閃光燈電源的研究與實施

吳年祥

（1.安徽國防科技職業學院機電工程系，安徽六安 237001；2.中國地質大學自動化學院，武漢 430074）

隨著電子信息產業的快速發展，家用電子產品的不斷升級，相對以前手機充電器等直流穩壓電源供電，現在全部升級成開關電源，體積小很多，方便攜帶。尤其在家用的燈具上面發展更是迅速〔1〕，現在很多家庭新房裝修所采用的燈炮全部是高亮LED，而給高亮LED供電現在普遍采用工頻交流變直流的開關電源形式，但在還沒有通上工頻用電的偏遠山區就無法施展起來。因此研究出一個可以方便攜帶且將低直流的電池能源轉換成恒流源驅動的高亮LED電源迫在眉睫。作為非線性器件的LED，微小的正向電壓的變化會引起很大的正向電流變化，電流過強或過弱會引起超高亮LED光衰減與發光強度增加，所以LED需要恒流驅動〔2〕。通過輸出端采樣端電阻反饋到輸入端，調節PWM調整輸出電壓，其效率高，功率大。

1 總體方案設計

系統由微控制器、升壓降壓電路、場效應管輸出開關控制電路、電流采樣電路、電流信號的放大電路、恒流源控制電路，過載報警電路等組成，見圖1。

圖1 LED閃光燈電源總體框圖

首先利用TC6291集成組成的電流型斬波電路將3V直流輸入電壓升高至LM358組成的輸出限壓控制電路輸出穩定的恒壓源給單片機供電〔3〕，同時通過場效應管輸出開關控制電路穩定輸出電流。采用采樣電路電阻反饋輸出電流，經過LM358構成的同相比例電流信號的放大、單片機輸出脈沖寬度調制信號控制恒流源電路有效的恒定輸出電流。

2 電路方案設計與實現

2.1 系統控制器的選擇 考慮到閃光燈電源的體積方便攜帶、輕巧、精度以及3V直流輸入情況下，就選擇了實驗室現有的SC91F721系列的SOP單片機，相比于51系列單片機，它具有成本便宜，單時鐘、機器周期（1T）、集成8路高速10位A/D轉換（300 K/S）、2路Duty的PWM，速度快傳統518到12倍，且內部集成MAX810專用復位電路、高速率、低功耗、小體積、高精確、超強抗干擾的特點，更適合在強干擾的場合〔4〕。

2.2 電源電流控制的選擇 利用線性電源大功率三極管和運算放大器對電流進行控制，這種方法產生的電壓比較準確，紋波小，易控制，精度高，但是產生恒流效率低，達不到80%，不太適合于非線性器件所以選擇了CMOS管制作DC/DC電路，用PWM控制開關管使其開關管工作在開關狀態，效率很高，電壓紋波大對濾波電路要求高。

2.3 升壓電路設計 升降壓電路以升壓芯片TC6291為核心的SEPIC電路，即是一種允許輸出電壓大于等于輸入電壓的DC-DC變換器。輸出電壓由主控開關MOS管的占空比控制且與輸入同極性，有利于電池供電低電壓的LED閃光燈電源場合。另一個優點通過主回路的電容、電感使輸入輸出的隔離，當開關管截止時輸出電壓為零伏關斷輸出〔5〕，見圖2。

圖2 升壓電路

當中采用的TC6291是一款電流模式升壓型DC-DC轉換器，其脈寬調制電路中內置0.2 Ω功率場效應管使這個調節器具有高功率效率，補償網絡也減少了多達6個的外部元件，誤差信號放大器的同相輸入端連接到0.6 V精密基準電壓，內部軟啟動功能可以減小瞬間突增電流〔6〕，L1、L2、C15用于升壓降壓。

2.4 限壓電路的設計 輸出限壓控制電路的設計見圖3所示。升壓芯片TC6291的常用升壓芯片內置有開關管，3腳FB是誤差信號反相輸出電壓反饋端，正常情況下直接連接輸出即可，4腳EN是使能輸入端，“H”電平升壓芯片工作，“L”電平時不工作。電路經過設計變為恒流源限壓方式，運放LM358組成電壓比較電路，負端輸入基準電壓，基準電壓通過RP1來調節，輸出電壓的采樣分壓值接入運放正端。

當正端電壓（輸出電壓的分壓值）超過負端電壓，U2運放輸出高電平至升壓芯片FB引腳，拉升壓芯片降低工作點空比，輸出電壓便下降了〔7〕。當輸出電壓偏低時，運放輸出低電平，FB引腳電壓便由恒流控制電路控制，進入恒流狀態。

