关注的焦点，近年来发展迅速。由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战，LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。因此为防止LED的损坏，这些都要求所设计系统能够精准控制LED输出电流。目前采用的稳压驱动电路，存在稳流能力较差的缺点，从而导致LED寿命大为缩短。
当前，直流输入LED驱动电源已经发展了较长的一段时间，电路已比较成熟，而用于市电输入照明的LED驱动电路，很多采用交流输入电容降压及工频变压器降压，电源体积过大，输出的电流稳定性差，性能很低。目前针对市电输入的降压驱动电路是当前LED驱动市场的难点和热点。LED照明时一种绿色照明，其驱动电源的输出功率较小，在此情况下实现电源的高效率是另一大难点。同时，由于LED的使用寿命理论上长达10 万小时，这要求驱动电源很高的可靠性。
二、设计方案
HV9910 应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制（PWM） 方法，采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。不同于传统的PWM控制方法，该驱动器使用了一个简单的开/ 关控制来调整LED的电流，因而简化了控制电路的设计。
2.1 电路的特点
1）无需电解电容及变压器，这样增加了电源的使用寿命。如果LED驱动器理有电解电容，那寿命主要取决于电解电容，电解电容的使用寿命有一个大家公认的近似计算法则：即温度每下降10 度使用寿命增加一倍。比如说标称105 度2000 小时的电解电容，在65 度下使用寿命大约是32000 小时。
2）高效率。这款灵活简单的LED驱动器IC效率超过93%，可减少相关元件的数量，从而降低了系统成本。HV9910 可将调整过的85V至265Vac 或8V至450Vdc 电压源转换为一个恒流源，从而为串连或并联的高亮LED提供电源。
3）电路简单，仅需一个芯片HV9910 的实现就能实现所有的功能，没有用到变压器，提高了功率的效率，减少了空间，增加了系统的可靠性。
2.2 电磁兼容，高PFC、过EMI
采用高PFC 功能电路设计的室外LED 路灯电源，内置完善的EMC电路和高效防雷电路，符合安规和电磁兼容的要求。再用电压环反馈，限压恒流，效率高，恒流准，范围宽，实现了宽输入，稳压恒流输出，避免了LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED得亮度稳定。整机元件少，电路简单。
2.3 电源的PCB设计
本文在PCB 布局过程中，将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大，提高电路的抗干扰能力。
本文遵守以下原则进行PCB布线：
1）尽量避免相邻的线平行排列，平行走线的最大长度小于3cm，避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡；
2）为避免高频回路对整个电路的影响，尽可能减小其面积，并使用较细的导线；
3）合理设计PCB导线的宽度，电源进线线宽1.5mm，开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm，电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm；
三、可靠性设计
要在照明领域中大量使用大功率白光LED，只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作，才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。
3.1过压过流保护
在实际使用中，会出现负载短路或者空载的情况，会造成整个驱动电源的破坏，所以在驱动电源设计的时候，需要增加过压与过流保护。
3.2隔离保护
LED是低电压的产品，当驱动电源的开关损坏时，也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。
3.3浪涌保护
在实际应用中，电网很不稳定，尤其是雷雨季节，会有浪涌电压存在，所以在驱动电源设计时，要考虑到整个产品的防雷，尽量避免在异常时造成永久性的破坏。
3.4散热设计在大功率LED应用中，LED能承受的电流与温度有一定的关系，所以在驱动电源设计时，需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。
驱动电源设计范文第2篇
关键词：半导体激光器;驱动电源;设计
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）35-0008-02
半导体激光器拥有广阔的应用范围和极大的应用潜力，广泛应用于军事、医疗、商业贸易和工业生产等多个领域。但是传统的半导体激光器内部的设计模式并不好，使用寿命也很短，大大限制住了半导体激光器的使用路径。通过对内部驱动电源的设计分析，可以优化半导体激光器的电力结构，有效延长半导体激光器的使用寿命。
1 半导体激光器和驱动电源的概念和含义
半导体激光具有体积小、重量轻、价格相对较低和驱动电源设计简单等优越性的有利条件。半导体激光器是以半导体材料为工作物质，利用电力产生激光激光的一种物理性工具。半导体激光器要顺利地产生和发射出激光，必须要满足三个基本条件：
一是在电子注入有源区时形成粒子数的反转;
二是电子在光学谐振腔内产生一定波长的光，并利用电子跃迁来提高光的亮度和强度;
三是在发射激光时，注入谐振腔内的载流子既不能多也不能少，保证激光阈值的电流密度维持在饱和状态。
