TMS320F2812的反激式LED数字驱动电源设计



TMS320F2812的反激式LED数字驱动电源设计

卞金洪,赵旋,周锋,李彭

(盐城工学院 信息工程学院,江苏 盐城224051)

摘要：设计了一种智能驱动电源，通过哈佛架构及循环控制功能，添加了通信功能，结合数字化的选择按钮，实现了LED数字电源的智能化。实验结果表明该电源可以有效的实现AC-DC以及DC-DC转换功能，且具有较高的转换效率。

关键词：反激拓扑；TMS320F2812；PWM；光耦

在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED半导体照明被认为是一种新型的环保节能途径。LED是一种新型半导体固态光源，具有长寿命、低功耗等特点。LED的电气特性对LED驱动器提出了诸多要求，如小体积、高效率、高功率因数、低电磁干扰EMI等，还要驱动器具有限压恒流等特点。LED驱动器性能的好坏直接关系到整个LED应用系统的安全性和可靠性。

本文设计的数字电源硬件系统包含主电路和控制电路两个部分。为了满足实际应用对电源的特殊要求，主电路采用了反激拓扑结构，控制电路是以TMS320F2812的DSP(Digital Signal Processor)芯片为控制核心，其产生的脉冲宽度调制PWM (Pulse Width Modulation)信号驱动场效晶体管(MOSFET)工作。为了达到降低噪声的功能，采用了高速光耦进行隔离。功率因数校正PFC(Power Factor Correction)级采用了Boost变换器，该变换器的电感电流处于临界连续状态，主要元器件的性能参数都进行了优化设计，同时，系统设计采用了变电压的控制方案。系统中的软件部分主要是由主程序、子程序和中断服务程序等构成，其中，子程序主要包括PWM信号子程序、A/D采用子程序和PI子程序等。通过对软件部分的优化编程，实现了硬件系统的功能。

1硬件电路设计

1.1　TMS320F2812数字信号处理器

利用高性能的数字信号处理器来设计驱动电源，不仅能减少电路中的元件，而且可以增加系统的可靠性和稳定性，更容易实现数字芯片的处理和控制，避免了模拟信号在传递过程中的畸变、失真和杂散信号的干扰[1]。

DSP芯片的主要特点：

(1)专用的硬件乘法器，在一个指令周期内，可以完成一次加法和乘法运算；

(2)哈佛结构，程序和数据存储在不同的储存空间，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器均可独立编址、独立访问；

(3)多总线机构，在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间；

(4)指令系统的流水线操作，处理器可以并行处理指令，增强了处理器的处理能力；

(6)硬件配置强，DSP芯片内具有串行口、主机接口、DMI控制器等，易于实现系统设计。

1.2　电源系统设计

电源系统整体结构如图1所示。

图1　电源系统整体结构框图Fig.1　The overall structure of power system

1.2.1EMI滤波电路设计

典型的EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用[2]。EMI滤波器的结构如图2所示。

图2　EMI滤波器Fig.2　EMI filter

1.2.2整流滤波电路设计

输入的交流信号经过EMI滤波器抑制干扰后，利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50 Hz工频交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电[3]。驱动电源的输入整流滤波电路如图3所示。

图3　 整流滤波电路Fig.3　The rectifier filter circuit

1.2.3开关电源功率因数校正(PFC)

整流电路的作用是把交流电压变成直流电压，为了减小电压纹波，须在其后并联大电容，只有在输入电压大于输出电压时，输入端才有电流。由于导通电流较小，易造成电流尖峰。需在整流电路后加功率因数校正电路以保证输入端电压、电流同频同相[4]。

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PFC级通常采用Boost变换器，工作在CCM模式下。单级APFC适合于体积小、结构简单、性能较好的应用场合[5]。单级APFC电路如图4所示。

图4　Boost变换器Fig.4　Boost converter

1.2.4反激变换器

反激变换器(见图5)工作原理是：主开关管导通时，二次侧二极管关断，变压器储能；主开关管关断时，二次侧二极管导通，变压器储能向负载释放。它和正激变换器不同，正激变换器的变压器励磁电感储能一般很小，各绕组瞬时功率的代数和为零，变压器只起隔离、变压作用，而反激变换器的变压器比较特殊，它兼起储能电感的作用，称为储能变压器(或电感-变压器)。为防止负载电流较大时磁心饱和，反激变换器的变压器磁心要加气隙，降低了磁心的导磁率。

