闪光灯电源的研究与实施

吴年祥

（1.安徽国防科技职业学院机电工程系，安徽六安 237001；2.中国地质大学自动化学院，武汉 430074）

随着电子信息产业的快速发展，家用电子产品的不断升级，相对以前手机充电器等直流稳压电源供电，现在全部升级成开关电源，体积小很多，方便携带。尤其在家用的灯具上面发展更是迅速〔1〕，现在很多家庭新房装修所采用的灯炮全部是高亮LED，而给高亮LED供电现在普遍采用工频交流变直流的开关电源形式，但在还没有通上工频用电的偏远山区就无法施展起来。因此研究出一个可以方便携带且将低直流的电池能源转换成恒流源驱动的高亮LED电源迫在眉睫。作为非线性器件的LED，微小的正向电压的变化会引起很大的正向电流变化，电流过强或过弱会引起超高亮LED光衰减与发光强度增加，所以LED需要恒流驱动〔2〕。通过输出端采样端电阻反馈到输入端，调节PWM调整输出电压，其效率高，功率大。

1 总体方案设计

系统由微控制器、升压降压电路、场效应管输出开关控制电路、电流采样电路、电流信号的放大电路、恒流源控制电路，过载报警电路等组成，见图1。

图1 LED闪光灯电源总体框图

首先利用TC6291集成组成的电流型斩波电路将3V直流输入电压升高至LM358组成的输出限压控制电路输出稳定的恒压源给单片机供电〔3〕，同时通过场效应管输出开关控制电路稳定输出电流。采用采样电路电阻反馈输出电流，经过LM358构成的同相比例电流信号的放大、单片机输出脉冲宽度调制信号控制恒流源电路有效的恒定输出电流。

2 电路方案设计与实现

2.1 系统控制器的选择 考虑到闪光灯电源的体积方便携带、轻巧、精度以及3V直流输入情况下，就选择了实验室现有的SC91F721系列的SOP单片机，相比于51系列单片机，它具有成本便宜，单时钟、机器周期（1T）、集成8路高速10位A/D转换（300 K/S）、2路Duty的PWM，速度快传统518到12倍，且内部集成MAX810专用复位电路、高速率、低功耗、小体积、高精确、超强抗干扰的特点，更适合在强干扰的场合〔4〕。

2.2 电源电流控制的选择 利用线性电源大功率三极管和运算放大器对电流进行控制，这种方法产生的电压比较准确，纹波小，易控制，精度高，但是产生恒流效率低，达不到80%，不太适合于非线性器件所以选择了CMOS管制作DC/DC电路，用PWM控制开关管使其开关管工作在开关状态，效率很高，电压纹波大对滤波电路要求高。

2.3 升压电路设计 升降压电路以升压芯片TC6291为核心的SEPIC电路，即是一种允许输出电压大于等于输入电压的DC-DC变换器。输出电压由主控开关MOS管的占空比控制且与输入同极性，有利于电池供电低电压的LED闪光灯电源场合。另一个优点通过主回路的电容、电感使输入输出的隔离，当开关管截止时输出电压为零伏关断输出〔5〕，见图2。

图2 升压电路

当中采用的TC6291是一款电流模式升压型DC-DC转换器，其脉宽调制电路中内置0.2 Ω功率场效应管使这个调节器具有高功率效率，补偿网络也减少了多达6个的外部元件，误差信号放大器的同相输入端连接到0.6 V精密基准电压，内部软启动功能可以减小瞬间突增电流〔6〕，L1、L2、C15用于升压降压。

2.4 限压电路的设计 输出限压控制电路的设计见图3所示。升压芯片TC6291的常用升压芯片内置有开关管，3脚FB是误差信号反相输出电压反馈端，正常情况下直接连接输出即可，4脚EN是使能输入端，“H”电平升压芯片工作，“L”电平时不工作。电路经过设计变为恒流源限压方式，运放LM358组成电压比较电路，负端输入基准电压，基准电压通过RP1来调节，输出电压的采样分压值接入运放正端。

