LED闪光灯电源设计报告全国大学生电子设计竞赛.docx
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LED闪光灯电源设计报告全国大学生电子设计竞赛
LED闪光灯电源(H题)
设计报告
参赛队号:
2015****
LED闪光灯电源
摘要
在使用电池供电的便携设备中,很多时候是通过直流升压电路获得所需要的高电压。
这些设备例如照相机中的闪光灯。
本次设计要求是将电池的电能转化为恒流输出,设计核心部分为DC/DC稳流电压变换器,DC/DC电压变换完成不同直流电压值的变换,电压变换后通过恒流控制电路实现恒流输出。
本设计电路由DC/DC电压变换模块、控制模块、模式选择电路、恒流控制模块、保护电路、报警电路等组成。
关键词:
直流升压电路DC/DC恒流输出
目录
一、引言1
二、方案设计1
2.1设计思路1
2.2总体方案1
2.3方案论证与比较1
2.3.1DC/DC变换器方案论证与比较1
2.3.2主控芯片选择方案2
2.3.3恒流控制电路方案论证与比较2
2.3.4模式选择方案论证与比较3
2.4部分硬件电路设计3
2.4.1DC/DC电源变换器3
2.4.2恒流控制电路4
2.4.3报警电路与保护电路4
2.5程序软件流程图4
三、设计实现5
四、测试5
五、结论6
六、附录7
1、引言
设计并制作一个LED闪光灯电源。
该电源的核心为直流-直流稳流变换器,它能将电池的电能转换为恒流输出,驱动高亮度白光LED,设计的电源同时具有升压、恒流两种功能。
升压部分通过DC/DC实现,升压后的输出电流易受干扰不稳定,需要设置稳流控制电路。
整个电路具有两种输出模式,一种连续输出模式,一种脉动输出模式,电流大小可设定不同的控制档位,负载电阻变大,当输出电压高于设定值时有过压保护和报警功能。
本设计的DC/DC恒流变换器能量转换效率高,输出电流200mA输出电压10V时输出效率应高于80%。
2、方案设计
2.1设计思路
本系统设计能够将电池的输入电压进行升压,升压后通过进入模式选择电路,由主控系统控制模式选择,选择模式后进入恒流控制电路,经过恒流的电流最后输入到负载端,负载端接取样电路,当负载变化造成电压超出限定幅值时,取样电路取样后送控制保护电路同时发出警报。
2.2总体方案
如下图所示,是本次LED闪光灯电源的电路框图。
本系统核心部分为DC/DC变换器,输入电源一路经过DC/DC变换器升压后进入模式选择模块,用户通过按键控制主控电路切换不同输出模式,选择后电流通过恒流控制电路实现恒流输出,最后输出接入负载,输入电源另一路经过变压后作为辅助电源给整个设计电路供电。
主控电路由主控芯片与数模转换电路组成,实现通过软件对硬件电路调控。
模式选择
DC/DC
变换器
输入电压3.0~3.6V
负载
恒流控制电路
主控电路
辅助电源
2.3方案论证与比较
2.3.1DC/DC变换器方案论证与比较
根据设计要求,我们需要把3.0V~3.6V的输入电压转化为10V的输出电压,因此需要把低电压输入升压成高电压输出。
直流电压升压有两种方法,一种是非隔离型DC/DC,另一种是隔离型DC/AC/DC。
方案一、采用非隔离型DC/DC。
非隔离型DC/DC变换器优点是效率高、可输出大电流、静态电流小。
非隔离型电路即根据电路形式的不同,可以分为串联开关变换器和并联开关变换器两种基本形式,其中串联开关变换器是降压式DC/DC变换器,并联开关变换器是升压式DC/DC变换器。
方案二、采用隔离型DC/AC/DC。
隔离型DC/AC/DC变换器主要由逆变器、高频变压器和和整流器组成。
基本工作原理是输入电压经过逆变器转化为较高频率的交流电压,由高频变压器将高频交流电压转换为所需要的交流电压,最后通过整流得到直流电压。
隔离型DC/AC/DC变换器框图如图2(见附录)所示。
从电路设计程度上来说,方案一主要控制端是一个开关管,外围电路所需元器件较少,设计简单易于实现,方案二电路设计由逆变电路、变压电路、滤波电路等组成,设计较复杂难以实现。
方案一中,电路存在输入与输出总有一个公共点,方案二则利用高频变压器将这个公共点隔离,采用方案二设计的电路会比较安全,不过由于我们的输出直流电压都在安全电压范围内,不会对人体造成伤害。
所以我们选择方案一作为DC/DC变换器方案。
2.3.2主控芯片选择方案
方案一、选用STC89C52RC作为该系统的主控芯片。
方案二、选用STC12C5A60S2单片机作为该系统的主控芯片。
方案一的芯片功耗高、运算速度低、需要外接AD采样电路才可以对负载端采样,方案二芯片低功耗、高速运算,内置集成ADC,可直接实现采样,整体性能远高于方案一芯片。
所以我们选用方案二。
2.3.3恒流控制电路方案论证与比较
恒控制电路采用恒流源概念。
恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定,只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒流源。
一般而言,按照恒流源电路主要组成器件的不同,可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源三种。
方案一、采用一只恒流二极管。
优点是电路构造简单,缺点是恒流二极管的恒流特性并不是非常好,电流规格比较少,无法满足设计精度要求。
方案二、采用两只同型号的三极管,利用三极管相对稳定的be电压作为基准。
这种恒流源简单易行,但是即使是相同型号的三极管其be电压也存在个体差异,因此并不适合精密度的恒流要求。
方案三、采用一个集成运放恒流源,集成运放输出端接一个电阻后接入三极管,但是由于三极管易后产生BC电流分量,因此采用场效应管来避免三极管be电流分量造成的误差。
这种电路可以输出几百mA以上的稳定电流。
方案一、方案二受选用元器件的严格限制,无法满足精度要求。
方案三用运放与一个场效应管设计的稳流电路,利用运放的反馈调节功能,使用场效应管代替三极管避免了不必要的be极间电流分量,能够很好地实现稳流功能。
因此,我们采用方案三作为本设计稳流控制电路的方案。
2.3.4模式选择方案论证与比较
模式选择模块的设计是为了实现脉动输出,并且使设计的电源能够进行恒流模式与脉动输出模式切换。
方案一、采用555芯片自激振荡产生一个占空比为1/3的脉冲波作为信号源,用来控制DC/DC模块与恒流模块之间开关的通断从而使整个设计具备脉动输出模式。
但是555芯片产生的脉冲波频率、占空比不易调控,脉动波频率较高。
方案二、采用AD9850芯片作为信号源,由主控系统芯片发出指令控制AD9850产生满足设计要求的脉冲波。
此方案需要给整个系统接入AD9850模块。
方案三、采用主控系统单片机直接输出信号控制开关的导通与闭合,使整个电路具备脉动输出模式,脉冲周期可设定,脉冲个数可设定等功能。
该方案程序设定相对简单,与方案二比较减小了功耗。
方案一由于产生的是高频脉冲波,调节电路较为困难,故不采用。
方案二AD9850芯片在3.3V供电时功耗155mW,整个模块接入后增大了整个电路的功耗,作为电源设计应尽可能减少电源内部功耗,增加输出效率。
方案三由于我们选用STC12C5A60S2单片机做主控芯片,能够通过单片机输出高低电平控制场效应管的通断,避免了前两种设计方案产生的功耗。
因此,我们采用方案三作为模式选择方案。
2.4部分硬件电路设计
2.4.1DC/DC电源变换器
原理如图1(见附录)所示。
当开关管导通时,能量从输入电源流入,并储存于电感L中,由于开关管导通期间正向饱和管压降很小,故这时二极管VD反偏,负载由滤波电容C供给能量,将C中储存的能量释放给负载。
当开关管截止时,电感L中电流不能突变,它所产生的感应电势阻止电流减小,二极管VD导通,电感中储存的能量以及输入电压通过二极管VD、给电容C充电,并供给负载。
在开关管导通的ton期间,能量储存在电感L中,在开关管截止的toff期间,电感L释放能量,补充在ton期间电容C上损失的能量。
开关管截止时电感L上电压跳变的幅值是与占空比有关的,ton愈长,L中峰值电流大,储存的磁能愈大。
所以,如果在ton期间储存的能量要在toff期间释放出来,那么,L上的电压脉冲必定是比较高的。
假定开关管没有损耗,并联变换器电路在输入电压Ui、输入电流Ii下,能在较低的输出电流I0下,输出较高的电压U0。
当开关管导通时,忽略管子的导通压降,电感L上的电压为输入电压Ui,并且电流线性上升,当开关管截止时,则L中的电流线性下降,而在稳态,ton期间L中电流的增量应等于toff期间电流的减量,则输出电压与输入电压的关系由下式决定。
其中
由式上式可知,当改变占空比δ时,就能获得所需的上升的电压值。
由于占空比δ总是小于1,所以,U0总是大于Ui,。
2.4.2恒流控制电路
我们设计的恒流控制电路由场效应管、集成运放OP07、电压反相器组成。
如图3(见附录)所示。
场效应管的漏极D与DC/DC电压输出端相连,栅极G与集成运放输出端相连。
利用电压反相器使集成运放的四号引脚为负电压,从而保证集成运放能够输出负电压控制场效应管断开。
在场效应管源极S串接一个电压采样电阻将电压反馈到集成运放负向输入端,当输出负载端电流减小时,场效应管源极电位减小,集成运放负向输入端电压减小,使集成运放输入电压增大,输出电压增大,场效应管栅极电压增大,从而使负载端输出电流增大,反之当负载输出端电流增大时,通过电压负反馈,又会使输出电流减小,最终使负载输出端恒流输出。
2.4.3报警电路与保护电路
报警电路如图4(见附录)所示,主控芯片检测到负载两端电压超过限定幅值时,主控芯片控制三极管导通,触发蜂鸣器发出警报。
