LED閃光燈的設(shè)計(jì)

摘 要：LED閃光燈核心是DC-DC穩(wěn)流電源變換器，原理是將電池的電能轉(zhuǎn)換為恒流輸出，從而驅(qū)動(dòng)高亮度白光LED。LED電源顧名思義就是供恒定電壓的電源，并且使開(kāi)關(guān)管處在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)源種類(lèi)有很多，比如升壓式DC-DC變換、降壓式、正激勵(lì)、單端反激勵(lì)式等等。開(kāi)關(guān)電源主要思路是，通過(guò)輸出端的采樣電阻反饋然后通過(guò)調(diào)節(jié)PWM再調(diào)整電壓輸出。

關(guān)鍵詞：DC-DC穩(wěn)流電源；開(kāi)關(guān)電源；PWM開(kāi)關(guān)

1 設(shè)計(jì)思路

制作一個(gè)0到20V的電源，利用單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用芯片SG3524產(chǎn)生500kHz的PWM發(fā)生電路，驅(qū)動(dòng)MOS管IRF9540，輸出電壓端口流端通過(guò)1K反饋電阻將電阻電壓反饋到SG3524的反饋輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制產(chǎn)生恒定的電壓。然后通過(guò)單片機(jī)控制10位DA芯片產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓輸入到SG3524的1腳即基準(zhǔn)電壓輸入端，這樣不同的基準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)不同的輸出電電壓，實(shí)現(xiàn)了電壓的數(shù)控，10位AD分辨率為1/1024，完全達(dá)到0到20V步進(jìn)0.1V。系統(tǒng)電路共分MCU控制部分，DA轉(zhuǎn)換部分、DC/DC變換部分，液晶顯示、按鍵輸入部分。其中DC/DC部分是重點(diǎn)部分。

2 方案設(shè)計(jì)、論證與選擇

（1）MCU部分采用STC89C52單片機(jī)。這種單片機(jī)兼容MCS51指令系統(tǒng)，3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷且具有低功耗空閑和掉電模式，其軟件可以設(shè)置睡眠和喚醒功能。STC89C52單片機(jī)運(yùn)行速度比AT89C5單片機(jī)快，并且自帶A/D轉(zhuǎn)換，在下載程序方面，直接串口就可以下載，故選擇STC89C52。（2）開(kāi)關(guān)電源（DC/DC變換部分）采用開(kāi)關(guān)管（CMOS管）制作DC/DC電路。此法即用PWM控制開(kāi)關(guān)管使開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這樣效率很高，但是電壓紋波大對(duì)濾波電路要求高。PWM控制節(jié)約空間比較經(jīng)濟(jì)，故選擇開(kāi)關(guān)管（CMOS管）。（3）升壓模塊采用XL6009芯片升壓。使輸入電壓升壓為10V電壓。經(jīng)多次數(shù)據(jù)測(cè)試采集比對(duì)之后，芯片在穩(wěn)定性以及效率工作上能夠調(diào)試滿(mǎn)足80%的效率要求，故選擇XL6009芯片升壓。（4）D/A電路利用TLC2543芯片。TLC2543是T1公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。（5）因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中按鍵較少所以采用獨(dú)立鍵盤(pán)；LCD液晶顯示省電且不產(chǎn)生高溫，因此選擇LCD液晶顯示。

3 單元模塊介紹

3.1 升壓模塊

本系統(tǒng)采用XL6009模塊。XL6009具有超寬的輸入電壓范圍：3V-32V，最佳工作電壓范圍：5-32V；具有超寬的輸出電壓范圍：5V-35V；內(nèi)置4A高效MOSFET開(kāi)關(guān)管，使效率最高達(dá)到94%；超高開(kāi)關(guān)頻率400kHz，用小容量的濾波電容即能達(dá)到非常好的效果，紋波更小，體積更小。本模塊相對(duì)于LM2577的三極管推動(dòng)方式轉(zhuǎn)換效率更高；且是可調(diào)的升壓模塊，可以通過(guò)調(diào)節(jié)模塊上面的精密多圈可調(diào)電位器來(lái)改變輸出電壓。

3.2 D/A模塊

本系統(tǒng)采用TLC系列芯片，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；并具有分辨率較高的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單因此在在本系統(tǒng)中可以完成轉(zhuǎn)換任務(wù)，所以選擇TLC2543芯片。

3.3 開(kāi)關(guān)電源（DC/DC變換部分）模塊

如圖1所示，利用開(kāi)關(guān)芯片SG3524專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)電源芯片產(chǎn)生500kHz的PWM信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管IRF9540然后通過(guò)儲(chǔ)能原件電感對(duì)外電路提供電流，輸出電流端通過(guò)R14的1K電阻將電阻電壓反饋到SG3524的反饋輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制產(chǎn)生恒定的電壓。然后通過(guò)單片機(jī)控制10位DA芯片TLC5615產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓輸入到SG3524的1腳即基準(zhǔn)電壓輸入端，這樣不同的基準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)不同的輸出電流。其中2200UF電容起到濾波作用，二極管起到保護(hù)反像電流的作用，1K電阻和10K精密可調(diào)電阻構(gòu)成分壓電路，將輸出電壓分壓后采樣電壓反饋到輸入SG3524的反饋輸入端，然后進(jìn)行閉環(huán)控制PWM使得輸出穩(wěn)定電壓。增加PWM鎖存器使關(guān)閉作用更可靠；比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到PWM鎖存器，鎖存器由關(guān)閉電路置位，由振蕩器輸出時(shí)間脈沖復(fù)位。這樣，當(dāng)關(guān)閉電路動(dòng)作，即使過(guò)電流信號(hào)立即消失，鎖存器也可維持一個(gè)周期的關(guān)閉控制，直到下一個(gè)周期時(shí)鐘信號(hào)使鎖存器復(fù)位為止。

3.4 MCU控制模塊

此模塊由單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊、獨(dú)立鍵盤(pán)及報(bào)警4個(gè)模塊組成。本模塊可以通過(guò)單片機(jī)控制選擇電流并顯示在LCD屏幕上，當(dāng)?shù)刃е绷髫?fù)載電阻過(guò)大時(shí)，輸出電壓限幅值高于10.5V并報(bào)警。

4 測(cè)試結(jié)果

剛開(kāi)始測(cè)試結(jié)果不符合要求，通過(guò)不斷的調(diào)試計(jì)算數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電路損耗和芯片選擇不合適，影響了輸出結(jié)果，通過(guò)更換芯片后測(cè)量輸出結(jié)果可以達(dá)到要求。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1

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作者簡(jiǎn)介：鄭凱（1986-），男，陜西省戶(hù)縣人，工作單位：西安交通工程學(xué)院，職務(wù)：教師，研究方向：控制類(lèi)。