时间：2023-02-13 17:22:04
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇驱动电源设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
（①海南大学应用科技学院，儋州 571730；②赛迪顾问股份有限公司，北京 100048）
摘要： 提出了一种基于PWM（脉冲宽度调制）控制芯片的小功率LED驱动电源的原理框架。采用FAN7554芯片作为主控制器，设计了一款输出功率达30W的反激式LED驱动电源，其输出电压为33V，输出电流为0.9A，可为30只功率为1W的LED管采用10串3并混联方式组成的LED阵列提供驱动电源，并分析所设计LED驱动电源的基本原理。该LED驱动电源经过一系列的电气测试，并在实际运行中得到比较满意的结果，具有进入小功率LED照明市场的能力，且对设计高性能、低成本的小功率LED驱动电源具有一定的指导意义。
关键词 ： 脉冲宽度调制；FAN7554；反激式；LED驱动电源
中图分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0104-03
基金项目：海南大学应用科技学院（儋州校区）校基金资助项目（Hyk-1515）。
作者简介：高家宝（1987-），男，海南乐东人，硕士，助教，研究方向为开关电源电路模型研究及其应用。
0 引言
LED作为新型绿色环保光源，具有亮度高，发光效率高，寿命长以及工作电压低等特点，具有广阔的应用前景，但是LED照明中的驱动电路部分却是目前制约其发展的一个重要瓶颈之一[1-3]。为了LED管稳定的发光，需要设计出LED恒流恒压驱动电源。本设计利用FAIRCHILD公司的FAN7554作为PWM控制器，设计了一款输出电压范围为33V~37V，输出电流0.9A的30W LED驱动电源。通过对其EMI（电磁干扰）滤波电路、PWM控制电路、反馈控制电路、反激式变换电路、各种保护功能电路等进行设计和制作，成功地实现了反激式LED驱动电路，该驱动电源具有结构简单、成本低廉、节能高效和稳定可靠等特点。
1 LED驱动电源的组成
本文设计的LED恒流驱动电路的工作原理框图如图1所示。它主要由输如EMI滤波电路、PWM控制电路、反激变换电路、光耦反馈电路、电流环恒流控制电路、保护电路等组成。交流电输入经EMI滤波电路及整流滤波电路后，由光耦的反馈信号调整PWM控制电路输出的脉冲信号宽度，从而对滤波之后的输入信号大小进行控制调节，再通过反激式变换电路进行电压变换。以电流型PWM控制芯片FAN7554为控制器件组成的恒流恒压控制电路，将电流取样信息和电压采样信息分别经电流比较器处理后由光耦反馈至变换级驱动端，实现电流电压控制调节，最终提供稳定电流和稳定电压，驱动LED负载。在保护电路方面主要有浪涌保护、欠压保护、过压保护和高频MOS管保护等。
2 LED驱动电源电路设计及原理分析
2.1 核心元件概述
FAIRCHILD公司提供的FAN7554芯片集成了一个固定频率的电流模式控制器。图2为FAN7554芯片的内部结构，该芯片具备软启动、通断控制、过载保护、过压保护、过流保护和欠压锁定等功能，这为外围电路简单、成本低廉的LED驱动电源电路设计方案提供了所需要的一切。芯片没有集成高频MOS管，在设计时需要与独立高频MOS管组成实现PWM控制电路，这极大方便了设计者进行调试与维修，这主要是因为设计者一般会对LED驱动电源中的高频MOS管的PWM信号进行观察和测试，且LED驱动电源工作时高频MOS管损坏的概率较大。
图3为LM358双运算放大器的引脚功能图，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。LM358的主要特性有：直流电压增益高达100dB；单位增益频带宽约1MHz；单电源电压范围宽为3~30V。这些特性决定了LM358适合于LED驱动电源的误差放大电路的设计。
2.2 基于FAN7554芯片的30W LED驱动电源电路设计
根据LED驱动电路的原理框图，设计了如图4所示的基于FAN7554芯片的30W LED恒流恒压驱动电源的电路原理图，该驱动电源LED负载采用30只功率为1W的LED管进行10串3并混联方式组成的LED阵列，组内所有的LED管电压额定值为33V、电流额定值为0.9A，光功率约为30W，设计要求LED驱动电源效率大于80%，则电源输入功率约为37.5W。考虑到小功率LED驱动电源对功率因数不做要求，在低成本设计的前提下本设计没有采用无源功率因数校正电路。
2.3 基于FAN7554芯片的30W LED驱动电源电路原理分析
①LED驱动电路的电源。
LED驱动电源的供电电源是220V/50Hz交流电。
②浪涌保护电路。
采用保险丝F1、负温度系数的热敏电阻RY1、RY2、电阻R21、R22和电容C16设计浪涌保护电路。当满载开机时，C6电压不能突变，相当于短路，导致输入电压很大。而热敏电阻在冷态时电阻很大，可起到限制输入浪涌电流的作用。在电源接入端加入防止浪涌保护电路，主要是用来防止由于雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压，造成LED驱动电路核心器件的损坏。
③EMI滤噪电路。
采用电感L3、电容C13、C7和C8设计EMI滤噪电路，主要是为了滤除共模和差模噪声，并提供放电回路。
④整流电路。
采用DB107设计桥式整流电路，将双相输入交流电转换成单相交流电。
⑤前端电感电容复式滤波电路。
采用电容C6、C3和电感L1设计电感电容复式滤波电路，不仅起到过滤噪声的作用，同时还起到将单相交流电转换成纹波较小的直流信号的作用。
⑥过压保护和欠压保护电路。
FAN7554芯片的电源主要来源于由变压器T1的6号管脚和1号管脚组成的次级线圈，在芯片电源管脚与模拟地之间反向接入稳压二极管D9，起到过压保护作用，从而保证芯片的电源电压不高于18V。当次级线圈供电不足时，由R2电阻和R5电阻组成的欠压保护电路，芯片电源直接由整流后的直流电源提供电源，实现了欠压保护功能，从而保证芯片的电源电压不低于18V。
⑦高频MOS管保护电路。
采用电阻R3、电容C2和二极管D6设计高频MOS管保护电路。当高频MOS管截止时，如果不是高频MOS管保护电路为电感所存储的电磁场能量提供泄放回路，那么电感所存储的电磁场能量将直接注入高频MOS管，从而在MOS管上产生过大的电压应力，甚至损坏MOS管[4，5]。
⑧LED负载电源电路。
在变压器T1和MOS管完美配合工作下，实现了将输入电能量耦合至LED负载端和恒压恒流电路两部分电路中。LED负载的电能量由变压器T1的12号管脚和9号管脚组成的次级线圈提供，为了防止负载的电流回流至次级线圈，在次级线圈的12号管脚和LED负载之间正向并联接入二极管D2和二极管D4。可是为了防止加在D2和D4并联电路两端的电压过大而损坏它们，因此在D2和D4的并联电路两端并联上由R1和C1组成的串联电路；LED负载端的电感电容复式滤波电路由电容C4、C5、电阻R4和电感L2组成，不仅起到滤除噪声的作用，而且还起到了将单相交流电转换为纹波较小的直流电的作用。
⑨反馈控制电路。
为了实现稳定的LED驱动电源，加入了电压采样和电流采样电路，通过LM358双运放将所采样的电压值、电流值与相应的基准电压值、基准电流值相比较后转换为误差量，该误差量通过光耦器件PC817反馈至FAN7554芯片的反馈管脚达到调整高频MOS管脉冲宽度的目的，从而实现对LED负载的输出电压、电流调节[6，7]。
3 总结
本文提出了一种基于PWM控制芯片的小功率LED恒流恒压驱动电源的电路架构，并利用FAIRCHILD公司的PWM芯片FAN7554作为主控制器，设计了一款功率达30W的反激式LED驱动电源，其输出电压为33V，输出电流为0.9A，可为30只功率为1W的LED管采用10串3并混联方式组成的LED阵列提供驱动电源。通过对其EMI（电磁干扰）滤波电路、PWM控制电路、反馈控制电路、反激式变换电路、各种保护功能电路等进行设计和测试，通过对其EMI（电磁干扰）滤波电路、PWM控制电路、反馈控制电路、反激式变换电路、各种保护功能电路等进行设计和测试，结果表明其恒流效果好，输出电压纹波低，成功实现了该反激式LED驱动电源，这对设计高性能、低成本的小功率LED驱动电源具有一定的指导意义。
参考文献：
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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）.
关键词： 动态光调节； 数字式LED驱动电源； 嵌入式设计； C8051F021
中图分类号： TN86?34； TP303.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0103?04
Abstract： The adjustment of LED controlled by dynamic light can′t achieve the expected effect due to the imperfect design of digital LED driving power supply adjusted by dynamic light， but the embedded system can improve the performances of LED driving power supply effectively. An embedded system based digital LED driving power supply controlled by dynamic light was designed. The A/D acquisition module performs the acquisition， rectification， filtering and A/D conversion of data of digital LED adjusted by dynamic light to get the A/D sampling data， and transfer it to the driving circuit. The embedded design is adopted in the driving circuit to optimize the A/D sampling data， so as to control the LED lighting reasonably and regulate the digital LED with dynamic light effectively. The C8051F021 chip is the "manager" of the embedded system based digital LED driving power supply under dynamic light control. Its management flow chart is given in the third part of this paper. The data acquisition language of A/D acquisition module was design also in the third part. The experimental results show that the designed digital LED driving power supply has strong driving performance and high power conversion efficiency.