半导体激光器是实用性和适用性都最好的一类激光器，广泛应用于光存储、激光测距、激光通信、激光打印和雷达等多个方面。驱动电源是把电运供应的电力转换成某一特定的电压和电流，用以驱动机器工作运转的一种电源转换器。由变压器、整流桥、稳压电路、绿波网络和慢启动电路组成的驱动电源采用的不是电池供电或通电的开关闭合来控制电源状态的。
2 半导体激光器对驱动电源的要求
注入半导体激光器的电流小于额定阈值的时候，激光器就会因为输出功率过小而只能发出微弱的荧光。这时射出的光也只是半导体激光器自发辐射的光能能量，并不是从半导体的物质原子中发射出来的激光。注入半导体激光器的电流大于额定阈值的时候，激光器在恒温的情况下输出的功率和注入的电流大小成正比的线性关系。当半导体激光器内部的驱动电流超过允许流通电流的最大上限时，驱动电源就很有可能被烧毁，情况严重的时候还可能会发生小型爆炸，伤及相关的使用人员。原本半导体激光器的时间响应速度就很快，基本上都是以毫微秒来进行计量的，即使是极为短小的时间段内的冲击电流也会造成半导体激光器的破损和毁坏。因此，半导体激光器内部的驱动电源必须要担负起保护电路安全和电流稳定的职责，尽量减小或消除冲击性电流带来的不良影响和损失后果。
一方面，像半导体激光器这种非感性的电力负载，在闭合开关和断开电源的瞬间都会产生一股很大的冲击性电流。半导体激光器的驱动电源必须要将电力的输入和输出设计成一种启动较慢的安全性电流回路。通过降低激光波长的纹波系数和滤除电路中的交流分量来保证流通电流和输入电压的稳定性。
另一方面，气候温度和空气湿度以及线路老化等原因都对半导体激光器的激光输出功率有着显著的负面影响。半导体激光器的驱动电源必须要有一套自动控制电路温度，同时增益输出功率的设计方案，使半导体激光器能够在恒温的状态下进行正常的工作。
3 半导体激光器驱动电源的设计
3.1 总体设计方案和分析
本文选取了型号为MD-500-7的这种数字式大功率半导体激光器驱动电源为例。该激光器的额定功率是500 W，能承受的最高电压不能大于50 V，可以流通的电流为0～60 A。驱动电源的整体设计图，如图1所示，图中明确指出了驱动电源内部对实现技术指标的影响相对较大的重要单元。对这些关键性的组成单元，必须要在设计方案上进行深入的理性分析和客观的对比筛选。
在驱动电源的整个设计系统中，各个组成部分的设计是以总体设计方案为中心，围绕着总体设计图来展开的。传统的半导体激光器驱动电源，采用的都是分析电源主回路和平均分摊电力的单一型设计方案。即便半导体激光器是电子转光子的一个高效率转换机器，也和其它的电力产品一样，不可避免地会因为常规操作和使用次数的增加而出现机理损耗和功能弱化的现象，从而影响激光管工作时光线波长和输出功率的稳定性能。只有对其内部驱动电源的温度进行严格的调控，才能保证半导体激光器在恒温的状态下更为持久可靠地进行工作。为了达到更好的设计理想和使用效果，温控单元激光二极管的温度控制也需要必要的分析和研究。
3.2 恒流源驱动器的设计
恒流源电路可以使半导体激光器最大输出40 A稳流源的驱动电源在连续工作的模式下保证电压以2～10 V的低水平性输出。如图2所示，设定输出电流最高可达40 A，输出电压稳定在2～10 V之间，使用大功率场效应管作为设计中的调整控制管，利用场效应管的开关来控制连接在漏极D上的负载电流ID并使其保持不变，通过控制场效应管的旁吹缪UGS来达到均衡电流的最终目的。
在恒流驱动器正常工作的时候，图2中MOSFET管Q1的控制电压Vgs是一种正向的驱动电压，为MOSFET管提供导通饱和的功能服务。IR是一种通过LD的电流，会遵照相关的指数规律呈增长趋势。Imax指的是在MOSFET管一直导通的情况下Vdd对L充电所能达到的最大指数。
半导体激光器使用寿命的长短和工作效率的高低直接取决于驱动电源的稳定程度。驱动电源的稳定性能较高，半导体激光器的使用寿命就会相应地延长，发射激光的工作效率也能够保持在一个较高的水平上。因此，对半导体激光器驱动电源的保护是必要而重要的。驱动电源的保护可以由软启动、浪涌消除电路、过流过压检测电路和恒流源各部分软件的设计来具体实现。
3.3 制冷器和驱动电路的设计
半导体激光器驱动电源的温度控制是建立在闭环负反馈理论和电力恒温流原理上的一种控温技术。由P型和N型的半导体制冷元件构成的热点对偶是最常见的温度传感器之一，也是半导体激光器驱动电源制冷系统的基本元件。把P型和N型的半导体制冷元件连接在一起，让直流电通过P-N组件，P和N接头的两个地方就会产生一定程度上的温度差别。温度较低的电流方向是从N到P，接口处的温度会逐渐下降并吸收热量;温度较高的电流方向是从P到N，接口处的温度会慢慢上升并释放热量。这种冷热衔接、对接协调的N-P组件就是一个完整的热电偶对。将多个热电偶对成串地设置在电路上，和热交换器的传热元件组合形成普遍应用于驱动电源内部的热电制冷组合控件，专门负责进行热传导和热疏散，保持驱动电源工作环境的恒定低温。
演算制冷量的具体公式是：
Qc=αITc-■I2R-KΔT
其中，Qc为制冷量;
α为Seeback系数;
R为元件内阻;
K为元件导热系数;
I为电流;
ΔT为冷热端温差。
温度传感器是温度控制系统中最重要也最核心的硬件组成部分。温度测量的敏感元件不仅有热电偶对和热敏电阻等传统的温度传感器，又有光学温度传感器和集成温度传感器等先进的现代化温度传感器。一般的半导体激光器驱动电源往往采用的都是一种型号为DS18B20的数字温度传感器。
4 结 语
由于半导体激光器对内部的驱动电源提出了稳定电流和控制温度这两个基本性的技术要求，所以在设计半导体激光器的驱动电源的时候，要充分考虑驱动器、电路主回路和温控系统等部分的工作原理来设计电源方案。同时还要注意设计一些如软启动、过压检测电路和消除浪涌电路等用来保护电路的硬件和软件。
参考文献：
[1] 丛梦龙，李黎，崔艳松，等.控制半导体激光器的高稳定度数字化驱动 电源的设计[J].光学精密工程，2010，（7）.
