无极性输入宽电压范围工作的多层式信号灯

金永镐， 金雄立

( 延边大学 工学院， 吉林 延吉 133002 )

目前，具有声光报警功能的多层式信号灯被广泛应用于工业、农业、交通、医疗等行业，它可有效预防多种事故的发生.但现有的多层式信号灯存在以下问题[1]： ①为了实现无极性输入的工作方式，输入电压需要经过全桥电路来改变极性，且需利用单向光电耦合器检测输入端的状态，因此电路较为复杂，稳定性差，且不利于产品的小型化.②信号灯的工作电压被分为12、24、48 V 3类，不利于用户管理和维护.基于此，本文设计一款在宽电压范围工作的多层式信号灯，并通过实验验证本文设计方案的有效性.

1 无极性输入宽电压范围工作的多层式信号灯的组成结构

无极性输入宽电压范围工作的多层式信号灯由多个双向光电耦合器构成的输入电压检测器、多个半桥输入、宽电压范围工作的升降压型变换器、控制器及工作电源等部分组成,如图1所示.

图1 多层式信号灯的组成结构

2 半桥式多路无极性输入电路的设计

图2为现有多层式信号灯(3层)的无极性输入部分的电路图.由图2可以看出，各输入端通过整流桥转换极性后，再经过2个隔离二极管给电容C18充电，以此实现为信号灯提供工作电源.每个通道的输入端通过单向光电耦合器判断有无电压.该多层式信号灯结构中，每一层都需要6个二极管，因此该多层式信号灯的电路较为复杂，且不利于产品的小型化.

图2 现有多层式信号灯的无极性输入电路

图3为改进的多层式信号灯的电路图.由图3可以看出，每个输入端经过半桥电路后与D11、D12组成全桥，输入电压转换极性后给电容C15充电，以此实现为信号灯提供工作电源.每个通道的输入端通过双向光电耦合器判断有无电压.若采用该方法设计6层信号灯，只需要14个二极管即可，因此可大大简化电路，且有利于产品的小型化.

由图3可见，当R-LED端的输入为正极，CON端的输入为负极时，PH1和二极管D6、D11导通，给电容C15充电.同理，当R-LED端的输入为负极，CON端的输入为正极时，PH1和二极管D5、D12导通，给电容C15充电.R11、R12、R13为限流电阻，当输入电压Ui=10～60 V时，限流电阻应满足以下两个要求： ①输入最低电压时，双向光电耦合器PC814的工作电流应大于0.5 mA； ②输入最高电压时，电阻的功率损耗应小于0.5 W.

图3 改进的多层式信号灯的输入电路

PC814的工作电流由式(1)决定，限流电阻的损耗功率由式(2)决定.

(1)

(2)

式中UD为PC814输入端的导通压降，其电压约为1 V.由式(1)和式(2)，可得6.962 kΩ

3 宽电压范围工作的LED灯组的驱动电源设计

3.1 升降压式变换器的设计

图4为不同多层式信号灯产品的工作电压图.由图4可以看出，各类多层式信号灯的输入电压虽然不同，但LED灯组的驱动电压是一定的.当灯组的驱动电压为30 V时，输入电压12 V和24 V的多层式信号灯需要升压才能工作，而输入电压为48 V的多层式信号灯需要降压才能工作.

图4 不同输入电压的多层式信号灯的工作电压

为提高产品的通用性,本文设计一种8～60 V宽电压(因输入端的整流桥压降约为1.2 V)范围工作的SEPIC型升降压变换器.因SEPIC型升降压变换器中的2个电感的电流共同作用于电流检测电阻[2]，因此电流检测电阻的功率损耗较大.为降低电流检测电阻的功率损耗，本文使用HV9910芯片设计变换器的整体电路.HV9910芯片具有如下优点：①芯片在8～100 V宽电压范围内工作时能输出1 mA的电流[3]1，利用该电流为MK6A12P单片机提供工作电压时，无需设计独立的低压工作电源，从而可简化电路.②CS电流检测端电压只有0.25 V[3]2，可减少检测电感电流时的功率损耗，提高变换器的转换效率.

图5为由HV9910芯片构建的宽电压范围工作的LED灯组的驱动电源电路.由图5可见，电感L1和Q1组成升压变换器，电感L2和Q1组成极性翻转型升降压变换器.

