驱动电源设计

关键词： 芯片 电源 电路 驱动

驱动电源设计（通用6篇）

篇1：驱动电源设计

led灯具电源驱动方案设计

方案是从目的、要求、方式、方法、进度等都部署具体、周密，并有很强可操作性的计划。有关灯具的电源驱动方案设计，欢迎大家一起来借鉴一下！

一、项目基本情况

1.1 项目建设需求

多功能礼堂舞台演出显示系统分为主屏、辅屏和会标屏3个部分。主屏建设需求是建设大幅面、高清晰度的大屏幕，显示多个计算机数字信号、本会场摄像、远程监视或异地会商的视频信号等，实现摄像、讲解资料、视频会议等画面的显示，同时还要兼顾舞台演出背景；辅屏建设需求是显示一个标清信号，实现会议辅助内容的显示，也可用作演出时的报幕、字幕等；会标屏则需要显示多种颜色的文字。

礼堂舞台部分宽20m、深17m、高18m， 台口处宽15m、高7.8m ；舞台上方安装灯光、幕布等舞台机械装置；台口两侧耳墙距地面3m，宽8m，高6m。设计主屏显示面积至少72㎡（12m×6m），屏前是主席台会议和演出的场所，屏后则是演员通过和维护空间，第一排观众距屏至少17m ；辅屏在耳墙上，显示面积至少12㎡（4m×3m）。

二、影响室内LED显示屏质量的关键技术

室内LED显示屏在设计屏体时，要考虑显示内容、场地空间条件、显示屏尺寸或像素大三个重要因素，同时要确保生产工艺、技术指标等适合室内实际应用需求，再结合项目造价，进行合理设计。

2.1 LED显示屏点间距

视觉颗粒感主要来自人眼有一定的分辨力，在一定距离观看两点，当两点紧密到一定程度时，人眼将无法分辨。近两年随着LED显示屏制造技术的提高，小间距LED显示屏体分辨率不断提升，室内显示设计已从初始选择最小的点距规格方案提升到选择合适的点距规格方案。

表1 将比较典型的联诚发室内LED显示屏规格对比，P1.6、P2、P2.5、P3、P4、P5为室内常用规格，“P3”表示像素点距为3mm，最小视距为人眼分辨不出像素点颗粒的距离，但这个距离长时间观看会损伤视力，最佳视距为观看屏幕舒适的距离，也是最清晰的距离。

通过表1 对比可以看出，P1.6、P2、P2.5 三种规格，最小视距和最佳视距非常接近大平板电视的观看要求，整屏分辨率高达4800×2400，在同样的屏体上可以显示更清晰的画面，但在12m宽的屏幕上显示一个高清信号需要放大3～4倍，显示两个高清画面需要放大2 倍；同时高分辨率显示需要高性能的图像处理设备，系统的整体造价会很高。P4、P5 两种规格在12m 宽的屏幕上无法同时显示两个高清画面，不能满足高清会议电视画面显示要求。P3 即可满足同时显示两个高清画面的要求。根据显示屏幕大小，最终选定性价比较高的P3 作为项目主屏和辅屏的显示点距，选定P4 作为会标屏的显示点距。

2.2 封装技术

决定LED品质的一个因素是主要材料，如芯片、支架、胶水（环氧树脂）、金线等，另一个因素是封装工艺。像素封装技术关系到整个显示屏的色彩饱和度、视角等显示效果和生产成本、质量稳定性等，是选择LED显示屏非常关键的指标之一。

室内LED主流封装技术主要有表贴SMD、直插DIP模式。表贴是指将封装好的发光管粘贴在电路板上，然后进行集成电路焊接工艺加工成屏体。它散热性好、色彩均匀，整个显示屏可以正面维护，大大减小了维护成本和难度；同时，在封装过程中进行填充金属化合物，混色效果好，发光柔和，更适合室内应用。直插模块是将发光管封装成长方型，然后把红绿兰3 个管拼在一起做成一个像素点模块，直接安插在PCB 板上焊接，工艺相对简单、成本较低，坏点率高，主要应用于户外显示屏。

室内屏的像素结构有表贴三合一和表贴三拼一（分离表贴）两种方式。

三合一表贴是指红绿蓝3 个发光点封装合成在同一个发光管里面，近看是一点， 放大看就是3 个发光点分离的一条线，对生产环节的材料和工艺要求高，主要用于小间距、高密度高端LED显示屏的生产。

三并一表贴（分离表贴）是指红绿蓝3 个发光点是分开封装的，封装后排列成1 个像素点，再封装1 个面罩保护，能防尘、防划，并能保护发光晶片。三并一是分离表贴，三点分开供电，功耗小，且可实现单灯维修，成本较低。