驱动电源设计范文第3篇
【关键词】LED驱动电源；功率因数校正；半桥LLC谐振变换器；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）具有发光效率高、功耗小、寿命长、光污染小、光线质量高等优点，已在各个领域得到广泛应用。近些年随着大功率的LED发光技术的升级，大功率的白光LED越来越多的被应用于通用照明领域。可以说，作为新一代光源，LED的应用已经成为照明的发展方向。目前LED应用的热点之一是LED的道路照明。
LED路灯的电源控制和驱动系统是保证其功能和高效的重要基础。文章结合大功率LED驱动电源的发展现状，提出了一款基于PLC810PG的半桥LLC谐振式的LED路灯开关电源的设计方案，把输入分压与半桥两个开关各自形成一路Boost电路，实现了功率因数校正作用，后级采用LLC谐振负载网络，实现了软开关，提高了工作效率。
1.系统结构
由于LED路灯功率较高，LED路灯电源不宜再沿用单开关反激式电路，而必须采用支持相应功率的电路拓扑，例如半桥LLC谐振拓扑结构。如图1所示，Q1和Q2是半桥开关管（MOSFET），半桥谐振网络中选用的是LLC结构，Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈Lm组成LLC谐振网络。Lb1、Q1、Dds2、Cb组成一路boost电路，Lb2、Q2、Dds1、Cb组成另一路boost电路，两个boost电路工作在断续模式下，作为天然的功率因数校正器。其中Lr为变压器的漏感，Lm为变压器的励磁电感。
2.输入EMI滤波电路和桥式整流电路
从频率的角度看，EMI滤波器属于低通滤波器。它能毫无衰减地把直流电和工频交流电传输到开关电源，不但可以大大地衰减从电网引入的外部电磁干扰，还可以避免开关电源设备本身向外部发出噪声干扰，以免影响其他电子设备的正常工作。本设计中采用的EMI滤波器基本结构如图2所示。
市电交流220V输入后，经由电容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模电感器L1、L2组成的输入EMI滤波器滤波，R1～R3在交流电源切断时为电容放电提供通路。热敏电阻RT1用来在电源系统启动时限制浪涌电流。当电路正常工作后，继电器RL1将RT1旁路，RT1中几乎无电流流过，不再有功率损耗，从而使电源效率提高1%～1.5%。BR1为桥式整流器，C7是滤波电容。
3.半桥LLC谐振电路
半桥双电感加单电容（LLC）谐振转换器能提供较大的输出功率，保证半桥MOSFET的零电压开关（ZVS），具有较高的效率，基本结构如图1所示。在图1中，Q1和Q2是半桥开关（MOSFET），Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈LM组成LLC谐振变换器。
本文设计的LED路灯照明用驱动电源（图3）中，Q1，Q2为半桥功率开关管（MOSFET）。C39为谐振电容，变压器T1的初级绕组与其构成LLC谐振回路（通常将图1中的Lr结合进变压器初级之中，对于图3所示的电路拓扑，仍称作LLC谐振结构，而不称其为LC谐振拓扑）。T1的次级输出经全波整流二极管、C37、C38整流滤波后产生52V直流电压输出，作为LED路灯模块的电源驱动。
3.1 电路主要元器件参数设计
系统的额定输出功率100W，输出电压为52V，两个boost电感的值可由表达式（1）计算得到：
由于输出功率P0=ηPin，效率值为90%，一般母线电压为1.2倍峰值输入，由此可求出系统的两个boost电感值。我们在当系统工作在fr的频率下来进行分析，此时LLC电路的电压增益为1，即可求出变压器的匝比为
图（3）中C39不仅起电容隔直的作用，也为负半周的谐振提供能量。且C39两端最大电压满足
其中fmax表示最大的开关频率，由表达式（3）可求出C39的值。由于系统工作频率，我们将fr取100kHz，则可求出系统中的Lr的值。
而由表达式（4）也可求出系统的励磁电感取值。
最终取值为：
Lb1=Lb2=400μH，Lr=112μH，Lm=600μH，C39=22nF，
T1匝比为n=4。
3.2 LLC的变压器T1的设计
变压器T1使用ETD39磁心和18引脚骨架。先绕次级绕组，次级绕组使用175股40AWG（Φ为0.08mm）李兹线（即绞合线），从引脚10到引脚12，再从引脚11到引脚13各绕9匝，并覆盖2层聚酯膜。初级绕组使用75股40AWG（Φ为0.08mm）绞合线，从7引脚开始到9引脚结束，绕36匝，再绕2层聚酯膜。其电感量是820μH（±10%），漏感是100μH(±10%)。将分成两部分的磁心插入骨架中对接在一起，在磁心外面用10mm宽的铜皮绕一层，用焊锡将接缝焊牢，再在铜皮与引脚2之间焊接一段Φ为0.5mm的铜线。在铜皮外部用聚酯膜覆盖起来。