Keywords： dynamic light control； digital LED driving power supply； embedded design； C8051F021
0 引 言
现如今，数字式LED以其低耗、显示清晰、寿命长等优点，在家用电器的显示配件方面占据了主导地位。动态光调节是一种能够有效缩减数字式LED显示屏漏光现象、增强显示效果的方法，但由于动态光调节下的数字式LED驱动电源的设计不完善，使动态光对LED的调节无法达到预期效果，这已成为科研组织的研究难题[1?4]。嵌入式是一种以应用为核心、以电子信息技术为根基的计算机系统，其能够调控软硬件的灵活性，进而提升LED驱动电源的各项性能[5?6]。为此，利用嵌入式系统，设计动态光调节下的数字式LED驱动电源，增强数字式LED驱动电源的驱动性能和转换效率，实现动态光对数字式LED的调节效果。
科研组织对动态光调节下数字式LED驱动电源的设计成果均存在一些不足之处。如文献[7]提出的能耗密度分配模型方法。这种方法能够将动态光调节下数字式LED驱动电源的多余能耗合理分配出去，达到增强电源转换效率的目的；但这种方法过于受限于电源传送功率配对，故其驱动性能较低。文献[8]提出基于阻抗模型构建动态光调节下数字式LED驱动电源的方法，阻抗模型能够较为合理实现电源驱动的高性能；但这种方法的耗能较大，电源转换效率不高。
从以上动态光调节下数字式LED驱动电源的设计成果中可看出，我国科研组织对基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的设计迫在眉睫。
1 数字式LED驱动电源嵌入式设计
1.1 LED驱动电源整体设计
基于嵌入式系统的犹光调节下数字式LED驱动电源的工作原理如图1所示。
由图1可知，在基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的设计中，A/D采集模块对数字式LED数据进行整流、滤波、A/D采样，其对数字式LED驱动电源有着过渡作用，是数字式LED驱动电源的基础组成部分。驱动电路是实现数字式LED驱动电源对动态光调节控制的基础，高性能的驱动电路能够给予数字式LED驱动电源较高的驱动性能。控制芯片是数字式LED驱动电源的控制核心，其管理着整个数字式LED驱动电源的工作流程。
1.2 A/D采集模块设计
在A/D采集模块中，整流是将采集到的动态光调节下的数字式LED的交流电近似转化为直流电的过程；滤波是将近似直流电中的交流波形去除，最终输出标准直流电的过程。图2是滤波器电路图。
滤波是排除电力干扰的一项重要手段，其能够避免电源损伤、使电路元件维持在正常状态下工作。由图2可知，A/D采集模块选用低通滤波器为动态光调节下的数字式LED进行滤波，其能够进行50 Hz电力信号的滤波，对高频干扰的衰减效果较强。所设计的低通滤波器拥有2个输入、输出端口，并配备1个电源接地端。C，C1代表差模滤波电容，C2，C3代表共模滤波电容，L1，L2代表电感，T代表共模电感。如果出现干扰信号，电感则会高速增长，阻止干扰信号通过，进而实现对动态光调节下数字式LED的滤波。整流滤波之后，A/D采集模块将对其获取到的数据进行A/D采样，图3是A/D采样电路图。
由图3可知，A/D采集模块主要由对比器、寄存器和A/D转换器组成，其最重要的组成元件是A/D转换器。A/D采集模块将其最初采集到的动态光调节下的数字式LED数据，利用对比器提高数据分辨率，并暂存在寄存器中。用户可对寄存器处理流程进行编程，A/D转换器会对寄存器中的数据进行依次调用，进行模/数转换。
模/数转换的方式采用高速形式，以增强基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的驱动性能和电源转换效率。A/D转换器的输出结果会经由对比器与最初采集数据进行比较，如果对比器的对比结果是负数，A/D采集模块将把寄存器状态调至高效位；反之，则调至低效位。
寄存器的效位状态会对A/D采集模块的效率产生影响，通过不断调整寄存器效位状态，能够提高数字式LED驱动电源的工作效率。最后，A/D采集模块利用控制与定时逻辑原理，将其获取到的A/D采样数据输出到驱动电路。
1.3 驱动电路嵌入式设计
受限于我国的科技能力，数字式LED的单颗发光物质功率过低，在实际应用中，只有将多颗发光物质连接起来使用才能够实现LED的肉眼可视发光，连接方式主要采用串联和并联的混合连接。为此，必须通过特定的驱动电路才能够令动态光调节下的数字式LED完成正常显示功能，所设计驱动电路采用嵌入式。
反激式转换器是一种拥有简单拓扑结构的电源开关，其能够为驱动电路提供较高水平的电压升降和多路输出。为此，基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的设计中，将反激式转换器纳入到驱动电路，并利用隔离式转换器维持数字式LED的正常发光。图4为驱动电路电路图。
由图4可知，所设计的驱动电路有着成本低、效率高的特点，能够实现对LED发光的合理控制。驱动电路能够容纳的输入电压范围是[170 V，280 V]，LED发光物质的连接方式是15颗串联、5颗并联，电流、电压和功率的极大输出值分别为350 mA，DC 60 V和20 W。A/D采集模块会将其获取到A/D采样数据输入到驱动电路，驱动电路的输出接收元件是单片机。基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源为驱动电路的连接设计成嵌入式连接，驱动电路对数字式LED发光的控制并非只有简单的开启和关闭，而是能够合理调节数字式LED的发光亮度，以提高其使用寿命、增强动态光对数字化LED的调节效果。
1.4 控制芯片O计
控制芯片是基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的“管理者”，故在控制芯片的选择上应绝对符合数字式LED驱动电源的设计初衷，这就要求所选择的控制芯片应具有高集成度和处理效率。因此，选择某公司出产的C8051F021芯片作为数字式LED驱动电源的控制芯片，此芯片的性能较高且能够独立进行高效的控制工作。
C8051F021芯片是一种拥有CIP?51 内核的芯片，是对8051系列芯片的优化成果。CIP?51 内核拥有高兼容性和流水线结构，能够通过803x/805x编码器对其进行开发。CIP?51 内核配备了5个16位定时器、2个通用异步收发传输器、1个256 B随机存取存储器以及1个特殊功能的寄存器，可实现对控制指令的完美操作。
C8051F021芯片的内部组成并不简单，这为其自身功能的完善提供了较为有利的元件支持。C8051F021芯片内置看门狗计时器、电源监听监控设备、视频存储设备以及时钟振荡器，其中的视频存储设备可对基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源进行再编码和更新。但由于经再编码后的数据容易丢失，故在使用此功能前必须对数字式LED驱动电源的数据类型进行检测。
2 数字式LED驱动电源嵌入式软件设计
2.1 C8051F021芯片管理流程设计
基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的软件部分为C8051F021芯片的管理流程进行了设计，如图5所示。
图5中，C8051F021芯片所需进行的初始化包括看门狗计时器参数重置、接口输出配置以及编程单元参数设定，软件也会同时对A/D转换器进行初始化。如果控制信号不存在，用户则可手动切换控制模式，否则将默认为自动调光模式；如果控制信号存在，初始化后的C8051F021芯片将会自动接收控制信号，并进行LED发光控制模式的设定。在C8051F021芯片进行管理工作的过程中，用户如果需要切换控制模式，应在设定控制模式后选择切换模式，否则只能选择在基于嵌入式系统的动态光调节下和数字式LED驱动电源未工作的情况下进行切换。这样设计有助于维持数字式LED驱动电源的工作连贯性，提高驱动性能。
2.2 数据采集语言设计
3 实验验证
3.1 驱动性能验证
对本文设计的基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的驱动性能的验证，可通过验证其驱动效率和数字式LED输出特性实现。驱动效率是影响数字式LED光效的最主要原因，通过数字式LED输出特性数据则能够看出数字式LED电源驱动设计的成功与否。
实验对6种不同规格的数字式LED进行驱动，先利用万用表对本文数字式LED驱动电源驱动中整流滤波后的电压进行了测量，随后将C8051F021芯片的输出信号频率调至30 kHz，并利用特定电源为C8051F021芯片供电。实验室的温度恒定在20 ℃，湿度控制较为严格，此时的驱动效率曲线如图6所示，数字式LED输出特性如表1所示。
由图6、表1可知，本文所设计的数字式LED驱动电源的驱动效率维持在89%左右，而市面上的数字式LED驱动电源的驱动效率一般为80%；在数字式LED输出特性统计表中，实际输出的电流和电壕在正常范围内波动，且电流变化对电压输出的影响不大。当电流小于300 mA时，数字式LED驱动电源会停止对数字式LED进行驱动。以上结果能够证明，基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的驱动性能较强。
3.2 电源转换效率验证
对本文设计的基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的电源转换效率进行验证，其结果如图7所示。
由图7可知，本文所设计的数字式LED驱动电源的电源转换效率范围在[80%，88%]之间，且波动较为稳定，未产生尖峰脉冲现象，可见其对数字式LED功率的矫正水平较高，能够实现动态光对数字式LED的有效调节，验证了基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的电源转换效率较高。
4 结 论
本文设计基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源。其中的A/D采集模块对动态光调节下的数字式LED数据进行采集、整流、滤波和A/D转换，得到A/D采样数据并传输到驱动电路。驱动电路采用嵌入式设计对A/D采样数据进行优化，进而实现对LED发光的合理控制和动态光对数字式LED的有效调节。C8051F021芯片是基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的“管理者”，其管理流程图于软件中给出。软件还对A/D采集模块的数据采集语言进行了设计。实验结果表明，所设计的数字式LED驱动电源驱动性能强、电源转换效率高。
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关键词： 动态激光调节； 数字式LED； 开关电源； 失真补偿方程
中图分类号： TN86?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0143?04
Design of digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement
LIU Lin
（College of Information and Electronic Engineering， Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu 476000， China）
Abstract： The reliability of the traditional design method is poor due to the dynamic nature existing in the laser conditioning process in the design of LED switching power supply. Aiming at this problem， a design method of the digital LED switching power supply under high voltage dynamic measurement is proposed. The two?order lattice notch filter is used to establish the power supply signal analytical model driven by digital LED to obtain the optimal transmitting power of the switching power supply. According to the dynamic carrier value of the power supply， the distortion compensation equation is fitted. The characteristic parameters of the switching power supply are extracted to fuse to the main magnetic?core component of the digital LED switching power supply designed with LLC principle. The maximum gain required by the LED switching power supply circuit is given. The practical turns ratio of the LED switching power supply transformer is obtained. The wire diameter of each coil of the transformer inductance is calculated to design the digital LED switching power supply under high?voltage dynamic measurement. The experimental simulation results show that the method has high design accuracy， and can prolong the service life of LED switching power supply effectively.