一般来说，为了提升室内屏的显示效果，选用表贴三合一、黑灯技术、金线封装等。

2.3 LED控制电路的设计

LED控制部分是决定显示效果的核心部分，控制电路内置高性能单片微型控制芯片。控制器通过内部控制程序向LED驱动芯片发送控制信号和数据，LED驱动芯片接收到信号后，产生相应的动作，从而对每一路红、绿、蓝LED发光芯片实现单独控制。

2.3.1 驱动系统

LED驱动部分的功能是接收颜色数据并驱动LED显示屏按该数据所表示的亮度值显示，通常有恒流、稳压、恒压-恒流3 种方式。

恒流驱动电路输出的电流是恒定的，输出的直流电压随负载阻值变化而变化，整个电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。稳压电路输出固定电压，输出电流随负载的增减而变化，整个电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。先恒压再恒流方式是最理想的驱动电路，既要检测LED电流，又要控制LED电压，有利于提高LED寿命，减小功耗，一般用于高档LED产品中。

2.3.2 控制系统

LED的显示效果取决于通过它的电流与电压的大小、时间等，所以控制系统主要是控制LED的电源输出。目前，PWM（脉冲调制）控制方式设计的LED电源，转换效率高达80%～90%，且输出电压或电流十分稳定，属于高可靠性电源。

PWM可以控制LED开和关的时间比例，通过将时间比例划分为若干等级，使LED显示出相应数量的灰度等级（灰阶）。三基色的灰度等级的乘积，是显示屏理论上可以再现的颜色数量，一般为256 级，颜色数达到16.7M，就可显示24位真彩色的信息。

一般PWM 的频率大于100Hz，否则在观看时会有显示的闪烁和扫描线。现在灰度等级为10 位的大屏，刷新频率大多为800 ～ 1000 Hz， LED行业最高刷新率为6800Hz。在摄像机正常取景及转动下，LED屏体画面显示稳定无闪烁，而且在最高刷新率下灰阶过度顺滑，没有串色。

2.3.3 驱动系统与控制系统的组合

LED作为电路的负载，与驱动系统、控制系统的电路连接关系到整个显示屏的稳定性，一般有串联、并联、混联3种方式。串联方式是可靠性不高的连接方式，常用于低端产品中，在稳压驱动电路中，当某一颗LED发生短路时，分配在其他LED的电压将升高，容易造成更多损坏。

并联方式适用于电源电压较低的产品，恒流驱动电路中，当某一颗LED断开时，分配在其他LED的电流将增大，容易损坏电路上所有的LED。

目前为了提高产品的可靠性，一般采用混联方式，串、并联的LED数量平均分配，分组并联，再将每组串联在一起，这样分配在一串LED上的电压相同，通过每一颗LED的电流也基本相同，LED亮度一致，同时最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

整个显示屏由多个模组单元拼接而成，为了保证供电和数据的可靠性，也必须采用混联方式，实现环路备份功能，当某一路电源出现异常故障时，其他电源会自动进行智能均流，从而不影响到系统的正常使用，更有效提升系统的无故障运行时间，减少故障维护时间。

2.4 会议摄像对屏体的特殊要求

虽然高刷新率能够保证即使在高速摄影机的拍摄下，大屏幕仍能及时响应，画面转换、过渡更平滑流畅 ；但在使用过程中会发现，当摄像机镜头对准 LED

显示屏时，偶尔会出现莫名其妙的水波一样的条纹和奇怪的.色彩，并且随着拍摄角度的变化、摄像机镜头焦距的调节，水波纹还会发生一些变化，十分影响直播和录制的显示效果，这就是电视摄像数字化带来的摩尔纹现象。

如果感光元件 CCD（或 CMOS）像素的空间频率与影像中（LED）条纹的空间频率接近，就会产生摩尔纹。既然摩尔纹现象是由 LED 显示屏的固有结构产生的，如果使摩尔纹产生的条件——LED 显示屏的网格结构或摄像机 CCD（CMOS）的网格结构的其中之一消失，理论上就可以完全消除摩尔纹干扰 〔3〕。国内公司在 LED 显示屏表面叠加一层光学处理幕，该幕由特定比例的特殊吸光材料与表面微珠透镜涂层组成，通过光学幕的使用，使 LED 屏幕从原来的网格状发光变为连续的面发光，通过对离散的 LED 像素点进行放大显示，最终在光学处理幕表面形成连续的高清晰图像，在提高对比度的同时，保留了较高的清晰度，而且消除了摩尔纹现象。