3.3 基于PLC810PG的LLC控制电路
PLC810PG的CCM PFC控制器只有4个引脚（除接地端外），是目前引脚最少的CCM PFC控制器。这种PFC控制器主要是由运算跨导放大器（OTA）、分立电压可编程放大器（DVGA）和低通滤波器（LPF）、PWM电路、PFC MOSFET驱动器（在引脚GATEP上输出）及保护电路组成的。PFC控制器有两个输入引脚，即引脚ISP（3）和FBP（23）。FBP引脚是PFC升压变换器输出DC升压电压的反馈端，连接OTA的同相输入端。OTA输出可视为是PFC控制器等效乘法器的一个输入。OTA在引脚VCOMP（1）上的输出，连接频率补偿元件。反馈环路的作用是执行PFC输出DC电压调节和过电压及电压过低保护。IC引脚FBP的内部参考电压VFBPREF=2.2V。如果引脚FBP上的电压VFBP＞VOVN=1.05×2.2V=2.31V，IC则提供过电压（OV）保护，在引脚GATEP上的输出阻断。如果电压不足使VFBP＜VIN(L)=0.23×2.2V=0.506V，PFC电路则被禁止。如果VFBP＜VSD(L)=0.64×2.2V=1.408V，LLC级将关闭。PLC810PG的ISP引脚是PFC电流传感输入，用作PFC算法控制并提供过电流（OC）保护。PFC在ISP引脚上的过电流保护（OCP）解扣电平是-480mV。
设计的电路中52V的输出由R67、R66采样，经稳压器U3，光电耦合器U2及R54、D16、R53等反馈到U1的FBL引脚，来执行输出电压调节和过电压保护。流入引脚FBL的电流越大，LLC级开关频率也就越高。最高开关频率由U1引脚FMAX与VREF之间的电阻R52设定。R49、R51、R53设置下限频率。C27是LLC级软启动电容，软启动时间由C27和R49，R51共同设定。
R59是T1初级电流感测电阻。R59上的电流感测信号经R47、C35滤波输入到U1的ISL引脚，以提供过电流保护。
偏置电压VCC经R37、R38分别加至U1的VCC和VCCL引脚，将U1模拟电源和数字电源分开。R55和铁氧体磁珠L7，在PFC与LLC地之间提供隔离。U1内半桥高端驱动器由自举二极管D8、电容C23和电阻R42供电。Q10和Q11散热器经C78连接到初级地（B-）。
4.PFC功率因数校正电路
L4、PFC开关（MOSFET）Q3、升压二极管D2和输出电容C9等组成PFC升压变换器主电路。在140～265VAC输入电压范围内，输出电压稳定在385VDC（B+与B-之间），并在BR1输入端产生正弦AC电流，使系统呈现纯电阻性负载，线路功率因数（PF）几乎等于1。晶体管Q4、Q5等组成Q3的缓冲级。R6和R8是PFC级电流传感电阻，二极管D3、D4在浪涌期间箝位R6和R8上的电压（即两个二极管上的正向压降）。
4.1 PFC升压电感器的设计
PFC升压电感器L4使用PQ32/20磁心和12引脚骨架，L4主绕组使用#20AWG（美国线规，约＜0.8mm）绝缘磁导线，从引脚1开始到引脚6终止，绕35匝，电感量是580μH(±10%)。在主绕组外面绕一层作绝缘用的聚酯膜。偏置绕组使用#28AWG(＜0.3mm)绝缘导线从引脚8开始绕2匝，到引脚7结束。在该绕组线圈外面绕3层聚酯膜。在磁心上包裹一层铜箔，并用＜0.5mm铜线将铜箔与9引脚焊接起来，作为屏蔽层。在铜箔外面再绕3层聚酯膜。
4.2 基于PLC810PG的PFC控制电路的设计
U1引脚GATEP上的PWM信号驱动PFC开关Q3。R6和R8上的电流传感信号经R45，C73滤波输入到U1引脚ISP，来执行PFC算法控制，并提供过电流保护。PFC输出电压VB+经R39～41、R43、R46和R50取样，并经C25滤除噪声，输入到U1引脚FBP，来执行PFC输出电压调节和过电压以及电压过低保护。U1引脚VCOMP外部R48，C26，C28为频率补偿元件。当引脚VCOMP上的信号较大时，Q20导通，将C26旁路，可使PFC控制环路能够快速响应。
5.实验研究
在本文以上分析设计的基础上，试制了一台100W/100kHz（2A/52V）大功率LED驱动电源的样机。实验电路参数如下：单相输入电压Uin=220V（50Hz），输出功率Po=100W，工作频率fr=100kHz，负载为欧司朗公司1W高亮LED，共分4路，每路25只LED。
图4所示为中点电压Vds2与副边二极管Dr2的电流波形，由图可知如图4（a），很明显在二极管关断前其电流已经到零，则二极管工作在ZCS状态，此时工作频率为90kHz；图4（b）为在二极管关断时，二极管电流恰好为零，此时系统工作在fr的工作频率上，fr为100kHz；图4（c）为在二极管关断前，二极管电流并不为零，此时副边的二极管失去了其ZCS特性，系统工作频率为125kHz。
图5所示为半桥开关管Q1的电压、电流波形，由图可知开关管工作在ZVS状态。