Keywords： dynamic laser conditioning； digital LED； switching power supply； distortion compensation equation
0 引 言
LED照明产品以其耐震动、能耗小、光效高、响应快等优势成为替代白炽灯和荧光灯等老式电源的新一代绿色光源[1?3]。对于一个优质的LED照明产品来说，要在市场上取得领先的销售地位不但要拥有一个质量优等的LED芯片，而且还必须具有一个良好的LED驱动系统[4?6]。目前大多数的开关电源技术还不够成熟，存在可靠性低、效率较低等弊端，这些弊端大幅度地降低了LED照明灯具的寿命。在这种情况下，如何有效地提升LED开关电源的效率和可靠性成为电源领域的研究热点。高压动态测量下的数字式LED开关电源优化设计方法可以计算出变压器电感电量各绕组的线径，以此为依据完成对高压动态测量下的数字式LED开关电源的设计，成为很多专家和学者研究的重点课题，同时也出现了很多好的方法[7]。
文献[8]提出一种基于高功率因数的高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。该方法先给出数字式LED驱动功率的因数，利用SN3350构成PWM恒流可调电路，给出开关电源的功率因数均值，以此为依据完成对数字式LED开关电源的设计。该设计方法稳定性较强，但是存在设计过程繁琐，耗时长的问题。文献[9]采用一种基于双同步斩波模式的高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。该方法时间复杂度较低，但是采用当前方法进行LED开关电源设计时无法适应激光调节的动态性，存在LED开关电源设计可靠性差的问题。文献[10]重点提出一种基于反激式的高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。该方法可扩展性较强，但是存在鲁棒性较差的问题。
针对上述问题，本文提出一种基于高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。实验仿真结果证明，所提方法设计精度较高，可以有效地延长LED开关电源的使用勖。
1 数字式LED开关电源的设计原理
在对数字式LED开关电源设计的过程中，先给出变压器一次绕组上的电流表达式，得到初级绕组和次级绕组的匝数比，获取LED开关电源变压器各绕组的匝数比，给出辅助绕组匝数与次级绕组匝数的比值，计算出变压器初级电感感量，利用该电感感量完成对数字式LED开关电源的设计。具体的步骤如下：
假设，由[Lp]代表变压器初级绕组的电感量；[Vde]代表初级绕组两端的电压；在驱动信号为高电平时，[Np]代表开关电源一次绕组，当[Np]上的电流线性上升时，则利用式（1） 给出[Np]上的电流表达式：
[ip=VdctonLpNp] （1）
式中[ton]代表MOS管的导通时间。
假设，由[is]代表次级绕组[Ns]上的电流；[isk]代表次级绕组上的峰值电流；[uout]代表输出电压；[toff]代表MOS管[Q1]的有效关断时间；[Ls]代表次级绕组的电感量，则利用式（2）得到初级绕组和次级绕组的匝数比：
[NsNp=ufNf?Nsufmin×iskipkNs?isuoutLstoff×Q1] （2）
式中：[uf]代表两端的电压表述方程；[Nf]代表辅助线圈；[ufmin]代表电感的电学特性；[ipk]代表电流的峰值电流。
假设，[uoutmax]代表输出功率最大时的输出电压，[uinmax]代表初级绕组上的最小输入电压，则利用式（3）获取LED开关电源变压器各绕组的匝数比：
[Nfisk=uinmax?Aeuinmax?uoutmax?ipk?dI?J?Lp] （3）
式中：[Ae]代表磁芯的横截面积；[d]代表线径；[I]代表电流值；[J]代表电流密度；[Lp]代表初级绕组的电感电量。
假设，[iskipk]代表次级电流峰值[isk]和初级电流峰值[ipk]的关系，则利用式（4）得到辅助绕组匝数与次级绕组匝数的比值：
[NfNs=iskipk?ton×tofff?D?ι??P] （4）
式中：[f]代表电源IC 的工作频率；[D]代表MOS驱动信号的占空比；[ι]代表法拉第电磁感应定律；[?P]代表磁芯材质。
假设，[?]代表电源芯片的最大值；[μ]代表损耗分配因子，则利用式（5）计算出变压器初级电感感量：
[μ?c=μ???j?θr?α?] （5）
式中：[?j]代表损耗分配因子；[θr]代表电容的容差；[α?]代表副边绕组峰值电流。
假设，[Np]代表变压器[TI]原边绕组的匝数，则利用式（6） 完成对数字式LED开关电源的设计：
[εe=TI?k??P?μ?cNp] （6）
综上所述可以说明，利用数字式LED开关电源设计原理可以设计LED开关电源。
2 高压动态测量下的LED开关电源优化设计
2.1 开关电源特征参量的提取
在对数字式LED开关电源优化设计的过程中，利用二阶格型陷波器构建LED驱动的供电信号解析模型，给出驱动补偿系数，得到LED开关电源特征参量。具体的步骤如下：
假设，[zt]代表电源驱动信号；[xt]代表电源驱动信号模型的实部；[yt]代表电源驱动信号的固有模态函数；[at]代表系统融合参量；[eiθt]代表驱动电路可调电压。则利用式（7）计算[zt]：
[zt=eiθt×xtyt?at] （7）
假设，[PN]代表数字式宽频最大功率；[LN]代表传输数据的时间；[UN]代表LED的电容滤波；[mN]代表电阻隔离。则利用式（8）得到LED开关电源的最优发射功率：
[?F?PN=EN?PNLN?mN?UN] （8）
假设，[v]代表驱动的速度；[β]代表传播常数。则利用式（9）给出电源载波值动态失真补偿方程：
[C2=vβ] （9）
利用给定的[β]代表传播常数，提取LED开关电源的特征参量，利用式（10）表述：
[kp=krur+k?u?+kzuzfrur+βuz] （10）
式中：[krur]代表LED开关电源[ur]轴最小工作电源电压；[k?u?]代表初级的漏感能量；[fr]代表特征参量在[ur]轴的分量。
假设，[k0]代表沿[ur]轴分量的初始值；[n]代表信号滤波的数量。则利用式（11）获取LED开关电源正常控制模式下的状态：
[TL=n?ark0?urV0] （11）
式中[V0]代表外部电阻的比值。
综上所述可以说明，在对数字式LED开关电源优化设计过程中，利用二阶格型陷波器构建LED驱动的供电信号解析模型，给出驱动补偿系数，得到LED开关电源特征参量，计算出LED开关电源正常控制模式下的状态，为实现对数字式LED开关电源优化设计奠定了基础。
2.2 基于功率校正的数字式LED开关电源设计
在对数字式LED开关电源优化设计过程中，以2.1节获取的LED开关电源正常控制模式下的状态[TL]为依据，利用LLC谐振半桥的控制芯片设计出电感[L]与开关频率关系，给出输入电压最低，电路峰值最大时的电感方程，获取变压器实际匝比，计算出变压器电感电量各绕组的线径，完成对数字式LED开关电源的设计。具体的步骤如下：
假设，[Uin_ms]代表输入电压的有效值；[Uo]代表PFC输出电压；[fsw_min]代表最低开关频率。利用式（12）得到电感[L]与开关频率的关系：
[L=U2in_msUo-2Uin_ms2fsw_minUoPoηTL] （12）
式中：[Po]代表输出功率；[η]代表效率。
在选取LED开关电源的芯片时，要保障在最恶劣的情况下输入电压最低，电路峰值最大时也不会饱和，利用式（13）给出其电感方程：
[LIp=NAeΔB] （13）
式中：[ΔB]代表磁感的工作范；[Ae]代表磁性等效截面积；[N]代表电感线圈匝数。
假设，[U′in]和[U′o]分别代表输出与输入的等效基波分量；[Lr]代表变压器漏感；[Lp]代表变压器初级电感量，则利用式（14）获取等效的电路增益函数：
[??=Lp?k，QMPKU′in?U′o?Uo_ fr×Lr，Lp] （14）
式中：[MPK]代表电路所需的最大增益；[Uo_fr]代表最大输出电压和谐振点输出电压；[k]和[Q]代表变压器的电感匝数和峰值最大电流。
分析式（13）可以得出，峰值增益是[k]和[Q]的函数，在选取[k]和[Q]时，其峰值增益需要满足电路最大的增益范围，利用式（15）计算峰值增益：
[MPK=Mmax?Mfrk?Q×Uo_max] （15）
式中：[Mmax]代表电路所需最大增益；[Mfr]代表谐振点增益；[Uo_max]代表最大输出电压。
假设，[Np_min]代表变压器初级最少匝数；[Bm]代表磁芯最大不饱和磁感应强度。则利用式（16）得到变压器实际匝比：
[na=nk+1kNp_min?Bm] （16）
假设，[Κp]代表开关电源的电流有效值，则利用式（17）获取线圈的线径和电流值的密切关系：
[?γ=Κp?na???LIp] （17）
利用式（16）计算的结果为依据，可以完成对数字式LED开关电源优化设计。
3 实验仿真证明
为了证明提出的基于高压动态测量下的数字式LED开关电源设计的有效性，需要进行一次实验，在Matlab/Simulink软件环境下搭建高压动态测量下的数字式LED开关电源设计实验仿真平台。实验数据来源于3台420 W的LED开关电源样机，如图1所述。
3.1 不同方法的LED开关电源设计的有效性
分别采用本文所提动态激光调节方法和基于反激式方法进行数字式LED开关电源设计，比较两种不同方法获取电路峰值增益和输出电流有效值设定值，利用对比的结果衡量不同方法进行LED开关电源设计的有效性，对比结果见图2，图3。