图5 基于HV9910芯片的LED灯组驱动电源

因HV9910芯片只有电流检测端CS，没有输出电压反馈端，因此本文通过电流检测端，采用叠加法设计输出电压反馈端.

当输出电压的误差值UE=Uo-UD3>0.2 V时，肖特基二极管D4开始导通(导通压降约为0.2 V).此时B点和F点的电压共同作用于A点，并驱动电源输出稳定电压.

根据电位理论，D4导通时F点的电压取决于式(3)，式中UD 4为D4的压降.

UF=Uo-UD3-UD 4.

(3)

再根据叠加原理，可求得B点电压.B点电压的计算公式为：

(4)

其中RCS为CS引脚的等效输入电阻，实测值为1.2 kΩ.

刚接通电源时,UF=0.根据式(4)可知，此时UB的值最大，为0.29 V(将R3=200 Ω、RCS=1.2 kΩ、UA=0.25 V代入式(4)中得).当输出电压UO>UD3+UD4时，UF>0.此时UB减小，其电压保持在0～0.29 V范围内，进而能够使输出电压保持稳定.

3.2 输出功率及相关参数的设计

LED灯组的工作电压为30 V，额定电流为45 mA，因此理论上其驱动功率为1.35 W.考虑到功率裕量，本文将实际功率设置为2 W.待确定的参数有电感L1、L2和电阻R5.

因灯组输出功率较小，同时为了简化设计，本文将占空比D设置为65%.设电感将储存的能量传送到负载时，其传送效率为η， 则

(5)

式中Po为平均输出功率，T为周期.

HV9910芯片工作频率的计算公式[4]如下：

f=25 000/(R2+22).

(6)

设定R2=430 kΩ，则f≈55 kHz，周期T≈18.2 μs.当输入电压为10V(最低工作电压)时，流过电感的电流与电感两端的电压关系如式(7)所示.将占空比D代入式(7)得到式(8).

(7)

(8)

利用式(5)求得电感电流后，将其代入式(8),得

(9)

式中取η=80%，T=18.2 μs，D≤65%，Ui=10 V，Po=2 W, 得L≤154 μH.本文取标称值L=150 μH.

将L=150 μH代入式(8)，得iL≈0.79 A.当L1=L2=150 μH时，流过R5的电流为2iL.因此电阻R5由式(10)决定.

(10)

将UB(0.29 V)和iL(0.79 A)代入式(10)，计算得R5=0.18 Ω.本文取0.15 Ω为标称值.

3.3 控制器的设计

图6为控制器及其工作电源的电路图.为了降低工作电流，本文使用低功耗的MK6A12P单片机和小功率场效应管BS170对灯阻部分进行控制.

图6 控制器的工作电源电路

MK6A12P是一种性价比较高的单片机，适合于多种工业控制领域.其工作电压为2.5～5 V，内部有4 MHz的RC振荡器，工作频率、WDT以及复位电路通过外部电阻设定[5].

HT1033为低压差微功耗三段稳压器，输出电压为3.3 V，静态电流为2.2～5 μA，最大工作电流为30 mA，最大输入电压为12 V[6].HV9910芯片通电后，6脚输出7.5 V的电压(U1)，U1通过HT1033后，将3.3 V的电压提供给MK6A12P.

BS170场效应管导通时，因输入场效应管的工作电流值较小，因此在设计电路时，可适当减小单片机输出端的驱动电流.BS170的最大工作电压为60 V，门槛电压约为2 V，最大工作电流为0.5 A[7].当GS输入电压为3 V时，实测控制电流为180 mA，可满足驱动45 mA灯组的要求.

4 实验结果与分析

图7—图9为当输入电压Ui分别为10、30、60 V时， A、C、D点的工作电压波形.

图7 Ui为10 V时各点的波形

图8 Ui为30 V时各点的波形

图9 Ui为60 V时各点的波形

由图7—图9可知，当频率约为51 kHz，输入电压在10～60 V范围时，变换器能够输出稳定的30.2 V电压.

5 结论

实验表明，本文设计的多层式信号灯可以在10～60 V宽电压范围内稳定工作，可以解决当前多层式信号灯的工作电压范围小、通用性差、电路复杂等问题.因此，本文方法设计的多层式信号灯具有良好的应用价值和市场竞争力.