一種LED閃光燈電源的設計

陳思遠

（武昌工學院，湖北 武漢 430065）

一種LED閃光燈電源的設計

陳思遠

（武昌工學院，湖北 武漢 430065）

文章以直流穩流電源變換電路為核心，采用LT1170芯片構成前端升壓電路，將電池的電能轉換成為恒流輸出；以光電耦合電路及差分放大器電路構成電流反饋控制系統，來調節電路中電流，以達到穩流效果。系統采用STM32單片機對電流進行采樣，通過人機交互界面完成參數設置，設定相應的電流檔位，在LCD上實時顯示測量結果。

閃光電源；直流穩流電源變換；電流反饋；人機界面

1 系統方案

1.1 升壓電路方案

系統要求的輸入電壓為3.0～3.6 V，輸出電壓為10 V，效率不低于80%。本方案采用集成芯片構成升壓電路。采用集成電路來實現，可以減少電路中元器件數量，避免了因電路功耗較大而引起的電流過小，效率低的問題。

以上設計考慮到了對升壓電路輸出穩定性及轉換效率要求，確保了系統能穩定可靠工作。

1.2 穩流電路方案

穩流電路的設計采用兩路分流法。只在四路分流中選擇兩路，在兩路分流的電流取樣之前分別加一個三極管，用于放大電流。這樣可以簡化電路結構，減少在電路中流失的功耗，從而使得轉換效率得以保證。經過實驗比較，為了使得電路穩定高效工作，減少電路耗材，采用方案二來實現電源的穩流。

1.3 單片機控制電路

單片機采用意法半導體的STM32F103RCT6，本芯片以ARM Cortex-M3為內核的STM32系列控制芯片，其時鐘頻率為72 MHz，內部資源豐富（DAC、多種定時器功能），能夠自定義低功耗模式，可以實現多路數據采集和控制。其具有豐富的庫函數可供調用，簡化了程序的開發過程。

2 系統總體方案

2.1 系統整體設計方案

如圖1所示。系統通過穩壓得到“+，-”8 V電壓作為差分放大器電源，另一路3.3 V電壓作為單片機電源，通過鍵盤輸入最終在LCD屏幕顯示，輸出電壓大于10.5 V時蜂鳴器報警。

2.2 穩流電源設計方案

如圖2所示，系統共有兩種輸入模式，分別為直流和PWM輸入，MOSFET按照所設定的模式進行開關工作，經過光耦電路再接入三極管對電流值進行放大，經電流取樣，求得取樣電流端的電壓值，再經過第一個差分放大器與單片機送入的DA電壓信號進行比較，輸出的電壓差再經過第二個差分放大器，與接地端進行比較，最終將輸出的電壓差反饋到光電耦合電路，改變發光二極管端的電流，從而又改變取樣電流端的電流值，實現恒流。其中，防過沖電路的作用是消除脈動模式下的電流毛刺。

3 理論分析與計算

3.1 升壓電路參數分析

為了提高穩流電源轉換效率，使得在輸出電壓為10 V，輸出電流為200 mA時，轉換效率達到80%以上，對于單片機和運算放大器的供電電源，直接由升壓電路后得到的電壓，經過兩個穩壓器，分別將電壓穩定為3.3 V和8 V再供給單片機和運算放大器使用，而沒有單獨進行供電，以減少電路中的功率損耗。

3.2 恒流電路參數計算

如果LED電流IF運行至輸入端，集電極電流Ic將運行至輸出端。該電流傳輸比（CTR：電流傳輸比）稱為轉換效率，該轉換效率通過公式表示。

圖1 系統原理示意

圖2 穩流電路原理

與晶體管的hFE一樣，轉換效率是晶體管耦合器一個重要的參數。

光耦輸出電壓UO的公式為：UO=CTR*Ii*Ro式中，Ii為光耦的輸入電流；Ro為光耦的負載電阻。

4 主電路設計

4.1 升壓及穩壓電路

升壓電路是該部分的基礎，主要使用芯片LT1170及其他電子元器件構成升壓電路，LT1170輸入電壓為3～60 V，輸出電壓可達到80～100 V，能夠滿足要求，電路實現簡單。

升壓及穩壓電路的工作原理是：3～3.6 V電源電壓經升壓電路，得到穩流電路的供電電壓12.5V，再經過穩壓電路送出+8 V，-8 V，3.3 V電壓。

4.2 穩流電路

穩流電路部分的工作模式分為常規恒流模式及PWM模式，以下對兩種模式的工作原理加以說明。

常規恒流模式：在該模式下，PWM信號恒為高電平，使MOSFET Q1處于導通模式，調整DC端的輸出電壓，當加載在LED D1上的電壓滿足LED導通的條件時，電流I通過發光二極管D1，Q1，光耦U1副邊流向采樣電阻R1，此時進入誤差分放大器“-”端的電壓為U=I×R1。差分放大器“+”端輸入的DA信號設定方式為：假設要設定流過LED的電流為Io，則D/A輸出電壓為UD/A=Io×R1。假設此時流過LED的電流小于設定值Io，即I＜Io，此時體現在差分放大器輸入端的U＜UD/ A，因此U2的輸出U2_out為一個大于0的數值，該數值送到差分放大器U3與“0”端再一次做誤差放大，最終得到放大后的信號Current_Ctr反饋至控制光耦U1的原邊，使原邊導通電流增大，由于光耦原邊電流If與副邊電流Is存在關系Is=CRT*If，即改變原邊電流就可以改變副邊的電流，從而改變采樣電阻R1上的采樣電壓，通過整個系統的閉環控制，最終使得要流經LED的電流I與設定電流Io相等，即I=Io，達到恒流效果。

在實現上述常規模式的條件下，通過設定所要求的PWM數量和占空比條件，使MOSFET按照所設定的PWM模式進行開關工作，則流經LED中的電流波形即為所PWM所設定的波形。

5 設計結論

在連續輸出模式下，改變輸出模式，提高電流峰值，輸出電流最大誤差不高于2%，高于要求完成的指標，當增大直流負載電阻，使電阻值過大時，輸出電壓在不高于10.5 V時報警。輸出電流200 mA，輸出電壓10 V時，效率86%左右，達到要求指標。在規定的輸入電壓核輸出電壓范圍內，輸出電流最大誤差不超過2%，優于要求的誤差指標。脈動模式下，改變脈沖周期，輸出最大誤差1%左右。

[1]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]席愛民.計算機控制系統[M].北京：高等教育出版社，2008.

Design of a LED flash light power supply

Chen Siyuan
（Wuchang Institute of Technology, Wuhan 430065, China）

This work takes stabilized DC power conversion circuit as the core, using LT1170 chip to construct front-end boost circuit and the electrical energy of the battery is converted into constant current to output; the current feedback control system composed of photoelectric coupling circuit and differential amplifier circuit is used to adjust the current in the circuit, to achieve steady flow effect. The system uses STM32 microcontroller for current sampling, through man-machine interface to complete the parameter settings, and sets the corresponding current stalls to real-time display measurement results on LCD.

flash power supply; DC constant current power converter; current feedback; man-machine interface

陳思遠（1995— ），男，湖北荊門，本科。