一種新型冷光驅動電源

馮友宏， 丁緒星， 陳 饒

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖 241000）

0 引 言

電致冷光膜是一種布狀新型發光材料，具有節能環保、安全可靠和可塑性強等眾多優點，但由于驅動其工作的驅動電源大多存在工作不穩定、功耗大、負載特性不匹配、成本昂貴，因而使得冷光膜得不到廣泛的應用。文中設計的冷光膜驅動電源不僅解決了傳統電源存在的這些問題，而且還可以使冷光膜工作在多種工作模式之下，使其看起來更加絢麗。

1 系統主電路設計

系統的硬件主電路如圖1所示。

圖1 驅動電源結構框圖

主電路包括EMI濾波電路、功率因數校正電路和DC／AC逆變電路。EMI濾波電路用來濾除市電中的差模和共模干擾信號，前級電源入口處設計了過壓過流保護電路。功率因數校正電路對濾波后的市電信號進行功率因數校正，以提高電源的使用效率達到0.99以上，再通過DC／AC逆變電路將電壓逆變成冷光膜工作所要的110V，800Hz交流信號。

1.1 EMI濾波電路設計

EMI濾波電路如圖2所示。

圖2 EMI濾波電路

圖中，F1為一個2A慢熔型保險管，防止電路短路起過流保護作用，也防止啟動沖擊電流對其造成誤保護。壓敏電阻RV1與電阻R1，R2，R3構成過壓保護電路，用來削減串入的高壓脈沖防止損壞電源。電容C1與C2為差模電容，用來消除市電中的差模干擾信號，C3與C4為共模電容，消除市電中相線與中線間的共模干擾，L1與L2為共模扼流圈。

共模扼流圈是兩個匝數相同繞制方向相反的線圈，對于共模干擾電流起到很好的抑制作用。由于扼流圈兩電感的繞制不可能完全對稱，存在一定的差模漏電感，起到差模干擾電流抑制的作用，因此，文中省去了差模扼流圈的設計。共模電感的計算公式如下：

式中：A——鐵芯橫截面積；

D——磁環平均直徑；

ur——磁環初始磁導率；

N——線圈匝數。

文中設計的共模扼流圈的電感值大小分別為2.4mH和20mH。

共模電容也是用于抑制高頻共模干擾信號，選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于共模電容接地，因此存在漏電流，漏電流的大小可以表示為：

式中：Um——市電電壓；

fm——市電頻率；

C——共模電容。

漏電流會對人身安全造成影響，因此，有一個漏電流標準，在中國是要小于1mA［3］。至此，可以得到共模電容的最大值為：

根據上式，得到共模電容的最佳值為2 200pF。

差模電容用來濾除電路中的差模干擾，可以在電源失效的情況下保證人身的安全，文中選用的差模電容為220nF，275V和470nF，275V的薄膜電容。

1.2 功率因數校正電路設計

功率因數校正電路主電路原理如圖3所示。

圖3 功率因數校正電路主電路原理

電路的輸入為交流市電，輸出為400V直流電壓。輔助開關Q2與主開關Q4處于輪流導通，使開關工作在軟開關狀態。

引腳16是MOS管驅動引腳，控制MOS管開關從而改變輸出電壓。引腳16輸出的PWM波的占空比受到以下幾個輸入信號的影響：VSENSE，Iac，ISENSE，MULT OUT和Vrms。VSENSE是電壓輸出反饋端，Iac檢測電網中的電流信號，Vrms是電網電壓有效值前饋電路，輸入的是電網電壓的有效值。這3個信號共同決定乘法器的輸出IM，ISENSE和MULT OUT作為電流放大器的兩個輸入，接電流取樣電阻兩端，電容C7，C14和電阻R8組成電流放大器補償網絡，從而使得電網的電流跟隨電壓變化。這5個輸入信號共同影響著輸出的占空比，當輸出電壓過高或電網中電流過大時，關斷16引腳。三極管Q3和Q5構成功率放大電路，增大16引腳輸出信號的功率驅動MOS管。

1.3 功率因數校正輔助電路

功率因數校正電路工作于軟開關狀態下，必須要有輔助開關的協助，而如何控制輔助開關通斷時間，使其工作在軟開關狀態下，則由功率因數校正輔助電路來實現。功率因數校正輔助電路的原理圖如圖4所示。

圖4 NE555構成的單穩態觸發器

單穩態觸發器各引腳的輸出波形如圖5所示。

圖5 單穩態觸發器輸出波形圖

由圖5可以看出，Uo總是先于Ui輸出高電平，Uo高電平持續的時間由電阻R1和電容C3確定。

1.4 DC／AC逆變電路的設計

逆變電路的目的是為了得到電致冷光膜工作所需要的110V電壓和800Hz頻率的交流信號。由于單片機輸出的SPWM波功率太小，無法驅動MOS管工作，因此，必須在兩者之間加上驅動電路，使開關器件能得到可靠的驅動信號而穩定地工作。本設計采用兩個IR2110作為驅動器件，構成一個基于移相全橋性軟開關技術的全橋逆變電路，如圖6所示。

圖6 全橋逆變電路

MOSFET開通關斷時序如圖7所示。

圖7 MOSFET開通關斷時序

電路工作過程如下：

以圖中t0時刻為分析的起始時刻。

1）t0時刻，開關管Q1關斷，電感L2中的電能給電容C11充電，直到A點電位為零時，Q3內部二極管導通，A點被箝位于零電位。

2）開關管Q3開通，此時為零電壓開通，直到開關管Q4關斷，此時，電感L3中的電流給C7充電，B點電位不斷上升，直至Q2兩端二極管導通，開關管Q2兩端電壓箝位于零。

3）開關管Q2開通，此時為零電壓開通，至此，開關管Q2與Q3同時導通，使得iL2，iL3減小到零后，繼續反向增大。

至此，全橋逆變電路的半個周期工作完畢，另外半個周期工作方式相同。

4個MOS管開關的驅動信號是由單片機輸出的SPWM決定的。為了使電路工作于軟開關狀態，要使Q1超前于Q4開通和關斷，Q3超前于Q2開通和關斷。在不考慮死區電壓的情況下，單片機輸入的4組SPWM波使得UAB波形如圖8所示。

圖8 UAB輸出SPWM波

電源輸出的波形如圖9所示。

圖9 電源輸出交流信號

2 結 語

設計的冷光膜驅動電源改變了包括韓國在內的冷光膜驅動電源的工作不穩定的問題，該電源功率因數校正電路和DC／AC逆變電路使用了軟開關技術，使得電路的pF值近似為1，同時降低了開關管的開關損耗，增加了電源的使用壽命。而且設計的驅動電源與市場上售價一千多元驅動電源相比價格便宜，大大降低了電源的成本，具有良好的發展前景。在電源設計完成之后，對其在雨天、低溫和高溫（50℃）分別進行了長達300h的工作性能測試，測試結果表明該設計穩定可靠。

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