图5　反激变换器Fig.5　Flyback converter

1.2.5驱动电路

反激变换器的驱动电路如图6所示，光电耦合器主要是起到隔离、开关作用和提供反馈信号，隔离是将高压驱动电路与低压控制电路隔离。光耦使得输入和输出相互隔离，电信号的传输具有单向性，所以光电耦合器具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。当PWM信号为低电平时，光耦输出级截止，输出高电平，通过推挽输出使MOS管的栅极电压迅速上升，打开漏极和源极，减少MOS管上的损耗。当PWM信号为高电平时，光耦输出级导通，输出低电平，通过推挽输出关断开关MOS管。

图6　驱动电路Fig.6　Drive circuit

2系统软件设计

图7为系统软件算法流程图。本系统的难点在于恒流PI控制，DSP(TMS320F2812)通过A/D采样，检测电流，对PWM模块输出方波的占空比进行PI控制，比较该电流值和通过按键设置的电流参考值，若大于电流参考值，则减小DSP输出方波的占空比，反之增大占空比。根据采样电流值和参考电流值的差值大小，通过PI控制，实现恒流输出。

图7　系统软件算法流程图Fig.7　The flow chart of software algorithm

3测量结果分析

根据系统设计的思路,进行硬件电路搭建、硬件调试、软件设计、软件调试、样机联调。同时使用示波器、万用表等分别测量整流之后的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流,结果如表1所示。市面上常用的驱动电源与本驱动电源输出电压波形分别如图8a和图8b所示。由图8a可以看出，该电源输出的电压存在较大的正弦波动，波动的峰峰值约为28.25 V，峰峰值的存在将大大降低负载的使用寿命；从图8b可以看出，输出电压约为43.72 V，输出电压信号没有出现波动，延长了负载器件的使用寿命。

表1　驱动电路的输入和输出参数

图8　两种电源输出电压波形Fig.8　Output voltage waveform of two kinds of power

从表1可以得出恒流源的转换效率为0.872(13.64/15.65)。参照LED驱动电源行业标准，可以得出设计的恒流源效率基本满足行业指标。

4结束语

本文设计并实现了一种基于DSP的智能驱动电源，该电源采用反激拓扑结构，其控制电路部分由DSP芯片进行控制，获得了5～20 W宽调谐性的低噪声LED驱动电源。实验结果表明该电源有效的降低了原LED电源的体积，并实现了智能化的管理，有效的提高了电源的效率和寿命，促进了LED行业的发展。

参考文献：

[1] 徐晓涛,吴延林.数字电源技术及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2011：112-115.

[2] 沙占友.LED 照明驱动电源优化设计[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3] 乔恩明，张双运.开关电源工程设计快速入门[M].北京：中国电力出版社，2010.

[4] 周志敏，周纪海，纪爱华.高频开关电源设计与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5] 向琼.有源功率因数校正技术在高频开关电源中的应用研究[J].应用技术, 2010,39(2):88-90.

(责任编辑：李华云)

The Digital Driving Power Design of Flyback LED

Based on TMS320F2812

BIAN Jinhong，ZHAO Xuan，ZHOU Feng，LI Peng

(College of Information Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng Jiangsu224051， China)

Abstract：In this paper, an intelligent driving power based on DSP (Digital Signal Processor) is designed and realized. And the power can supply by using pulse code modulation signal (Pulse Width Modulation PWM) driving field effect transistor, and it’s main circuit adopts flyback topology structure. By using the Harvard architecture and cycle control function, the communication function can be added to the power system. Combined with the select button digital, the "intelligent" LED digital display power can be achieved. The experimental results show that the power can effectively realize AC-DC and DC-DC conversion function, and has high conversion efficiency.

Keywords：Flyback topology; TMS320F2812; PWM; Optocoupler

作者简介：卞金洪(1966-)，男，江苏建湖人，副教授，主要研究方向为数字信号处理、嵌入式系统应用。

基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目;2013年度盐城市工业科技支撑指导性计划项目

收稿日期：2014-04-11

中图分类号：TM923.01

文献标识码：A

文章编号：1671-5322(2015)01-0043-04

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201501010