LED閃光燈電源

摘 要：在使用電池供電的便攜設備中，很多時候是通過直流升壓電路獲得所需要的高電壓（例如照相機中的閃光燈）。本次設計要求是將電池的電能轉化為恒流輸出，設計核心部分為DC/DC穩流電壓變換器，DC/DC電壓變換完成不同直流電壓值的變換，電壓變換后通過恒流控制電路實現恒流輸出。本設計電路由DC/DC電壓變換模塊、控制模塊、模式選擇電路、恒流控制模塊、保護電路、報警電路等組成。

關鍵詞：直流升壓電路；DC/DC；恒流輸出

1 概述

設計并制作一個LED閃光燈電源。該電源的核心為直流-直流穩流變換器，它能將電池的電能轉換為恒流輸出，驅動高亮度白光LED，設計的電源同時具有升壓、恒流兩種功能。升壓部分通過DC/DC實現，升壓后的輸出電流易受干擾不穩定，需要設置穩流控制電路。整個電路具有兩種輸出模式，一種連續輸出模式，一種脈動輸出模式，電流大小可設定不同的控制檔位，負載電阻變大，當輸出電壓高于設定值時有過壓保護和報警功能。本設計的DC/DC恒流變換器能量轉換效率高，輸出電流200mA輸出電壓10V時輸出效率應高于80%。

2 方案設計

2.1 總體方案

本系統設計能夠將電池的輸入電壓進行升壓，升壓后通過進入模式選擇電路，由主控系統控制模式選擇，選擇模式后進入恒流控制電路，經過恒流的電流最后輸入到負載端，負載端接取樣電路；當負載變化造成電壓超出限定幅值時，取樣電路取樣后送控制保護電路同時發出警報。電路框圖如圖1所示。系統核心部分為DC/DC變換器，輸入電源一路經過DC/DC變換器升壓后進入模式選擇模塊，用戶通過按鍵控制主控電路切換不同輸出模式，選擇后電流通過恒流控制電路實現恒流輸出，最后輸出接入負載，輸入電源另一路經過變壓后作為輔助電源給整個設計電路供電。主控電路由主控芯片與數模轉換電路組成，實現通過軟件對硬件電路調控。

2.2 DC/DC電源變換器設計

DC/DC電源變換器框圖如圖2所示。當開關管導通時，能量從輸入電源流入，并儲存于電感L中，由于開關管導通期間正向飽和管壓降很小，故這時二極管VD反偏，負載由濾波電容C供給能量，將C中儲存的能量釋放給負載。當開關管截止時，電感L中電流不能突變，它所產生的感應電勢阻止電流減小，二極管VD導通，電感中儲存的能量以及輸入電壓通過二極管VD、給電容C充電，并供給負載。

在開關管導通的ton期間，能量儲存在電感L中，在開關管截止的toff期間，電感L釋放能量，補充在ton期間電容C上損失的能量。開關管截止時電感L上電壓跳變的幅值是與占空比有關的，ton愈長，L中峰值電流大，儲存的磁能愈大。[1]所以，如果在ton期間儲存的能量要在toff期間釋放出來，那么L上的電壓脈沖必定是比較高的。假定開關管沒有損耗，并聯變換器電路在輸入電壓Ui、輸入電流Ii下，能在較低的輸出電流I0下，輸出較高的電壓U0。

當開關管導通時，忽略管子的導通壓降，電感L上的電壓為輸入電壓Ui，并且電流線性上升，當開關管截止時，則L中的電流線性下降，而在穩態，ton期間L中電流的增量應等于toff期間電流的減量，則輸出電壓與輸入電壓的關系由下式決定：

2.3 恒流控制電路

恒流控制電路采用場效應管、集成運放OP07、電壓反相器組成。其中，場效應管的漏極D與DC/DC電壓輸出端相連，柵極G與集成運放輸出端相連[2]。利用電壓反相器使集成運放的四號引腳為負電壓，從而保證集成運放能夠輸出負電壓控制場效應管斷開。在場效應管源極S串接一個電壓采樣電阻將電壓反饋到集成運放負向輸入端，當輸出負載端電流減小時，場效應管源極電位減小，集成運放負向輸入端電壓減小，使集成運放輸入電壓增大，輸出電壓增大，場效應管柵極電壓增大，從而使負載端輸出電流增大，反之當負載輸出端電流增大時，通過電壓負反饋，又會使輸出電流減小，最終使負載輸出端恒流輸出。

2.4 報警電路與保護電路

當主控芯片檢測到負載兩端電壓超過限定幅值時，主控芯片會控制三極管導通，觸發蜂鳴器發出警報；與此同時，主控芯片會控制場效應管與繼電器同時斷開，這時DC/DC轉換器輸出不能傳到恒流控制電路，從而起到保護作用[3]。

3 程序流程圖

為了實現整個電路具有兩種輸出模式，一種連續輸出模式，一種脈動輸出模式，電流大小可設定不同的控制檔位，負載電阻變大，當輸出電壓高于設定值時有過壓保護和報警功能。[4]主控電路由主控芯片與數模轉換電路組成，通過編程實現通過軟件對硬件電路調控。程序流程圖如圖4所示。

4 測試結果

（1）電流測試：在電源輸出端串接萬用表（測電流）與滑動變阻器，將滑動變阻器調至50Ω，選擇100mA檔輸出時，記錄測量數值，調節滑動變阻器并觀察電流是否變化。同理測試150mA和200mA電流檔。（2）效率測試：在LED閃光燈電源輸入端接入電源臺并串接一個萬用表（測電流），在LED閃光燈電源輸出端串接滑動變阻器，將滑動變阻器調至50Ω。計算公式η=POUT/Pin×100%。（3）脈動輸出測試：在輸出端接入等效電阻，選擇脈動輸出模式，設定周期并確定輸出，將示波器接地端接在輸出負端，示波器探頭接輸出正極，觀察示波器正占空比、周期、上升時間、下降時間并記錄。（4）測試數據。分別如表1-表3所示。

（5）測試結果分析：通過對測量結果分析，規定輸入電壓和輸出電壓范圍內，誤差小于2%；輸入電流200mA，輸出電壓10V時，效率達到86%；脈動輸出模式輸出占空比相對誤差小于2%；電流峰峰值相對誤差小于5%，滿足設計各項指標要求。

參考文獻

[1]何希才，張名莉.新型穩壓電源及應用實例[M].電子工業出版社，2004：1-54.

[2]段九州.電源電路實用設計手冊[M].遼寧科學技術出版社，2002：1-41.

[3]程杰寶，實用高效率直流穩壓電源[M].實用電子制作，2003：25-26.

[4]賀洪江.一種高精度數控直流電源的設計[J].河北建筑科技學院學報，2000，1：33-39.

作者簡介：趙曉瑩（1982-），女，安徽蕪湖人，安徽機電職業技術學院電氣工程系講師，主要從事自動控制及電力電子技術方面的研究。