分析图2和图3可以得出，利用本文所提动态激光调节方法进行数字式LED开关电源设计的综合有效性要优于反激式方法进行数字式LED开关电源设计的综合有效性，这主要是因为在利用本文方法进行数字式LED开关电源设计时，先融合二阶格型陷波器组建LED驱动的供电信号解析模型，得到LED开关电源最优发射功率，给出电源载波值动态失真补偿方程，提取开关电源特征参量，从而保障本文所提动态激光调节方法进行数字式LED开关电源设计的综合有效性。
3.2 不同方法的LED开关电源能耗和负载均衡性对比
分别采用本文所提动态激光调节方法和基于反激式方法进行数字式LED开关电源设计，比较两种不同方法进行LED开关电源设计的能耗和负载均衡性，对比结果见图4，图5。
从图4和图5中可以说明，利用本文所提动态激光调节方法设计数字式LED开关电源的整体优越性要高于反激式方法进行数字式LED开关电源设计的整体优越性，这是由于在利用本文所提动态激光调节方法设计数字式LED开关电源时，给出输入电压最低，电路峰值最大时的电感方程，获取变压器实际匝比，计算出变压器电感电量各绕组的线径，大幅度提升了本文所提动态激光调节方法设计数字式LED开关电源的整体优越性。
4 结 语
针对采用传统方法进行LED开关电源设计时，无法适应激光调节的动态性，存在LED开关电源设计可靠性差的问题。本文提出一种基于高压动态测量下的数字式LED开关电源设计方法。实验仿真结果证明，所提方法设计精度较高，可以有效地延长LED开关电源的使用寿命。
参考文献
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【关键词】站台门系统 电源方案 对比研究
1 概述
轨道交通系统为了保障安全、高效的运行，采用在站台和列车之间使用站台门，站台门系统由驱动部分、控制部分、电源部分构成，站台门电源要求对驱动部分、控制部分和信号接口部分提供稳定可靠的电源供应和在交流停电情况下提供一定时间的后备安全供电。
轨道交通系统使用设备要求高安全性、高可靠性，电源系统设计时必须考虑可靠性、安全性，满足站台门系统的可靠性和安全性的要求。
站台门系统用电设备包括驱动电机、控制主机及就地控制单元等，由于直流电机具有良好的启动机械性能，可以满足站台门反复间歇开/关门的动作要求，因此目前轨道交通站台门一般选用直流电机作为驱动机构，电机供电电压通常为DC110V（驱动波型如图1），站台门的负载特性主要表现在驱动负载冲击性较大的特点，而由控制电源负载一般波动不大；控制部分供电电压通常为直流110V和24V，在站台门不动作时系统提供功率3-5KW，在站台门动作时最大功率8KW-40KW（门配置不同）交流停电后提供0.5小时-1小时并能保证双侧门开关5次。
2 电源方案对比分析
电源系统是由驱动电源和控制电源组成，一般有交流供电方案和直流供电方案两种，驱动和控制电源独立配置蓄电池组、电源模块、配电回路，由一套监控系统集中管理；根据站台门系统的驱动电机来设计驱动电源，在国内的地铁应用中按电压等级大致可分为直流100V、48V和24V；控制电源是给站台门控制系统的中央控制盘、就地控制盘、就地控制盒等供电，控制电源按电压等级大致可分为直流110V、24V和交流220V这三种电压；站台门系统设备不同，要求的参数也不一样。以100V驱动电机电压为例说明电源方案。
2.1 直流UPS方案
交流380V市电输入驱动电源后分别给整流模块和充电模块供电，经整流模块转换成110V直流电源直接供给驱动门机，经充电模块转换成108V直流电源给蓄电池组充电。当市电停电后，蓄电池组通过二极管给驱动门机供电，原理框图如图2。
直流UPS方案具有如下特点：
（1）模块化冗余设计，无单点故障，保证系统的可靠性
（2）可在线维护，可带电插拔，维护工作简单快捷
（3）正常供电失电后蓄电池直接给驱动门机供电，无转换环节，不损失蓄电池容量，利用率更高。
（4）正常运行的时候蓄电池组因有隔离二极管不参与供电，能独立对蓄电池进行自动充放电管理，保证蓄电池的使用寿命。
2.2 交流UPS方案
交流380V市电经交流UPS整流、逆变后输出交流380V/220V电源至站台门就地用电单元，再经就地转换模块转换成110V直流电源后给驱动门机供电，当市电停电后，蓄电池组通过交流UPS逆变后输出交流380V/220V电源到站台门就地用电单元，再由就地转换模块转换成110V直流电源给驱动门机供电，设备原理框图如图3。
交流UPS方案具有如下特点：
（1）交流UPS可分为整机型和模块化UPS，如采用整机型的UPS，系统存在单点故障，降低系统的可靠性，同时整机型UPS不能做到带电插拔和在线维护，增加后期维护成本和工作量。
（2）停电后蓄电池需通过UPS逆变再由就地转换模块给驱动门机供电，通过了两次转换环节，增加了系统的故障率及损失蓄电池容量，降低了利用率
（3）由于每个驱动电机由单独的就地转换模块供电，无冗余，降低了可靠性，如果模块损坏，无法供电，影响运营，给后期维护带来不便
（4）对蓄电池组充电无精细化管理，影响蓄电池的使用寿命
2.3 对比分析
（1）直流UPS电源只经过一级转换，效率高于90%，交流UPS电源一般最大效率90%，再经过一级交直流转换，交流电源方案效率最大80%左右。
（2）直流UPS电源方案蓄电池不需要经过转换，交流UPS电源需要通过逆变和STS、交直流转换，在蓄电池使用率方面，直流方案优于交流方案。
（3）直流UPS电源方案中整流模块均N+1配置，只需要一次交直流转换，无单点故障；交流UPS电源做不到全部N+1配置，存在单点故障，停电时蓄电池需要通过逆变和STS两个部分才能供到母线，后面还需要通过一级交流转直流才能给门机供电，有3处单点故障；在可靠性方面直流方案优于交流方案。
（4）直流UPS电源方案中整流模块可以带电插拔，维护方便，不需要专业工程师来操作，交流电源做不到所有模块都带电插拔，维护周期较长。
（5）对蓄电池组的充放电管理，直流UPS电源方案比交流UPS电源方案做的更好，能更好地保证蓄电池的使用寿命。
（6）交流UPS电源方案需要的设备空间比直流UPS大，而且UPS一般尺寸都是非标准的柜体，直流UPS由于转换数量少，不需要旁路系统和STS切换系统，直流系统的需要的设备空间小，而且可以很方便的配置标准柜体。
3 结论
综上对比分析，直流UPS在使用效率、可靠性、可维护性、运营成本、产品标准化等方面有优势，可以作为轨道交通站台门系统电源的主要实施方案。
作者简介
陈树亮（1981-），男。现为中铁六院中铁电气化勘测设计研究院有限公司工程师。研究方向为轨道交通站台设备智能化研究。
【关键词】LED照明；驱动电源设计
随着全球性的资源短缺和环保问题，半导体照明受到世界各国及产业届的关注。LED给人类带来了一次光源的革命，其寿命长、环保、节能、可靠性高，受到了用户的青睐。随着外部市场环境，政府的推动以及LED整体价格的下降，传统的白炽灯泡将逐步会被这种新型能源所取代。
当然，作为一个新生事物，LED照明也受到了一些挑战。目前，LED灯具在价格方面还是相对较高，这样也就要求LED灯具在寿命上需有所保证。我们知道，LED灯珠的寿命一般都能保证在50，000小时以上，而驱动的好坏将直接决定着LED整灯的寿命，怎样设计出一款合适可靠的LED驱动，也就是LED照明需要关注的问题。
工业开关电源在国内已经发展有二三十年的历史了，相对比较成熟。而LED作为一个新兴的产业，其电源驱动部分相对显得较晚，但大体设计方案还是源于工业开关电源。因室内照明目前市场化运作较为成熟，现针对室内照明来分析电源驱动的设计。
室内LED照明灯具大致有以下几种类型：平板灯，球泡灯，GX53，筒灯，T8& T5管灯，MR16，玉米灯，蜡烛灯等。
选择一款合适的驱动以保证整个灯具的价格和性能有一定优势，也将对这些灯具在市场上的推广及应用起着事半功倍的效果，我们通过对以上照明灯具的细分来对电源部分作一个分类及总结：
一、平板灯
市场上常见的平板灯的尺寸大小为300*300，300*1200，600*600，600*1200，150*1200，其体积一般较大，我们可采用外置恒压电源+LED恒流的模式来进行设计，将后级的LED恒流部分直接设计在LED灯板上，前级的LED恒压电源，可采用传统的工业电源，因工业恒压电源在国内已有一定的历史与规模，性能及价格相对比较有优势。这样，整灯的价格及性能都能得到相应的保证。
二、球泡灯&筒灯
这两种类型的灯具在外形上虽然不一样，在LED驱动方案的选择上，大体可保持共用，以最合理的方式来保证整灯的性价比。
从整灯的功率部分来看，市场上球泡灯一般从3W～12W左右，而筒灯在8W～20W左右，这样可按功率将驱动做成3W，6W，12W，20W。因筒灯在国内市场上是需要3C认证的，在国际市场上CE，UL等也将其纳入检测范围，所以在设计之初必须考虑产品的安全性。一般该驱动电源以隔离型为主，这样将有助于安规检测以及机构件上的优化。这种隔离型电源大体可分为以下两种模式：
1.低成本，无频闪
在小功率部分，如10W以下，可将开关MOS集成在芯片内部，采用原边反馈模式，这样将有助于降低产品成本，减少产品体积。
该方案在前级加入了大的电解电容，可以使输出电流纹波减少，保证了产品无频闪，起到了保护视力的作用。但其PF值相对较低，在小功率、对PF值无太大要求的情况下，此方案有较大优势。
原理图如图1。
2.高PF值
出于对电网的保护，有些市场对整灯的PF值是有一定要求的，这样我们可以采用带主动PFC的芯片，大致原理图如图2。
因前级去掉了大的电解电容，而芯片自带PFC功能，这样保证了整灯的PF值〉0.92，有助于对电网的保护，节省国家电力。
隔离型LED驱动方案大体上可分上述两种，其他类型灯具开发可在此基础上作为设计平台开发.