三、室内LED 显示屏室内安装设计

3.1 确定安装位置

主席台宽 15m，两边有侧台和侧幕，设定宽 12m、高 6.2m的显示屏，既不影响视频会议显示，又不影响演出背景显示，采用 P3.1规格的产品，可以显示 1 个满屏的全高清视频图像，也可以同时无损显示 4 个高清视频图像。

屏体的安装位置与最佳视距、视角有直接关系。GB50464-2008《视频显示系统工程技术规范》中数据和像素中心距公式H=k ？d。其中H 为最大视距 ；k 为视距系数，一般取 345；d为字符高度，字符为 16 点阵汉字。根据公式计算，理想视距H = 345×16×3.125 = 17.25m ；最小视距为= 1/2理想视距= 8.6m。综合两个距离，结合主席台的应用情况、会议区摄像及电视的摆放位置，建议第一排首长观看 LED 大屏幕的最佳距离为 18.3m。

根据人眼的视觉特性，人眼对垂直视角 15°、水平视角30°的长方体看得最清晰，不易疲劳。根据测算，第一排首长距离 LED 屏幕为18.3m，屏高6.2m，屏宽 12m，垂直视角α=16°，水平视角β 为 36.3°，效果比较理想。视觉计算如图 1、图 2 所示。

经测算，大屏幕安装在主席台上，屏后安装维护空间及通道 5m，屏前距主席台边沿 12m，屏体安装距地面 1.35m。

3.2 安装基础设计

LED大显示屏都是由若干个箱体组成，业界分为简易箱体和标准箱体（也叫防水箱体，有后盖）。户外的屏一般都用防水箱体，户内多用简易箱体。 LED芯片封装为像素后，按照一定规则排列在电路板上，封装并进行防水和加固处理，形成一个模组，模组分辨率一般为 64×48，多个模组组合封装在一个箱体中，就形成了箱体单元。每个箱体单元可作为独立的显示单元进行通电和数据显示测试，以某品牌产品 P3.1 为例，箱体单元的参数如下 ：尺寸 （W×H×D） 为0.4m×0.3m×0.1m，分辨率为 128×96，重量为 5kg（40 kg/㎡），平整 度 ≤ 0.2mm， 峰 值 功 耗 120W（1000W/㎡），平均 功 耗40W（330W/㎡）。

3.2.1 电源设计

礼堂属于重要场所，按二级负荷设计。该项目采用两路电源同时供电，当发生电力变压器故障或线路故障时，不致中断供电，另一路电源能负担全部负荷。根据《视频显示系统工程技术规范》，结合厂方设计参数，LED 显示屏满负荷用电功率，按每平方米 1000W 计算。主屏、辅屏和会标屏总负荷为 110kW，平均功率为 36.3kW。按照 LED 电源功耗设计安全规范，电源功率设计时要留有余量，一般电源的功率= LED 的功率 ×1.2，则项目中 LED 显示屏的总功耗为 132kW。

LED器件抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压的能力。在电源设计时，一是要设计智能配电箱，能够实时监测整个 LED 显示屏的负载运行情况，二是在配电前端安装UPS 或净化电源，三是对电源线进行合理的规划。项目的电源配置考虑到 UPS 的功率因数和最佳运行效率，UPS 额定功率为 132/0.8=165kV · A，电源型号为 GES-NT 160kV · A 模块化 UPS。在地下一层配电室安装 160 kV · A UPS 和蓄电池柜（后备时间 0.5h），从总配电汇流铜排压线引接 120m㎡4+1电缆至 UPS 输入输出配电柜 350A 空开，直接引接至 UPS 输入，UPS 输出引接至 UPS 输入输出配电柜 300A 空开，下引90m㎡4+1 电缆引接至 LED 大屏智能配电箱。

3.2.2 LED箱体安装

LED显示屏箱体有铁箱体、铝箱体和压铸铝箱体，3 种箱体应用于不同场合。压铸铝箱体主要用于高端和租赁，其特点是 ：模块化，连接简单，无风扇自然散热，超静音，效果较好，本项目采用的是压铸铝箱体。箱体安装维护支架为宽 12m、高 6.85m、深 0.8m，主屏箱体重量为 2976kg，箱体维护支架重量与箱体重量大致相同，整个屏体安装总重量为 6t，承重面积为 9.6㎡（12m×0.8m），每平方米要承受 625kg 的重量，因为舞台下面为没有支撑立柱的地下室，所以需要在LED 屏体下面安装一个 12m×1.2m 的承载基础，扩大承重面积。辅屏重量为 480kg， 耳墙中部有横梁，填充部分为空心砖，先在横梁上安装承重框架，而后把箱体固定到框架上。