圖3 輸出限壓控制電路

2.5 恒流源電路設計 見圖4所示，在恒流源電路設當中0.5 Ω的采樣電阻將電流信號轉換成電壓信號。當電流為100mA時，采樣電阻上的電壓為50mV，經過U2B第一級LM358放大后的電壓信號為200 mV，

即放大4倍［AU2B=（1+Rf/R1）＝4］，200 mV電壓信號送入U2A下一級電壓比較器的正端〔8〕，負端則由單片機輸出PWM控制信號，PWM經過R27，C7濾波后得到穩定的電壓與放大后的電流信號進行比較。

圖4 恒流源電路

當電流信號電壓值超過負端的設定電壓時，運放輸出低電平到升壓芯片FB端口，使升壓芯片輸出電壓降低，從而降低輸出電流。當輸出電流信號的采樣電壓值小于反相端設定閥值時，通過控制升壓芯片FB端口提高輸出電壓使電流達到設定值。

2.6 輸出穩壓設計 當單片機控制脈沖輸出時，由于輸出端有濾波電容存在，不可能做到馬上關斷輸出電流，這時就需要使用輸出開關進行控制。濾波措施存在從根本上也消除了諧波源注入系統的諧波電流，從而避免了諧振的可能〔9〕。輸出開關使用導通電阻極小、驅動電壓低的N型MOS管SI4800BDY〔10〕。當關斷輸出電流時，為防止升壓電路過電壓、輸出開關導通瞬間電流過大，通過單片機控制芯片EN引腳低電平，使升壓芯片停止工作。

2.7 軟件設計 主程序流程圖見圖5。

圖5 主程序流程圖

3 測試實驗結果

3.1 測試方法

（1）硬件電路的測試，采用局部電路調試與實驗的方法；完成升壓降壓電路、輸出限壓控制電路、單片機的電源線路、場效應管輸出開關控制電路、電流的采樣、電流信號的放大、恒流控制電路，過載報警電路的測量與調試。并且用蜂鳴器來實現報警功能，按鍵裝置用來控制檔位的變化。

（2）軟件程序的編寫與調試并下載到單片機中〔11〕；

（3）硬件軟件的聯調。

3.2 測試過程與結果

（1）將直流穩壓電源調到3.0 V，給設計的電路板通電，在沒有接負載或負載電阻過大時，蜂鳴器報警，測試輸出電壓U0為10.43 V。

（2）當負載電阻為41 Ω，100 W時，使用按鍵開關S1、S2、S3選擇100 mA（A1檔），150 mA（A2檔），200 mA（A3檔）的電流檔位。觀察其輸出電流表、輸出電壓表數值，并記錄其結果。結果顯示，在連續模式輸出時最高輸出電壓大于10 V，最低輸出電壓為0 V，相對誤差［（Io-Ii）/Ii］×100%小于2%，測量結果，見表1。

表1 相對誤差測試結果

（3）當輸入電壓為3.6V時，測得輸入電流640mA，輸出電流200 mA，輸出電壓10.58 V時，效率為η=（10.58×0.2）/（3.6×0.64）=91.8%。

（4）當負載電阻8 W，3 Ω進，使用按鍵開關選擇電流峰值300、450、600 mA，脈沖周期為10、30、100 ms的脈沖周期，使用示波器觀察并記錄其波形的占空比為1/3、相對誤差小于2%、上升時間為10.5 ns、下降時間為11 ns，電流過沖小于8%，見圖6。

（5）輸出脈沖個數可設定為1到5個和連續的脈沖串，每按一次啟動鍵輸出一次脈沖串。

4 總結

通過團隊4天3夜的努力，經過總體思路規劃、方案選擇、模塊設計、程序編寫等設計步驟順利的完成閃光燈電源的設計。經電路測試，能夠在連續輸出模式下輸出電流100、150、200 mA三檔的選擇，輸出電壓在0至10.45 V。當負載過大時，輸出電壓10.45 V時報警。在脈動輸出時，實現輸出占空比為1/3，輸出脈沖的個數在1到5個和連續的脈沖串，輸出電流峰值300、450、600 mA三檔時誤差小于2%，且上升和下降時間都在ns級。實驗結果表明，該方案性能指標均符合要求，誤差較小，能夠驅動高亮LED閃光燈。

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