保护电路如图5(见附录)所示,主控芯片检测到发在两端电压超过幅值时,控制场效应管与继电器同时断开后,DC/DC转换器输出不能传到恒流控制电路,从而起到保护作用。
2.5程序软件流程图
开始
初始化
电流选择
连续
连续/脉动输出模式选择
脉动
周期选择
脉冲串
连续脉冲/脉冲串输出模式选择
连续脉冲
设置脉冲个数
否
确认输出
是
结束
3、设计实现
1.出现问题:
在输出电流200mV。
输出电压10V时效率达不到80%。
原因:
由于在DC/DC升压电路环节使用的是XL6009升压直流电源变换器芯片,它的频率为400kHz,输出效率达不到设计要求。
解决办法:
更换DC/DC升压电路环节的升压直流电源变换器芯片为B6285y,该芯片频率高达1.2MHz,优化电路布局,最后负载输出端效率达到设计要求。
2.出现问题:
模式选择部分一开始采用一个场效应管串联接入DC/DC电路与恒流控制电路之间,接入后可以实现连续/脉动两种输出模式选择,但是连续输出模式的输出效率降低了。
原因:
场效应管串联接入电路产生了功耗,降低了输出效率。
解决办法:
利用了继电器的工作特性,电路图如图5(见附录)所示,连续输出模式下,继电器不工作,DC/DC升压输出通过继电器3、4脚进入恒流控制电路;切换模式时主控系统通过三极管控制继电器工作,3、4脚断开,P2.1端口控制场效应管开关实现脉动输出。
这样连续输出模式下场效应管不接入电路,不会造成输出效率降低。
3.出现问题:
通过两个按键加减进行档位切换时,没有指示部分来判断切换到了哪一个档位。
解决办法:
一开始想到是接指示灯,通过指示灯的亮与灭来判断切换到了哪一个档位,但是后来在测量中发现,接上指示灯后整个电源的转换效率变低了,这是因为指示灯产生了功耗。
后来,通过增加了按键的个数,每一个按键对应一个档位,在按键旁边贴上档位标签,这样实现指示功能且没有产生额外功耗。
4、测试
1、测试使用仪器和设备
序号
名称
数量
1
万用表
2
2
电源台
1
3
滑动变阻器
1
4
示波器
1
2、测试方法
(1)电流测试:
在电源输出端串接万用表(测电流)与滑动变阻器,将滑动变阻器调至50Ω,选择100mA档输出时,记录测量数值,调节滑动变阻器并观察电流是否变化。
同理测试150mA和200mA电流档。
(2)效率测试:
在LED闪光灯电源输入端接入电源台并串接一个万用表(测电流),在LED闪光灯电源输出端串接滑动变阻器,将滑动变阻器调至50Ω。
计算公式η=POUT/Pin×100%
(3)脉动输出测试:
在输出端接入等效电阻,选择脉动输出模式,设定周期并确定输出,将示波器接地端接在输出负端,示波器探头接输出正极,观察示波器正占空比、周期、上升时间、下降时间并记录。
3、测试数据
表格1电流测量数据
电压(V)
测量电流值(mA)
设定电流(mA)
3.0
相对误差
3.6
误差
100
99.98
0.02%
99.99
0.01%
150
149.97
0.03%
150.05
0.05%
200
199.97
0.03%
199.85
0.15%
300
299.89
0.11%
299.78
0.22%
450
449.84
0.16%
449.11
0.89%
600
599.32
0.68%
599.01
0.99%
表格2效率测量数据
输入电压
输入电流
输出电流
等效负载电阻
效率
3.0V
811.37mA
199.97mA
50Ω
82.3%
3.6V
652.67mA
199.85mA
50Ω
85.4%
表格3脉动输出测量数据
周期(ms)
占空比
占空比误差
间歇电流(uA)
脉冲上升时间(us)
脉冲下降时间(us)
10
33.2
0.13%
712
75
10
30
33.4
0.06%
689
82
7
100
33.1
0.23%
703
83
11
4、测试结果分析
通过对测量结果分析,规定输入电压和输出电压范围内,误差小于2%;输入电流200mA,输出电压10V时,效率达到86%;脉动输出模式输出占空比相对误差小于2%;电流峰峰值相对误差小于5%,满足设计各项指标要求。
五、结论
经过本次设计,我们从知道题目后分析讨论形成统一设计思路,确定方案并验证方案可实施性;从电路总体结构框图设计,到局部电路精准实现,将每一部分合理衔接,最终使设计的电路满足设计各项要求。
在设计过程中我们发现,由于杜邦线内阻相对较大,使用杜邦线将各部分电路连接后的测试结果输出效率达不到要求,后来我们对电路进行优化,采用雕刻PCB板的方式将整个电路集成到一块电路板上,这降低了整个电路的功耗,输出效率得到了明显的提升,从而达到要求。
本次竞赛极大的锻炼了我们各方面能力,经一步加强了我们对电源设计的理解,认识到团队合作的重要性,我们以后会继续努力,提升自己的技能与知识水平。
图1
负载
滤波器
整流器
高频变压器
滤波器
直流电源(电池)
图2
图3
图4
图5
图6