图6为100W样机测试波形，当其由45%～100%负载变化时，其PF大于0.96；THD在10%以内，满足IEEE519以及IEC61000－3－2标准；效率在87.2%～91.1%间变化，当系统满载时，其效率高达91.1%，母线电压由490V变为375V，满载时，母线电压为375V，纹波电压为5V，纹波频率为100Hz，由于输入为交流220V，则其交流输入电压峰值为311V，母线电压只略高于输入，不会达到二倍峰值输入，系统输出电压为52V，满载时纹波为1V。
结束语
本文结合当前大功率LED驱动电源的发展现状，提出一种适用于LED路灯的驱动电源。由于LLC的应用使系统能够工作在软开关状态下，提高了系统的工作效率。经测试，系统在满载时功率因数达0.992，THD为6.5%，效率高达91.1%。最后试制了样机，验证了设计方案的可行性和正确性。
参考文献
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[6]孙明坤,周雒维等.串联谐振恒流LED驱动电源的分析及设计[J].电力电子技术,2010(8):93-94.
驱动电源设计范文第4篇
关键词:背光源;发光二极管;动态;降低功耗;驱动电路
中图分类号:TN141.9 文献标识码: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
液晶显示(liquid crystal display,LCD)已在众多领域迅速取代了传统阴极射线管(cathode ray tube, CRT) 显示技术[1],使LCD显示器成为了家电市场的主导产品。由于液晶本身不发光,需要通过背光照明,因此目前大多数产品采用阴极射线荧光灯(CCFL)作为背光源。但因CCFL的亮度不容易控制,而液晶电视是采用调节LCD的控制电压,改变液晶的透过率来实现对LCD总体亮度的控制,这种方式在很多情况下造成了背光模组的光能和电能的浪费。另一方面,随着世界各国对环保的重视以及RoHS法规的实施,近年来LCD厂商正积极地寻求冷阴极荧光灯的替代方案。
过去数年,LED已得到广泛应用,其中成长最快的应用领域是LCD的背光应用。且数年间LED已在小尺寸显示屏的背光应用领域得到普及,已取代了CCFL,而在中大尺寸的应用中,LED取代CCFL也正成为趋势[2]。LED背光已开始迈入需要更高性能和更长工作时间的中大尺寸显示屏背光的应用中。采用以色彩还原好、省电、寿命长为优点的LED背光源,是高端液晶电视的趋势。文中所做项目攻克了背光源模块过厚、传统LCD背光散热量大、工作时间过长和高温下亮度和色彩易漂移的技术难题,使其色域范围超过 110% NTSC[3]。
1 点阵式LED动态背光源
LED(light emitting diode)即发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件,它可以直接把电转化为光。同时LED是一种电流型器件,即它的工作状态是以通过它的电流为标准的,其工作电流在20mA左右,管压降在1.8～4V。一般在20mA工作电流时,LED能发挥最大的光电效率,超过这一电流值,虽然其亮度还能增加,但二极管的功耗和发热激增,寿命会大大缩短。为了将LED的工作电流控制在20mA,过去大都采用串联电阻的方法――限流电阻法,而现在一般采用集成电路恒流源。
点阵式LED背光,就是LED均匀地分布在整个背光面上,各个LED所照射出的光均匀地投射在整个背光膜上。点阵式LED如图1所示。我们知道,单独控制液晶的每一个像素点的点亮是难以实现的,但是可以通过尽量细分对液晶的照明区域,使单个LED 只负责为液晶的部分区域提供背光照明,这样就可以最大程度地提高LCD的显示质量。
采用亮度动态控制的方式可以很方便地通过调节LCD背光源电源电压或输入电流的大小,从而改变LCD的发光强度,可使电视在LCD较低能耗条件下工作。亮度动态控制就是通过对显示的画面进行分析,得到不同区域的最佳亮度的同时控制LCD背光达到相应的亮度。采用动态背光源能有效地改善目前LCD所存在的两大问题:动态模糊(motion blur)和对比度低。
整体背光的亮度随着影像内容个别进行亮度调变,动态背光模块驱动模式所展现的并不是恒定亮度均匀光源,而是提供一个类似影像内容调变的动态的背光源,此模式可有效解决暗室漏光问题,大幅提升影像动态对比度[4]。由于主动式动态背光模块驱动模式所展现的并不是恒定亮度均匀光源,而是提供一个类似影像内的主动式动态背光源,因此功耗大小随不同影像内容有所差异。因此动态LED背光模块的平均功耗将会比传统 CCFL 背光模块低,达到省电节能的功效,同时也可有效降低 LED 热源的产生,解决一般 LED 背光源模块所面临的问题。因此,可使LED将不再需要额外的风扇及特殊散热结构,即可有效降低整体材料及制造加工成本,同时由于 LED 低功耗将可进一步提高LED产品寿命与可靠度。同时借由动态驱动电路设计,可进一步提升影像的画面质量,消除普通液晶显示在显示快速移动物体时出现的拖影现象。
