基于雙同步斬波模式的LED聲控?zé)趄?qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

摘要 提出了基于雙同步斬波模式的微功耗LED聲控?zé)趄?qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方法。該驅(qū)動(dòng)電源用一個(gè)單片機(jī)控制兩個(gè)開關(guān)管分別為主電源和待機(jī)電源提供工作電流。主電源采用全波斬波工作模式為LED燈組提供工作電流;待機(jī)電源采用半波斬波工作模式，從而大幅降低了待機(jī)功耗。該驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在50～60 Hz頻率的180～250 V的寬電壓范圍內(nèi)工作，具有恒流驅(qū)動(dòng)功能和微功耗特性，且穩(wěn)定可靠和較高的性價(jià)比。

關(guān)鍵詞 同步斬波;微功耗;LED;寬電壓;恒流驅(qū)動(dòng)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)因具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、高效等特點(diǎn)，在照明領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于聲控?zé)舻穆曇舨杉糠秩於继幱诖龣C(jī)狀態(tài)，待機(jī)電源的功率損耗造成電能浪費(fèi)。目前的聲控?zé)舸龣C(jī)電源多采用電阻和穩(wěn)壓管組成簡(jiǎn)單的降壓電路為聲音采集部分提供工作電流，這種方式將220 V交流電經(jīng)過整流濾波后，通過一個(gè)阻值較大的電阻降壓后，由穩(wěn)壓二極管為麥克風(fēng)和運(yùn)放提供穩(wěn)定的工作電壓，在電阻上消耗的功率較大，待機(jī)時(shí)的功率浪費(fèi)較大。

本文利用低功耗MK6A12單片機(jī)和運(yùn)放HA17358設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)使兩部分電路進(jìn)入同步斬波模式工作的LED聲控?zé)趄?qū)動(dòng)電源。主電源采用全波斬波工作模式為L(zhǎng)ED燈組提供工作電流;待機(jī)電源部分通過采用半波斬波工作模式使待機(jī)損耗大幅降低。這種驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在50～60 Hz頻率的180～250 V寬電壓范圍內(nèi)工作，有恒流驅(qū)動(dòng)功能，且穩(wěn)定可靠。

1 雙同步斬波式LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

1.1 整體框圖

LED驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。電路主要由開關(guān)管、儲(chǔ)能電容、單片機(jī)、運(yùn)放以及光耦等構(gòu)成。

1.2 電路的組成

驅(qū)動(dòng)電源工作原理如圖2所示。電路分為兩路，一路是經(jīng)全波整流后由LED燈組、開關(guān)管、運(yùn)放和光耦組成的主電源部分;另一路是經(jīng)半波整流后由開關(guān)管和穩(wěn)壓管組成的待機(jī)電源部分，待機(jī)電源采用半波斬波工作方式為單片機(jī)和聲音采集提供工作電流。同時(shí)，單片機(jī)對(duì)半波斬波部分進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)，從而控制全波斬波部分的斬波時(shí)間。由于聲控?zé)魧?duì)聲音進(jìn)行24 h不間斷檢測(cè)，所以單片機(jī)與聲音采集部分24 h待機(jī)，在待機(jī)電源部分采用半波斬波工作模式，相比簡(jiǎn)單的電阻降壓電路，待機(jī)功耗大幅降低。

主電源部分C1為儲(chǔ)能電容，R1為電流取樣電阻，R2為保護(hù)用限流電阻;輔助電源電路部分C2為儲(chǔ)能電容，R4為保護(hù)用限流電阻，單片機(jī)檢測(cè)R5兩端電壓然后控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。

1.3 工作原理

待機(jī)電源部分驅(qū)動(dòng)電源工作波形如圖3所示。

交流電經(jīng)過半橋整流后通過R4、穩(wěn)壓管D3和r5進(jìn)行分壓，Q2導(dǎo)通，給C2充電，PB1設(shè)為輸入口開始檢測(cè)，t1時(shí)刻PB1檢測(cè)到高電平時(shí)將PB1變?yōu)檩敵隹诓⒀舆t1 ms，t2時(shí)刻單片機(jī)PB1關(guān)閉，Q2截止，C2開始放電，延遲7 ms后，t3時(shí)刻PB1再次打開設(shè)為輸入口，給C2進(jìn)行快速充電。通過兩次陜速充電，減小了瞬時(shí)電流的峰值。

PB1口控制Q2通斷，同時(shí)檢測(cè)過零點(diǎn)。t3時(shí)刻，PB1設(shè)為輸入口進(jìn)行檢測(cè)，R5兩端的電壓與B點(diǎn)電壓變化趨勢(shì)相同，t4時(shí)刻，PB1檢測(cè)到R5兩端的電壓為低電平，這一時(shí)刻的電壓值接近零，單片機(jī)將t4時(shí)刻記為過零點(diǎn)。單片機(jī)通過在半波斬波部分檢測(cè)到過零點(diǎn)，對(duì)全波斬波部分進(jìn)行控制。