三、T8&T5管灯
T8管灯在目前市场上是比较常用的一种灯具，其主要用于工程及商业化照明.从长度上可分为0.6m，1.2m，1.5m，该驱动设计在市场上目前分为两种方案：
（一）非隔离型方案：此方案以东南亚国家为主，其优点是价格低，在此拓朴结构下，又大体分两种方案：
1.一种是以被动式即填谷电路为主的降压型驱动方案，其输出电流纹波小，无频闪。但为了保证整灯的寿命，其电容需用高可靠性，成本相对较高，如图3。
2.一种是以主动式PFC的驱动方案，其可省掉前端大电容，同时不需额外增将元器件，即可保证高PF值，成本相对较低，但其输出端纹波电流较大如图4。
（二）隔离方案：此方案大多用于欧洲市场，其对价格不太敏感，对安全性要求较高。
其方案类似于前面提及的球泡灯及筒灯驱动方案。
上述方案是室内照明在驱动设计上的大体方向，但为了保证驱动电源的高寿命，在设计上，我们还需要考虑以下方面：我们知道，灯具散热一直是业界研究的课题，这样对于驱动电源来讲，其工作环境温度相对很高，拿10W的球泡灯举例，市场上的球泡灯内部工作环境温度达到了80℃，而在此高温环境下，电解电容的电解液容易再高温环境下被烤干，易损坏，所以在该电解电容的选择上就要格外注意，以保证整灯的寿命。一般应选在105℃，10，000小时以上。
为了提高产品的可靠性以及市场的认知度，我们除了在方案选择上需作全方面的考虑外，在安规及相关认证上也需要做相应的考虑，目前常用的认证有CE，3C，UL，TUV等。针对目前市场上常用的认证做如下统计，详见表1。
关键词：任务驱动教学法；开关电源；应用与维护
开关电源的应用与维护课是应用电子技术专业职业能力的必修课，也是电气自动化技术的专业技能课。主要讲解开关电源技术基础、自激式开关电源的应用与维修、他激式开关电源的应用与维修、单片开关电源的应用与维修、家电产品中的开关电源与维修、办公设备中的开关电源与维修、功率因数校正器的应用与维修以及新型开关电源的应用与维修。通过对这些实用技术的教学，可提高学生对开关电源应用与维修的实践技能，培养学生的综合职业能力。
一、任务驱动教学法
任务驱动教学模式是指教师将教学内容设计成一个或多个具体的任务，力求以任务驱动，以某个实例为先导，进而提出问题，引导学生思考，让学生通过学习和实践掌握教学内容，达到教学目标，培养学生分析问题和解决问题的能力。
二、任务驱动教学法在开关电源的应用与维护教学中的作用
1.改变了课堂教学的形式，使理论和实践相结合。我国现阶段高职院校的教学形式还停留在“教师传授，学生接受”为主的教学模式，教学效果并不理想，也不能满足社会对人才的需求。把任务驱动教学法引入具体的课程中，能有效改变教师讲、学生听的教学形式，让学生成为课上的主体，教师只进行指导，实现教与学的有机统一、理论与实践的结合。
2.改变学生的学习方式，激发学习兴趣，丰富学习形式。教师要结合教学的内容和重点，设计不同的教学任务，让学生主动参与到任务的完成中，使学生由原来的“要我学”变成“我要学”。
3.改变了教学的目标，提高了教学法的实效性。传统的教育理念强调知识目标的实现，而任务驱动教学法则将知识目标、能力目标和素质目标有机结合，让学生在掌握知R的同时，培养了能力，以适应未来就业岗位的需求。
三、任务驱动教学法在开关电源的应用与维护课中的具体做法
任务驱动教学法中的任务需要精心设计和考量，应以知识目标为指导，选择具有典型性、易实施的任务，而不是教材中的每一节内容都适合采用任务驱动的方式，更不能脱离教材而随意选择内容。本课程划分为四大模块：开关元件与驱动电路、变换器与软开关技术、控制电路和开关电源电路分析。现以模块4“开关电源电路分析”为例，介绍任务驱动法在开关电源的应用与维护课程教学中的应用。该模块设计三个任务：电源电路图分析、电路中元件确定和电路析焊接并测试，其具体实施如下：
1.设计情境。小李是设计部的一名新来员工，恰巧公司正在研发新产品，由于小李没有经验，所以工作开展中遇到很多困难。大家一起看看，他都遇到了哪些困难，能不能帮助他解决？
2.引出任务。课件显示一件电源电路图，教师引出任务：小李拿到了一张电源电路图，但他怎么也不明白其工作原理。大家根据所学的知识，看看能不能帮小李分析？教师给一定自由思考时间，让学生讨论并分析电路图，然后提问个别学生回答。教师根据学生的回答情况进行总结，并正确分析电路图。
3.独立探索。第一个任务完成后，教师再次引出任务，并培养学生独立探索的能力。教师：“同学们，电路图分析完了，谁知道这张电路图都需要哪些元件，元件的参数件又都是多少？”教师提供相关的学习资源供学生查阅，让学生独立完成。这样可以调动其学习兴趣及参与积极性，不放弃任何一个学生。查完后，学生代表发言，其他学生对照自己的结果，进行对比分析，发现问题并及时解决。最后，教师讲解所需的元件及每个元件的参数。
4.确定任务并告知。教师告知训练任务，即电路板焊接并调试。教师讲解焊接过程中的注意事项及安全问题，让学生整理电路图。
5.学生分组协作学习。5～6名学生为一组，每组选派一名组长。分组讨论完成本次任务的步骤，确定所需的设备、工具及材料等，由组长分工，合作完成焊接任务。这样学生不仅学到了知识，也培养了团结合作的精神。在学生焊接的过程中，教师要巡视每组完成的情况，并加以指导。
6.验收成果并评价。每组对完成的电路板自行进行测试，分析出错的原因，并加以改正。最终，每组先对任务的完成情况进行自评，再小组之间派代表进行互相评价。教师根据巡视情况及各组发言情况进行总结，并给出评分标准。
参考文献：
关键词： LED；驱动电源；匹配方式
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
The Study of Driver Matching that Applied in High-power
LED Lighting
LIANG Jian-feng, WANG Hong
(School of Sciences, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)
Abstract: This paper analyzed the principles and working characteristics of High-power LED. The characteristics of LED determine which power driver to use. LED lighting needs constant current driver. The article expounds several matching types of LED driver, including all in series, all in parallel, series-parallel connection, crossed connection and distributed constant current. For high-power LED lighting, the distributed constant current driver is the future direction of development.