当正端电压（输出电压的分压值）超过负端电压，U2运放输出高电平至升压芯片FB引脚，拉升压芯片降低工作点空比，输出电压便下降了〔7〕。当输出电压偏低时，运放输出低电平，FB引脚电压便由恒流控制电路控制，进入恒流状态。

图3 输出限压控制电路

2.5 恒流源电路设计 见图4所示，在恒流源电路设当中0.5 Ω的采样电阻将电流信号转换成电压信号。当电流为100mA时，采样电阻上的电压为50mV，经过U2B第一级LM358放大后的电压信号为200 mV，

即放大4倍［AU2B=（1+Rf/R1）＝4］，200 mV电压信号送入U2A下一级电压比较器的正端〔8〕，负端则由单片机输出PWM控制信号，PWM经过R27，C7滤波后得到稳定的电压与放大后的电流信号进行比较。

图4 恒流源电路

当电流信号电压值超过负端的设定电压时，运放输出低电平到升压芯片FB端口，使升压芯片输出电压降低，从而降低输出电流。当输出电流信号的采样电压值小于反相端设定阀值时，通过控制升压芯片FB端口提高输出电压使电流达到设定值。

2.6 输出稳压设计 当单片机控制脉冲输出时，由于输出端有滤波电容存在，不可能做到马上关断输出电流，这时就需要使用输出开关进行控制。滤波措施存在从根本上也消除了谐波源注入系统的谐波电流，从而避免了谐振的可能〔9〕。输出开关使用导通电阻极小、驱动电压低的N型MOS管SI4800BDY〔10〕。当关断输出电流时，为防止升压电路过电压、输出开关导通瞬间电流过大，通过单片机控制芯片EN引脚低电平，使升压芯片停止工作。

2.7 软件设计 主程序流程图见图5。

图5 主程序流程图

3 测试实验结果

3.1 测试方法

（1）硬件电路的测试，采用局部电路调试与实验的方法；完成升压降压电路、输出限压控制电路、单片机的电源线路、场效应管输出开关控制电路、电流的采样、电流信号的放大、恒流控制电路，过载报警电路的测量与调试。并且用蜂鸣器来实现报警功能，按键装置用来控制档位的变化。

（2）软件程序的编写与调试并下载到单片机中〔11〕；

（3）硬件软件的联调。

3.2 测试过程与结果

（1）将直流稳压电源调到3.0 V，给设计的电路板通电，在没有接负载或负载电阻过大时，蜂鸣器报警，测试输出电压U0为10.43 V。

（2）当负载电阻为41 Ω，100 W时，使用按键开关S1、S2、S3选择100 mA（A1档），150 mA（A2档），200 mA（A3档）的电流档位。观察其输出电流表、输出电压表数值，并记录其结果。结果显示，在连续模式输出时最高输出电压大于10 V，最低输出电压为0 V，相对误差［（Io-Ii）/Ii］×100%小于2%，测量结果，见表1。

表1 相对误差测试结果

（3）当输入电压为3.6V时，测得输入电流640mA，输出电流200 mA，输出电压10.58 V时，效率为η=（10.58×0.2）/（3.6×0.64）=91.8%。

（4）当负载电阻8 W，3 Ω进，使用按键开关选择电流峰值300、450、600 mA，脉冲周期为10、30、100 ms的脉冲周期，使用示波器观察并记录其波形的占空比为1/3、相对误差小于2%、上升时间为10.5 ns、下降时间为11 ns，电流过冲小于8%，见图6。

（5）输出脉冲个数可设定为1到5个和连续的脉冲串，每按一次启动键输出一次脉冲串。

4 总结

通过团队4天3夜的努力，经过总体思路规划、方案选择、模块设计、程序编写等设计步骤顺利的完成闪光灯电源的设计。经电路测试，能够在连续输出模式下输出电流100、150、200 mA三档的选择，输出电压在0至10.45 V。当负载过大时，输出电压10.45 V时报警。在脉动输出时，实现输出占空比为1/3，输出脉冲的个数在1到5个和连续的脉冲串，输出电流峰值300、450、600 mA三档时误差小于2%，且上升和下降时间都在ns级。实验结果表明，该方案性能指标均符合要求，误差较小，能够驱动高亮LED闪光灯。

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