2 驱动电路设计
LED动态背光原理框图如图2所示。视频源信号是由计算机DVI显卡接口输出的分辨率为1024×768、刷新率为60Hz的视频信号。视频接收单元的解码芯片采用Silicon Image公司的SiI161芯片,其解码输出24bits的RGB像素数据。控制模块的作用是由FPGA接收、缓存及处理数据,并驱动VGA转换电路和LED背光源驱动电路。数据缓存采用数据乒乓存储机制,将RGB三色数据存储在数据缓存单元中的两部分SRAM中。FPGA将处理后的数据送到VGA转换电路模块,驱动LCD显示屏。同时,FPGA通过对灰度数据的采样与计算,传递给LED背光源驱动电路所需要的数据和控制信号。LED背光源的驱动电路主要包括集成灰度调制电路和行后级放大单元电路。
2.1 集成灰度调制电路
LED灰度级显示的方法目前有很多,包括幅值法、空间法、时分法,其中较为常见的是PWM法(脉宽调制法),也叫占空比法。这种方法是在扫描脉冲对应时间内,从数据脉宽中划出的一个灰度调制脉冲[5]。数据脉冲的宽度可以划分为多个等级,不同的宽度等级代表不同的灰度信息,从而可以使被选通的像素实现不同的灰度等级。PWM方式根据数据大小的不同,在一个周期内输出灰度调制脉冲的占空比将产生相应的变化。以8位数据为例,如图3所示,输出的脉宽信号与数值大小成比例关系。当数据最大时(脉冲1,11111111),脉冲高电平占满整个周期,达到全占空比;当数据为最大数据的一半时(脉冲2,10000000),则脉冲高电平占整个周期的一半,以次类推,当数据为0时,则整个周期内脉冲为低电平。这种灰度调制方法可以很容易地通过数字电路控制将灰度数据信息携带在列信号脉冲上,是平板显示器中常用的灰度实现方案,尤其是电流型器件,如LED、OLED、FED的驱动电路中均有采用[6]。
本系统集成灰度调制采用PWM灰度调制芯片BHL2000。BHL2000专用集成电路芯片是由北京北方华虹微系统有限公司开发的具有自主知识产权的超大规模集成电路,广泛应用在LED大屏幕和其它类型的显示屏系统上。它采用双端口SRAM技术,解决了其它芯片数据传输会占用可贵的显示时间的突出问题,保证了图像的亮度和灰度[7]。BHL2000采用PWM调制方式,主要由译码器、比较器、SRAM、计数器等部分构成,其内部结构框图如图4所示。
BHL2000芯片内部采用双端口SRAM技术,数据的写入和读出操作分别由不同的时钟和地址控制,因此数据的写入和读出互不影响。在写入时钟WR驱动下,数据从DIN0~DIN7输入,在内部移位寄存器中串行移位16次后,由级联口SHIFT0~ SHIFT7移出。行、场控制信号HS、YS则确定数据在存储器中的存储位置,最多可以存8×16×32个字节。输出行、场控制信号HCLK、CLR确定取数位置,在读出时钟CLK控制下进行灰度调制,输出脉宽信号O0~O15。BHL2000的16路漏级输出接上拉电阻可产生最大80mA的驱动电流[8],同时串有8路级联信号到下一个芯片。本系统中为了点亮一个48×32的LED点阵,需要三片BHL2000级联。
2.2 行后级驱动单元
行后级驱动单元实现的是行扫描功能。利用FPGA送给行后级驱动单元的32路行信号可实现对LED背光的逐行扫描和隔行扫描。
本系统采用48×32点阵LED作为背光源,因此每显示一行需要的电流是比较大的,假如每颗高亮度LED灯的额定电流是25mA,则驱动一行所需要的电流是25×48=1.2A,一般的驱动放大芯片无法满足要求。因此,需要采用有较大驱动能力的MOS管,在本系统中使用的是STM4953。STM4953是双P沟道增强型场效应管,输出电流可达4.5A,完全可以满足系统的要求。
其内部有两个CMOS管,1、3脚为VCC,2、4脚为控制脚,2脚控制7、8脚的输出,4脚控制5、6脚的输出,只有当2、4脚为“0”时,7、8、5、6脚才会输出,否则输出为高阻状态。
3 系统仿真
本系统采用FPGA对整个系统控制。FPGA控制模块是整个系统的时序产生控制电路部分,它通过产生相应的控制信号,分别对数据缓存及处理单元、集成灰度调制驱动单元、行后级集成驱动单元进行控制。FPGA控制电路产生SRAM的控制信号和相应的地址信号来实现对数据缓存单元的控制,同时 FPGA控制电路对集成灰度调制驱动单元的控制,是通过产生BHL2000的灰度调制控制信号来实现。而 FPGA控制电路对行后级集成驱动单元的控制,是通过产生1/32的行脉冲信号并送到STM4953来实现。图5是 FPGA产生的控制信号的总体流程图。