Keywords: LED; power driver; matching
引 言
自从出现发光二极管（light emitting diode，LED）以来，人们一直在努力追求实现固体光源。随着科技的不断进步，半导体材料应用技术的高速发展，白光LED固体光源的性能得到不断完善并进入实用阶段。白光LED是一种新兴产品，在照明市场备受瞩目。它与白炽钨丝灯和荧光灯相比，主要优点为体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、响应速度快、耐振动和冲击以及无污染。LED固体照明是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。
从第一批LED进入市场的几十年间，LED的应用领域不断扩展，包括：大屏幕彩色显示、照明灯具、激光器、液晶显示屏背光源、探测器、交通信号灯等。在全球能源紧缺、环保要求不断提高的情况下，LED越来越多地进入到各种照明领域中，且LED作为新一代照明光源在照明市场中所占的比重也呈现出逐年递增的趋势。专家预计，LED产品将在十年内大范围替代常规照明产品，届时，LED将能成为家喻户晓的产品，带来可观的节能效果，LED进入通用照明市场已经不再遥远。
LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED光源却不像一般的光源一样可以直接使用电网电压，它必须配有专用的电压电流转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作。不同的LED照明灯具，不同的照明用途和功率大小，LED驱动电源的规格也不同。所以，选择合适、高效的LED电源，选择正确的驱动方式，才能真正展现LED光源高效能的特性。
1大功率LED的工作特性
LED的发光原理就是将电能转换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。图1所示为正向导通压降（VF）和正向电流（IF）的关系曲线图，从图中可以看出，当正向电压超过某个阈值后，IF随着VF的上升而快速上升，较小的电压变化都会引起电流的较大变化。大功率LED的光特性通常被描述为电流IF的函数，图2所示为光通量和正向电流的关系曲线图。LED的光通量由流过LED的电流决定，LED光通量随着流过LED的电流的增加而增加，但却不成正比，越到后面光通量增加得越少。电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此应使LED在一个发光效率最高的电流值下工作。采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性和寿命。这也决定着LED照明适合恒流驱动而不是恒压驱动，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。
另外，LED的光通量和温度也成反比关系，高温会导致LED的光输出降低，LED的光波长向长波漂移，发光颜色发生变化。且温度的升高会使LED的正向电压降低，从而大大缩短LED的寿命，加速光衰。图3所示为不同热阻的的1W LED的允许顺向电流和环境温度的关系曲线图，从图中可知，当温度达到70～100℃时，LED的恒流需要线性地减少，直到120℃这一点达到零，恒流下降点和减少斜率取决于散热设计。因而，大功率LED灯具必须要有良好的散热性，对驱动电源而言，必须在温度过高时能够关断输出，起到保护作用。
2大功率LED与驱动电源的匹配方式
大功率LED已经广泛应用于照明、装饰类等产品，在设计LED照明系统时，需要考虑用什么样的LED驱动器，以及LED作为负载采用的串并联方式，合理的配合设计才能保证LED正常工作。用LED作为大功率照明灯具，通常都是由多颗LED组成，少则十几二十颗，多则上百颗。如此多的单独的LED组合在一起来组成发光组件构成照明灯具，已逐步应用于路灯、隧道灯、工矿灯、商用照明等场合。LED的连接方式直接关系到其可靠性和使用寿命。
2.1LED采用全部串联方式
如图4所示，LED采用全部串联方式，即将多个LED的正极对负极连接成串，其优点是通过每个LED的工作电流一样，一般应串入限流电阻R。串联方式要求LED驱动器输出较高的电压，当LED的一致性差别较大时，分配在不同LED两端的电压不同，通过每只LED的电流相同，LED的亮度一致性较好。
当有一颗LED发生短路时，如果是采用恒压电源驱动，由于输出电压不变，这样分配到每颗LED上的电压都有升高，驱动器输出电流将增大，如果超过LED额定电流太多的话，容易造成余下的LED光通量超过正常值而缩短寿命甚至烧毁。如果是采用恒流电源驱动，当一颗发生短路时，由于驱动电流不变，将不会影响余下所有LED的正常工作。
当有一颗LED断路后，串联在一起的LED将全部不亮。这时只要在每个LED两端并联一个齐纳管即可，如图5所示，所选齐纳管的导通电压要高于与其并联的LED的导通压降，否则该LED也不会亮。
应用此串联方式，当LED数目较少时，电源两端的输出电压不会太高。但是当LED数目较多时，特别是大功率LED路灯等，通常数目至少都有几十颗，这样为了使LED正常工作，其驱动电源的输出电压必然会非常高。比如100颗这样的大功率LED来组成照明灯具，必须要有超过300V的输出电压，而这样高的电压会对人身安全造成影响。
2.2LED采用全部并联方式
如图6所示，LED采用全部并联方式。这要求LED驱动电源输出较大的电流，负载电压较低。每颗LED的电压一样，而总电流是流经每颗LED的电流之和。当LED的一致性差别较大时，通过每颗LED的电流不一致，LED的亮度也不同。
当有一颗LED因品质不良断开时，如果采用恒压式驱动电源，电源输出电流将减少，而不影响余下所有LED的正常工作。如果是采用恒流式驱动电源，由于总输出电流不变，这样分配到每颗LED的电流都增加，容易导致损坏所有的LED。因此，这种全部并联的方式不适用于LED数量较少的场合，因为只要一颗断路，余下的每一颗都要额外增加较大的电流。当并联的LED数量较多时，断开某一颗时，分配到余下每一颗的电流并不大，对余下的LED影响不大。所以，当选择全部并联时，不应当选用恒流式驱动器。当某一颗LED因不良而短路时，那么所有的LED将不亮。
2.3LED采用混联方式
这种方式，就是众多LED既有串联，又有并联。这种混联方式有两种解法，分别如图7和图8所示，其分析方法基本和上述两种连接方式一样。
2.4LED采用交叉阵列形式
为了提高可靠性，降低熄灯几率，出现了如图9所示的交叉阵列形式的连接设计。图9是以15颗LED为例的设计图，更多的LED数量也可以参照此形式。这种交叉连接方式，即使个别LED开路或短路，也不会影响发光组件的整体实效。
3分布式恒流架构
由于目前大功率LED照明用的LED数量较多，通常都有几十个甚至上百个，选择合适的驱动匹配方式显得尤为重要。上述各种驱动方式各有优缺点，但是，对于大功率LED驱动电源来说，先恒压再恒流，是未来LED照明的主流设计方式，此方式被命名为分布式恒流，其主要架构如图10所示。
该方式先通过一个开关稳压电源，输出稳定的直流电压，然后在直流输出端接上LED模块，LED模块上已经有了恒流装置。这样将恒流技术分布到光源内部，和LED构成一个相对独立的模块，这样设计随意性强，电源规格简单，可以根据不同光通量要求而选择不同数量的LED模块。这种LED模块的划分，使得大功率LED照明特别适用于路灯、隧道灯、公共场所照明、广告灯箱等领域。分布式恒流设计LED产品有着非常高的产品稳定性。
分布式恒流技术，其稳压电源部分可以继续采用传统的开关电源进行恒压的供电模式，因开关电源技术积累给LED驱动电源设计创造了品质条件。分布式恒流技术还需要在恒流节点上串接低压差线性恒流驱动器，低压差的驱动器关系到驱动效率。LED恒流模块设置灵活，不会因为支路电流变化而影响其它支路工作。分布式恒流可以根据应用情况而灵活布置并联支路和LED模块，从而保持各支路和整体线路的电流稳定。驱动线路稳定性直接影响产品整体稳定性，分布式恒流在稳定性方面有着独有的优势。
4结论
大功率LED照明正处在快速发展阶段，由于价格成本高，目前还主要应用在路灯、隧道灯等领域，距离大规模的商用和民用还有很长的路要走。大功率LED照明大规模的产业化及应用，离不开驱动电源技术的发展，选择合适的驱动匹配方式，不仅可以保证LED正常的照明效果，还能保证LED的使用寿命，使LED照明的优势真正得到体现。先恒压，再线性恒流，是未来大功率LED照明的驱动方式。在分布式LED驱动设计中，色温可调、灰度控制都变得方便。分布式恒流技术充分预留智能化接口，这是LED照明智能化发展的关键。在节能技术要求越来越高的今天，大功率LED照明将成为照明技术发展的主流已成为共识，LED照明时代也正在来临。
参考文献
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【关键词】电源；MSP430F169；MODBUS协议；RS485总线
Design of Industrial Remote Monitoring Power Supply
WANG Zheng
（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）
【Abstract】A design of industrial remote monitoring Power Supply with high stablity， is proposed in this paper. The ultra low power 16 bit microcontroller MSP430F169 produced by TI company act as the main control chip of Power Supply， to collect the real-time information of voltage，current， temperature and to test the error state of Power Supply. Based on the Modbus protocol and RS485 bus， the collected information of Power Supply is sent to Host Computre. The data is analyzed， then， Host Computre send control commands to the main control chip which change the PWM waveform output of the drive circuit to correct the output voltage and current of Power Supply in time. After the test， the Power Supply sustainly and effectivly working in industry is realized.