主電源部分驅(qū)動(dòng)電源工作波形如圖4所示。

交流電經(jīng)過全波整流后給LED燈組提供電流，C1充電，PB2口輸出高電平，同時(shí)PB5開始檢測(cè)光耦4腳的電壓，t1時(shí)刻R1兩端電壓>1 V，光耦4腳電壓被拉低，PB5檢測(cè)到低電平，PB2輸出低電平給運(yùn)放的5腳，使Q1截止，C1開始放電。t2時(shí)刻PB1開始檢測(cè)過零點(diǎn)，t3時(shí)刻檢測(cè)到過零點(diǎn)時(shí)，PB2輸出高電平，再次給C1充電，PB5繼續(xù)檢測(cè)光耦4腳的電壓，t3時(shí)刻光耦4腳電壓再次被拉低，PB2輸出低電平，Q1截止，C1開始放電。

由圖2可知，由于運(yùn)放6腳的電壓值最高不會(huì)超過單片機(jī)的工作電壓，所以流過R3的電流可以計(jì)算出最大值

式中，Imax為流過R3的最大電流，Umax為單片機(jī)的工作電壓。由于流過R3的電流即為C1的充電電流，所以C1上的最大充電電流不會(huì)超過1.7 A，減小了對(duì)儲(chǔ)能電容C1和開關(guān)管Q1的沖擊。

1.4 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5和圖6分別為輸入電壓為220 V交流電時(shí)待機(jī)電源和主電源的實(shí)際工作波形圖。

從圖5中可以看出，電容C2提供了一個(gè)紋波很小的10 V電壓，可以使運(yùn)放和單片機(jī)正常工作，充電電流的最大峰值僅有25 mA，根據(jù)占空比得出待機(jī)的平均電流約為2 mA，待機(jī)功率約為20 mW，大幅降低了待機(jī)的功率損耗，每個(gè)周期進(jìn)行兩次充電，減小了瞬時(shí)充電電流的峰值，延長(zhǎng)了電路的使用壽命。從圖6中可以看出，光耦控制信號(hào)通過單片機(jī)使開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到了斬波的效果，從電流波形可以看出斬波效果明顯，在電壓上升時(shí)產(chǎn)生充電電流，且充電貢獻(xiàn)明顯。

2 電源特性

2.1 恒流工作特性

由圖2可知，單片機(jī)的PB2口通過運(yùn)放控制開關(guān)管Q1的通斷，Q1導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，輸出電壓越大，因此為了達(dá)到恒流特性，電流信號(hào)由取樣電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過光耦反饋給單片機(jī)。當(dāng)LED燈組電流增大，取樣電阻R1上分得的電壓增加，使光耦導(dǎo)通，單片機(jī)PB5口檢測(cè)到低電平后，控制開關(guān)管Q1斷開，使輸出電壓降低，從而實(shí)現(xiàn)恒流的目的。LED燈組的工作電流

式中，UF為光耦正向電壓，UF=1.2 V(標(biāo)稱值)，R為取樣電阻，R=R1=30 Ω時(shí)，LED燈組的工作電流ILED=IR1=40 mA。

2.2 寬電壓工作特性

圖7～圖9為不同輸入電壓時(shí)LED燈組兩端的電壓波形和整體電路的電流波形。

由上圖可知，輸入電壓分別為180 V、220 V和250 V時(shí)，LED燈組兩端總會(huì)得到穩(wěn)定且紋波較小的180 V電壓，可以使燈組正常工作。在實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到，輸入交流電在180～250 V的范圍內(nèi)變化時(shí)，LED燈組都能穩(wěn)定工作，儲(chǔ)能電容的充電電流隨著電壓的不斷升高而增大，充電時(shí)間隨之減少，所以電流的導(dǎo)通角也能隨著電壓的不斷升高而減小。這一現(xiàn)象表明，在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)輸入電壓不穩(wěn)定時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)電源依然能夠通過對(duì)電流導(dǎo)通角的調(diào)節(jié)使LED燈組正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用雙同步斬波式開關(guān)工作的電源驅(qū)動(dòng)LED聲控?zé)魰r(shí)，具有恒流工作特性，在很大程度上延長(zhǎng)了LED燈的使用壽命，待機(jī)功耗僅為20 mW，具有良好的微功耗特性，能在180～250 V的寬電壓范圍內(nèi)正常工作，且電路簡(jiǎn)單體積小，可在LED聲控?zé)纛I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。