根据系统输入、输出信号的要求,本设计采用Cyclone公司的EP1C6 为目标芯片,以quartus为开发工具,Verilog语言为开发语言,进行FPGA设计。本设计对集成灰度调制和行后级采用模块化设计,如图6所示。BHL2000模块的功能是送给BHL2000芯片所需的控制信号wr、hs、vs、hclk、clk、clr及8位串行灰度信号。row模块的功能是向行选驱动模块提供32位并行的行信号 row[31..0]。
4 实验结果
为了验证点阵式动态背光源的效果,本设计采用Matlab进行模拟图像所需的背光源,试验中选用了2幅1024×768像素的8bit灰度图像。如图7所示为仿真试验结果图。测试图像自左至右依次为测试图1、测试图2;图(a)为原始图像;图(b)为LED背光仿真图;图(c)为基于LED影像背光的试验结果图。
由试验结果可以看到,当原始图像的像素灰度数值越小时(如测试图2与测试图1比较时),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;仿真结果图像(c)与原始测试图像(a)相比,整体亮度会有所降低,不影响图像的显示质量,但基于动态背光源所显示的图像比恒定的背光源能更有效地降低功耗,另外图像的对比度也有一定的提高。
5 结 论
本文提出了一种基于点阵式LED的动态背光源结构,将单个LED发出的光投射区域限制在散光膜的单一区域,即每个LED只负责液晶部分区域的背光照明。并设计了动态背光源的驱动电路,通过对显示的画面进行分析,采用亮度动态控制的方式可以得到不同区域的最佳亮度,同时驱动LED背光达到相应的亮度。本文利用Matlab软件仿真LED背光源,结果表明采用动态背光源能有效地降低功耗,提高图像对比度。
参考文献
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[6] Kasahara M, Ishikawa M, Morita T, et al. New Drive System for PDP with Improve Image Quality: Plasma AI.SID′99.
[7] 林志贤,张 莉,郭太良. 平板显示器驱动电路的原理和应用[J]. 龙岩师专学报,2001,(3):20-22.
驱动电源设计范文第5篇
关键词：LED背光源；Boost拓扑；MCU控制；保护电路；恒流电路；2D＼3D调光电路。
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
引 言
LED作为液晶电视的背光源在中大尺寸3D电视上的应用越来越广泛，图像在液晶面板上的显示是有顺序的，在3D显示中背光与液晶图像的同步会呈现出更好的显示效果。
本文基于Boost及MCU控制，设计一种具有扫描3D功能的侧导光LED背光源驱动电路，实现了一路Boost为LED提供驱动电压和MCU控制多路LED通断的架构，不但降低了系统成本， 而且不依赖专业芯片，不同路数的LED可以用同一个拓扑驱动，通用性强。
1 系统的构成
扫描式3D电视背光源驱动电路系统的结构如图1所示。电源板提供一个直流电源进入Boost电路做LED的驱动；MCU为整个系统的控制中心，负责信号的处理；反馈保护采样电路采样LED的低压端电压并将信号反馈给MCU；恒流及调光模块接收MCU的控制信号直接作用于LED的低压端。图1中LED的串数及每串的颗数都可调整，只要调整Boost电路的参数及选择相应IO口数目的MCU即可。下面介绍一下系统各模块工作原理及系统实现过程。
1.1 Boost电路的设计
Boost电路详图如图2所示。Boost做LED灯条恒流时的电压自适应，用简单的Boost芯片搭建即可。其中对输出做一个精度不高的反馈，后续LED灯条正端的电压细调通过MCU检测灯条负端来做反馈，电压的调整则通过Boost芯片Driver的调节占空比来实现的。本Boost芯片的CS脚具有过流保护功能。
1.2 MCU控制器
本设计针对8路LED控制，MCU选择28引脚闪存单片机：单片机时钟频率16MHz、A/D口11个、I/O口25个、定时器2个。整个系统的控制流程如图3所示：MCU实时抓取前段3D控制控制信号，当3D控制信号为高时，进入3D状态，通过检测场同步的上升沿和下降沿来触发背光第一串灯条的打开，灯条的打开时间及灯条之间打开的时间间隔用两个定时器作为中断触发条件，这样就可以用扫描的方式分时打开背光，完成背光与图像的同步；当主板的3D信号为低时，进入2D模式，根据PWM信号对背光进行同步调节。在2D或3D模式下MCU对灯条低压端进行实时监测，如果触发保护，则电路被关闭。
1.3 恒流及2D/3D调光电路