【Key words】Power Supply； MSP430F169； MODBUS protocol； RS485 bus
0 引言
电子电气设备已涉及日常工作、生活各方面，而电子设备的正常稳定运行离不开安全可靠的电源。电源产品被广泛应用于工业、军工、科研、生活等领域，工业系统中对电源的远程监控功能和高可靠性要求越来越高，传统电源未对采集的电源数据进行存储和再访问，缺乏数据的分析处理，因而难以确保电源可靠工作。
为此，本文设计了一种新型远程监控电源[1-3]。它是基于开关电源获取恒压或恒流输出，基于MODBUS协议[4-5]和RS485总线[6-7]技术实现与上位机通信，基于微控芯片MSP430F169及驱动电路实现对电源主机的监控。
1 电源主机硬件部分
该电源由6个电源模块和1个上位机控制单元组成。上位机和电源模块之间通过RS485总线通讯。每个电源模块有电压、电流两种工作模式。电压工作模式为将监测的输出电压作为反馈量，与控制电压比较，根据比较结果控制输出电压。电流工作模式为将监测的输出电流作为反馈量，通过调节输出电压来调节输出电流。其中，电压模式时用户直接控制输出电压大小，电流模式时用户可以直接控制输出电流大小。每个电源模块的组成为电源实现部分、下位机驱动板卡和下位机控制板卡。其总体框架如图1所示。
1.1 电源实现部分
开关电源实现输出电压0-20V可调，输出电流0-1200A可调；三相电缺相检查、输入过压欠压检查、输出过压欠压过流保护；提供±24V、±15V交流电，给下位机驱动板卡和控制板卡供电；提供温度检测传感器。
1.2 下位机驱动板卡
使用PWM模块驱动电源实现部分的IGBT工作，并提供PWM控制接口给下位机控制板卡，实现输出电压和电流调节；使用LED指示电源实现部分的相关故障并将故障信号连给下位机控制板卡的开关量输入引脚；将±24V和±15V交流电转成±12V直流电，并给下位机控制板卡供电；实现缺相、输入欠压过压、输出过流过压欠压的监测功能。
1.3 下位机控制板卡
通过单片机DAC引脚产生0～5V控制信号，用于控制PWM的输出脉冲宽度；通过单片机开关量输入引脚，检测缺相、输入欠压过压、输出过流过压欠压等故障状态；通过单片机开关量输出引脚，给出TTL电平信号，用于关断PWM模块，实现软件关机功能；通过单片机读取数字温度传感器（DS18B20）数值；通过单片机开关量输出引脚显示当前工作模式（电流模式或电压模式）；RS485地址可调。
下位机控制板卡核心部件为单片机（选型为MSP430F169），该单片机能够提供如下资源：3路ADC输入、2路DAC输出、6路开关量输入、5路开关量输出。其中，输入开关量用于获得电源的各种状态；输出开关量用于控制PWM的通断、电路状态指示灯等，ADC用于监测输出电流和输出电压；DAC用于控制输出电压和输出电流。
2 软件部分
2.1 下位机固件
在下位机LCD上显示电源模块的各种状态（包含当前输出电压、输出电流、故障模式、关键部件温度以及当前时间和日期等），100ms（控制周期）刷新一次；处理上位机的各种请求。
2.2 上位机程序
2.2.1 开发语言
C#，整个程序基于 Framework环境运行。
2.2.2 功能说明
本控制系统通过RS485总线实现多台电源单机的联网工作，中央控制程序对单机的工作状态进行实时监控，并按照用户设定的工作模式和参数对网络上的全部单机进行工作模式控制，对多机进行负载均衡控制，保证电源网络按照设定参数输出，满足工作需要。
2.2.3 通信协议
上位机和下位机的通信协议为MODBUS。
2.2.4 软件总体架构
软件整体框架按5层结构设计，从下往上分别为硬件接口层、协议层、设备管理层、应用层和界面层。各层分别与上一层和下一层通信，完成数据传递。分层设计的优点是各层功能独立，接口明确，在程序设计、开发和维护上更为方便、快捷，各层内部的功能和结构变化不影响整体系统的设计和开发。
3 结论
本文基于开关电源技术和工业控制中广泛使用的MODBUS协议和RS485总线技术，以16位超低功耗的单片机MSP430F169作为主控芯片，加上合适的驱动电路，实现了一种可远程监控的电源。其中使用了六路电源模块组成一个电源主机，更提高了工业控制中电源供电的可靠性。通过上位机程序与电源主机联合测试，可监控电源主机实现可靠的恒定电压或恒定电流输出。随着无线网络技术的不断发展完善，无线远程监控电源设备将更加方便，但稳定性仍是关键技术之一，是值得继续研究的方向。
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关键词：6U标准板卡； 一体式； 伺服控制系统; 电气接线
中图分类号：TN91134文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)22020602
Integral 2axis Servo Control System Based on 6U Standard Board
CAO Fulu, SUN Xiangliang, ZHANG Pengnian, HU Weihua
(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)
Abstract： To solve the continuity problem of many wires to interconnect independent modules of a servo control system, an integral 2axis servo control system with independent intellectual property rights was developed. The system is based on 6U standard controller board, power conversion board, resolvertodigital converter (RDC) board and power driver board. The functions and working principles of the system and the modules are discussed. The characteristics of the system are analyzed. The actual application proves the system has the advantages of versatility, high reliability, maintainability and electromagnetic compatibility.
Keywords： 6U standard board; integral mode; servo control system; electric wiring
收稿日期：201107100引言
伺服系统中包含能源设备、检测设备、控制设备、放大装置、辅助设备等功能模块［14］。各功能块的相对独立设计，导致系统各功能块之间的电气连接需要较多的接线。诸多的电气接线不利于系统的通用性、可靠性、可维修性［56］及电磁兼容性设计［78］。基于上述问题，本文研发了完全自主产权的一套基于6U标准［9］板卡的一体式两轴伺服控制系统。
1系统组成与功能
系统组成框图如图1所示。该系统集控制板、功率驱动板、电源转换板、角度编码板于一体，各功能板均采用基于6U标准的板卡，插拔式装配设计，相互之间采用母板式连接。该系统主要完成的功能有：控制板实时地向两块角度编码板同时发送同步脉冲，通过两串行接口分别接收两块角度编码板反馈的两轴驱动机构的当前位置信息，按照上位机控制命令的要求，并依据开关量信号表征的系统当前状态，在确保系统安全运行的情况下，进行位置闭环后，输出模拟速度给定信号，控制功率驱动板输出合适的电机驱动信号，完成对两轴驱动机构的随动控制。
2各模块的功能
2.1电源转换板
系统输入电源为工频交流220 V，系统内控制板、功率驱动板、轴角编码板均采用直流24 V供电。考虑到该系统对基于直流24 V、直流48 V、直流72 V等电压等级电机的伺服系统的通用性，电源转换板采取了通用性设计。它的功能框图如图2所示。
图1系统组成框图图2电源转换板功能框图该电源转换板首先将交流输入滤波后，经AC/DC模块转换成直流，再经DC/DC降压并滤波处理后输出系统所需的控制电源直流24 V/2 A、功率电源直流24 V/10 A及功率电源直流48 V/10 A。
2.2轴角编码板
系统所采用轴角编码板的功能框图如图3所示。轴角编码板向系统旋转变压器送出两路正弦激磁信号，接收两路正弦及余弦感应信号，将接收到的反应伺服机构当前位置的正余弦信号进行编码处理，形成位置编码，并在接收到同步触发脉冲后，经串行口实时送出当前位置编码。
图3轴角编码板功能框图2.3功率驱动板
系统功率驱动板的功能框图如图4所示。功率驱动板包含速度环与电流环两级环路，即将接收到的差分速度给定信号与速度反馈信号处理后求差，经速度调节器后作为电流环给定信号，将该信号与处理后的电流反馈信号求差再经过电流环调节器后输出，该模拟输出经PWM产生电路转换成PWM信号，再经功率放大后输出给电机，完成对伺服电机的驱动，并对连续多次的故障信号进行锁存实现电路保护［10］。
图4功率驱动板功能框图2.4控制板
系统的控制板功能框如图5所示。控制板的主要功能是实时地向两块轴角编码板同时发送同步脉冲，通过两串行接口分别接收两块角度编码板反馈的角度编码，并通过串行接口接收上位机控制命令，依据开关量信号表征的系统当前状态，在确保系统安全运行的情况下，进行位置闭环后，向功率驱动板输出模拟速度给定信号。
3系统的特点
该系统所具有的主要特点有：各功能板卡均采用6U标准尺寸，具有较高的集成度； 统一了接口连接器， 减少了器件种类；采用插拔式装配设计，安装方式稳定可靠，易于维修；电源转换板考虑通用性设计，输出功率电源直流24 V/10 A及功率电源直流48 V/10 A，在母板上进行简单的跳线设计，即可满足驱动直流24 V，48 V以及72 V等电压等级的电机的需求；功率驱动板可以适用直流24～72 V的电源输入范围，具有一定的通用性；系统采用一体式屏蔽机箱设计，具有较好的电磁兼容性。
图5系统控制板功能框图4结语
综上所述，该系统集基于6U标准尺寸的控制板、功率驱动板、电源转换板、角度编码板等诸板卡于一体，插拔式装配设计，相互之间采用母板式连接。实际应用表明，该系统具有较高的通用性、可靠性、维修性和电磁兼容性。
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关键词：逆变电源；串联谐振；数字信号处理器（DSP）
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.008
引言
随着电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的迅速发展和广泛应用，对逆变电源的性能及效率等要求也越来越高。串联谐振中频逆变电源是感应加热的关键设备，在现代工业生产中，熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等，常常采用中频（150Hz～20kHz）谐振逆变电源装置作为感应加热电源。
传统的串联谐振中频逆变电源控制仍然多为模拟控制或模拟与数字相结合的控制系统[1-2]，存在如控制电路结构复杂、采用较多的元器件，体积庞大、电源一致性差；系统工作不稳定、控制精度不高、开发调试复杂等缺点。克服以上缺点的方法是应用数字处理技术，将传统的模拟电源升级改造为数字化电源（DPS：Digital Power Supply）。数字电源控制电路的核心器件是数字信号处理器（DSP），通过微处理器的精确运算来控逆变电源的各项性能和工作全过程，使控制电路高度集成、简化，且实现了数控化。本文设计了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz 的串联谐振中频逆变电源，并通过试验验证了该设计方案的有效性和可行性。
中频逆变电源设计
电源主电路设计
串联谐振中频逆变电源系统主电路结构如图1所示。三相380V/50Hz交流电经空气开关、熔断器后加到由二极管模块组成的三相不控整流桥，三相整流桥输出的直流电压Ud经电解电容Cd滤波成平直的电压，再加到由四个IGBT和四个反并联二极管组成的单相全桥逆变器，逆变器输出的电压Uo经中频变压器T隔离并降压后送到由补偿电容C和负载感应器Lo组成的串联谐振电路的两端。中频变压器T用于负载匹配，感应线圈等效电感Lo和电阻R以及谐振电容C组成变压器次级串联谐振槽路。
串联谐振逆变电源工作原理
串联谐振逆变电源等效电路如图2所示，其移相控制原理及工作过程分析如下[3]：
图2所示的主电路的控制采用了如图3所示的移相控制策略。其基本原理是：检测逆变器输出电流 利用其过零点来产生滞后桥臂管VT4的驱动信号4gVTu（VT2管的驱动信号2gVTu与之互补）；由VT1和VT3组成的超前桥臂的驱动信号1gVTu和3gVTu 分别超前于4gVTu和2gVTu，超前的角度为移相角α或者调节逆变桥输出电压的宽度o u，从而调节基波电压的幅值，就能对电路输出功率调节进行调节。
数字锁相环（DPLL）控制
串联谐振逆变电路工作在谐振状态时，谐振回路呈电阻性，工作频率等于负载的谐振频率。由于逆变输出所接负载的规格不同，感应线圈的等效电感和等效电阻也将改变，谐振频率会发生变化，如果不改变逆变电路IGBT的驱动频率，将使逆变器偏离谐振点，不仅使逆变桥上IGBT偏离零电流开关点，而且引起开关损耗增大，当逆变器工作频率高于负载谐振频率较大时，在一定的P值下，还会使负载阻抗增大，逆变器的无功功率增加，输出功率因数下降，功率容量不能充分利用。因此逆变控制系统必须具备频率跟踪功能，使逆变器的工作点保持在谐振点附近，从而实现IGBT的ZCS开关，并且有效利用逆变器的输出功率容量。一般的频率跟踪采用锁相环控制（PLL），通过检测输出电压和电流的相位差，控制锁相环电路的触发信号输出频率，达到频率跟踪的目的。本设计采用基于DSP技术的数字锁相环（DPLL）来实现频率
的自动跟踪[4]。
串联谐振中频逆变电源系统结构框图如图4所示。电源控制系统采用以TMS320LF2407为控制核心的硬件控制平台，传感器采集的各种检测信号经转换后作为DSP的输入信号，DSP根据检测输入的信息对系统进行实时控制，逆变器中功率主开关管的驱动信号由DSP的事件管理模块EV产生，并对最终产生的PWM波形输出进行死区控制；通过对负载电流和电压的检测、采样、滤波、电平转换和A/ D 变换处理后，与给定频率作比较，进行频率锁相跟踪及移相功率控制；当过流或过压等故障信号产生时，硬件电路会封锁逆变器的触发信号来实现保护功能，同时，保护信号会使中断口XINT发生中断，立即进行系统的其他保护处理。系统具有电压、电流、工作频率及谐振频率等各项参数的显示；电路设有过流、过压、过热、缺相等全面的保护系统，并指示出各种故障便于维修；同时，还具有上下位机通讯功能，可以实现远程网络化控制或用计算机自动控制[5]。
实验结果及结论
关键词：永磁同步电机；DSP芯片；实验验证
中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0016-01
1 引言
近些年来，交流伺服系统在工控、军工、民用、医疗等领域的应用十分广泛。对于永磁同步电机伺服系统，除了要求具有动态响应迅速、稳态运行可靠的特性外，还要求系统能够实现准确定位和快速跟踪。本文结合永磁同步电机伺服驱动系统实验平台开发设计，将模糊控制和传统PID控制相结合，使系统既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PI控制精度高的特点。
2 实验平台硬件设计
永磁同步电机驱动控制系统实验平台硬件由驱动电源电压的整流和逆变模块、反馈信号（位置、电流）检测模块以及相应的硬件保护等模块组成。本设计采用的DSP芯片为TI公司的TMS320F28335，这是一款浮点类型的处理器，主频高能高效率运行负载控制算法，尤其是矢量控制算法以及高频率电流环处理的采集运算，大量传感器模拟和数字信号滤波计算等实时控制。
2.1 主电路
主电路是驱动系统能量转换的通路，用来将电能直接转化为驱动伺服电机转动转矩的机械能。采用交流直流交流方式将电能转化的结构方式，对三相220V交流供电进行全桥不可控整流。逆变部分采用IPM智能功率模块，将母线直流电转化为交流电，其IPM内部集成了IGBT驱动电路，性能稳定，避免在外部搭建PWM驱动电路而造成的控制系统繁琐，缩短了PWM信号在PCB板上的走线长度，避免了周边电路带来的干扰。在由DSP发出的SVPWM信号采用光耦隔离后由系统提供的驱动DC15V电源直接驱动IPM。根据系统功率要求，考虑了系统的布局和干扰条件，本设计采用了Agilentg公司生产的光耦HCPL3120，具有500ns的开关时间和15KV的绝缘耐压等优良特点，在IGBT驱动中具有广泛的应用，其性能满足系统的要求。
2.2 控制电源电路
一般情况下，控制电源单独工作时，其输出电压纹波大小均可以满足控制系统要求，但控制电源带上负载后，在电源输出电压上会叠加上较高的纹波电压，如输出纹波太大，会影响到控制电路和检测电路工作的可靠性。因此，合理配置和设计稳定的开关电源对整个系统的实现至关重要。针对控制电源稳定性的需求，本设计采用了PI公司生产的三端离线PWM复合开关TOPSwitch以及光耦和基准源组成的反激式开关电源，输入额定电压为220V，经过反馈及钳位电路分别得到5V，-5V及15V的控制电源。采用5V电源为控制基准反馈回路。
2.3 转子位置、角速度检测电路
电机转子外侧安装有位置传感器，通常选用正交式光电编码器。其利用光电元件制作的精密光栅器件检测光学信号，在经过换算和信号处理输出具有ABI三种信号的正交编码信号。输出的信号能够直接连接到DSP的码盘检测接口，DSP通过内置的接口采集到高速的盘脉冲信号进行处理，用于完成矢量控制和位置环的伺服控制。
2.4 电流检测电路
矢量控制依赖于准确的电流采样信号，其信号的波动干扰都会直接造成系统控制偏差和控制性能下降，直接影响整个电流环的控制以及系统的稳定。因此我们需要选用的霍尔电流传感器应该满足高采样精度和低温漂的要求。本设计选用了ALLegro公司生产的ACS712ELC系列的电流传感器。该传感器具有2.1 kVRMS电压绝缘及低电阻电流导体的全集成、极稳定的输出偏置电压和近零的磁滞。同时在DSP中的12位转换器模块提供了高效的采集频率对电流信号进行采集和反馈控制，可以满足对系y的控制精度和稳定性的要求。
3 实验平台软件设计
DSP作为系统软件算法实现的载体，软件实现的功能主要有：矢量控制算法、PID调节器算法、伺服驱动的电流环、速度环、位置环算法的实现，模糊控制器算法实现。本设计伺服电机数字控制系统软件采用模块化设计。
3.1 系统模块
系统模块是系统初始化的过程。主要包括两个模块：系统初始化和中断配置。系统初始化主要包括：配置系统时钟、IO接口初始化、通讯模块的初始化、模拟量接口的初始化、在ROM中设置用户参数与电机参数的配置。
3.2 电机控制模块
电机控制模块主要由DSP完成。其主要包括两个部分：矢量控制模块和SVPWM产生模块。矢量控制算法是永磁同步电机伺服驱动控制的基础，算法的实现需要实时对电流信号解耦运算，每个控制周期都有需要运算的程序，因此可以利用DSP对数字信号的高速处理的能力来解决大量运算的工作。
3.3 外部接口模块
外部接口模块实现对DSP内部控制算法和片外系统的信息交互接口。有控制算法需要的实时电机电流和码盘位置信号和用于存储信息的ROM之间的SCI通讯装置接口。控制器运行状态信息的反馈，包括通过IO接口采集进入DSP内部的数字量信号和驱动器散热系统温度信号的处理。
3.4 通讯模块
通讯模块是实现上位机和驱动器控制本身信息交互的功能。DSP集成了CAN2.0B的标准通讯协议，供用户在此物理层的基础上进行应用层协议的开发。应用该协议上位机能够实现对一台或多台驱动器组成主从结构的网络控制，其传输速度能满足上位机对系统及网络控制的实时性要求。
4 实验验证
矢量控制系统是一个复杂的闭环控制系统，其中包含有速度和电流两个闭环结构，有多个PI调节器需要进行参数整合，因此一次性将整个系统搭建并调试的方案不具有可行性。电流环的参数主要取决于电机的电气特性，因此要先进行电流环参数调整，当电流环稳定后在进行速度环和位置环调试。系统实验位置曲线如图1所示。
5 结语
本文通过分析交流永磁同步电机驱动控制系统硬件、软件相关模块的设计，构建了交流永磁同步电机伺服驱动控制系统。采用分级调试思想，调试了系统开环、电流环以及速度环，验证了电机驱动系统的电流环与速度环驱动控制可行性；最后在实际作业环境下测试了位置环，验证了模糊算法并给出了相关调试曲线，说明模糊自适应PID在位置环中的应用具有改善控制性能的作用，且驱动系统满足系统控制精度要求。
参考文献
[1]霍中良，王兴松.基于模糊PID的伺服压力机位置控制系统[J].锻压技术，2011，36（5）：93-96.