LED恒流电路如图5所示。检测电阻R7上的电压，获取2D与3D两种状态下的电流采样参考电平：R3上的电压较高时为3D状态，较低时为2D状态。运放的输入端具有虚短的特点，R2上的电平随即被设定，即R2所允许流过的电流被限定，从而LED的电流设定。当LED电流增大时，R2上的电压变大，反相输入端的电平高于同相输入端的电平，运放输出低电平，三极管V1的基极电平降低，V1的CE电流减小，从而减小了LED的电流。当LED电流减小时，R2上的电压变小，反相输入端的电平低于同相输入端的电平，运放输出高电平，三极管V1的基极电平升高，CE电流增大，从而增大LED的电流。如此循环，在动态过程中实现LED电流的恒定。在此过程中无需芯片的控制，电路自动反馈调整电流，实现电流恒定。
2D/3D调光电路如图4、5所示，VREF为MCU 供电电压VDD。在2D时，2D/3D IN信号为低电平，MCU芯片做出判断产生高阻态或低电平两种状态。当PWMIN为高时，MCU的PWM1 3D脚输出高阻态，此时VREF经过串联电阻R4、R6、R7到地，在R7上产生分压压降，LED恒流模块中的运放同相输入端获取R7上的电压作为LED恒流的参考电平，LED恒流模块打开LED；当PWMIN为低时，PWM1 3D脚输出低电平相当于接地，此时VREF经过串联电阻R4与MCU PWM1 3D脚内的N MOS管到地，此时电阻R7上无压降，LED恒流模块中的运放同相输入端在R7上获取不到电压，LED恒流模块关闭LED，从而实现2D下的调光控制。
在3D时，2D-3D IN信号为高电平，MCU做出判断采用高电平与低电平两种状态输出。依据外部PWMIN信号的状态，当PWMIN为高时，MCU的PWM1 3D脚输出VDD高电平，此时电阻R4串接在两个VDD电平之间，不产生电流，无压降，则VDD经过串联电阻R6、R7到地，由于没有电阻R4的分压，将在R7上产生一个较高的压降，LED恒流模块中的运放同相输入端获取R7上较高的电压作为LED恒流的3D参考电平，LED恒流模块打开LED；当PWMIN为低时，PWM1 3D脚输出低电平相当于接地，此时VREF经过串联电阻R4与MCU的PWM1 3D脚内的N MOS管到地，此时电阻R7上无压降，LED自恒流模块中的运放同相输入端在R3上获取不到电压，恒流模块关闭LED，从而完成3D下的调光控制。
1.4 反馈保护的实现
灯条保护电路是通过检测图5电路R10与R11之间的压差来实现的。当灯条正端或负端对地短路或开路时，此处的分压值为零，MCU通过IO口检测出此处的电压不正常，给出一个错误信号把电源关掉；当灯条正负短路在一起时，此处的电压过高，MCU同样能检测出错误信号关掉电源。MCU用作反馈电路也是对R10、R11间的电压进行检测，然后对各路检测结果进行比较得出最小的一路，让这个最小的与设定值进行比较，如果小于设定值则说明Boost电路输出的电路电压过低，那么就调低图4中MCU FBOUT脚的占空比（MCU是个数字脚），这样通过图4 C1的缓冲作用得出一个电压比较小的值，从而Boost提高输出电压；如果检测到的最小值大于自己设定的值，那么调高MCU占空比，实现实时反馈。
2 实验结果
实验样机2D模式下的工作参数：LED电流130mA，调光频率200Hz，占空比85%，由图6可见，电流恒流特征良好。
3D显示模式下背光电流波形如图7所示，实现了电流倍增（390mA）。小占空比大电流的情况下，能实现亮度基本不变的条件下在60Hz场同步下实现SG 3D的扫描。
3 结 论
本文设计了一种新型SG 3D侧导光LED背光源驱动电路，实现了2D显示模式下PWM调光及3D显示模式下扫描方式调光。该系统采用Boost和MCU调光相结合的方式，由于MCU直接对LED进行调光，省掉了专用调光芯片，且由于MCU具有可编程的特点，可以用来作保护电路及反馈电路，简化了原来的电路，后续维护上只需对程序升级就可实现，不需要重新布PCB。该设计对PIC微控制器在液晶电视LED背光驱动上的应用具有指导性意义。
本文设计了一种新型SG 3D侧导光LED背光源驱动电路，实现了2D显示模式下PWM调光及3D显示模式下扫描方式调光。该系统采用Boost和MCU调光相结合的方式，由于MCU直接对LED进行调光，省掉了专用调光芯片，且由于MCU具有可编程的特点，可以用来作保护电路及反馈电路，简化了原来的电路，后续维护上只需对程序升级就可实现，不需要重新布PCB。该设计对PIC微控制器在液晶电视LED背光驱动上的应用具有指导性意义。
参考文献
[1] Abraham I. Pressman 著，王志强等 译. 开关电源设计Switching Power Supply Design[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[2] Jasio Di 著，姜宁康，朱安定 译. PIC微控制器技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2009.
[3] 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2001.