LED显示屏钢结构架体应严格按照确认后的设计图纸、《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）及其他现行施工验收规范要求进行施工，框架、支撑架、显示屏箱体、控制器箱体等产品构件应安装牢固、结构稳定、边角过渡圆滑，无飞边、无毛刺，各种固定螺栓紧固，金属构件需接地良好。在北方，人体静电、电路静电都会给LED显示屏带来意外伤害，要可靠地实现工作接地，把数字电路等电位与大地相接，建立 LED显示屏系统静电荷泄放通道。

3.3 系统安装调试

LED显示屏发展到小间距、高密度 TV屏，物理像素间距已经不是制约其显示清晰度的主要因素，不能用高显示分辨率替代清晰度。显示屏的清晰度是人眼对显示屏分辨率、均匀性、亮度、对比度等多项因素综合的主观感受，而要达到主观感受的一致性，首先要LED各项性能参数一致。这就要在前期元器件筛选、LED参数细分的基础上，进行后续的精确校正。

3.3.1 屏体像素亮度、色度均匀性要求

在生产制造各环节，对LED参数的均一性会产生不同的影响，同时在故障板更换后，不进行调整会出现明显的亮区；为使各种显示图像平滑、色彩还原真实、亮度均匀，需要对特定区域特定像素进行逐点亮度、色度均匀性的调整。

3.3.2 色彩还原技术要求

目前各种LED显示技术尽管一般都采用 RGB作为三基色，但是三基色对应的色坐标是不完全相同的，部分产品存在色彩饱和度高和色域不完整的问题，需要严格按照色彩理论进行光强和色坐标校正，确保显示出理想纯净的颜色，实现显示屏的动态白平衡。

3.3.3 快速运动图像补偿技术

LED显示屏是按逐行方式进行显示的，而摄像机视频信号采用隔行扫描方式，在隔行向逐行转换中对静止画面和运动画面应采取不同处理方法才能既保证静止画面的清晰度，又能去除运动画面的拖尾现象。

3.3.4 单点校正技术

单模块亮度、色度校正技术可以实现对单个模块进行亮度和色度的校正，该技术很好地解决了屏体更换模块后，新模块与旧模块之间的色差问题。单点校正系统会对每个显示屏单元板中的每个像素进行单独控制，包括其亮度和颜色的控制，以获得前所未有的均匀度，生成最为清晰的图像。同时，为了提高色彩还原度，减小图像在处理与传输过程中的衰减和失真，选用性能可靠的图像处理器和光纤传输器也是很有必要的。

四、总结

本文针对多功能礼堂舞台演出和高清视频会议显示需求，从点距选定、像素封装、视距确定、电路设计、安装基础及系统调试等方面入手，分享关于联诚发室内LED显示屏设计经验，希望对从业人员、工程商等朋友们有所帮助，促进交流进步。

篇2：驱动电源设计

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篇3：驱动电源设计

压电叠堆具有输出力大、频率响应速度快、输出位移大、换能效率高、可采用相对简单的电压控制方式等特点在机械制造、超精密加工、生物工程、医疗科学、光纤对接、光学微处理系统和航空航天等领域得到了广泛应用[1]。

非共振型压电电机使用压电叠堆作为激振元件,压电叠堆在直流电压下产生大变形用以驱动电机。压电叠堆具有比较大的电容, 一般几百nF以上,驱动过程中, 对电源的带负载能力要求较高,如何实现比较好的驱动效果为研究热点[2,3,4]。在产生压电叠堆的驱动信号时,一般采用先产生方波,再对输出的方波信号进行滤波方式,这对滤波器提出了较高的要求,需配备相当大的电感,在实际应用中不适用。实验室常用的信号发生器可以生成良好地正弦波信号,但一般只能输出一路信号,若是采用多个信号发生器组合输出多路信号,将不能保证两两之间的相位差。针对自行研制的新型压电直线电机,提出了基于可编程片上系统(PSOC3)的驱动电源,在进行电路仿真后搭建了实际电路板并进行了相关实验,取得了较好的驱动效果。

1 驱动要求

本研究所研制了一种新型的双驱动足非共振压电直线电机,其定子结构如图1所示。将两个驱动足并排放置可构成双驱动足。驱动足底部装有两组压电叠堆,压电叠堆一端由支架固定,另一端贴在驱动足上。当对压电叠堆施加交变电压时,由于逆压电效应,压电叠堆端部产生位移,带动驱动足工作。当施加在两组压电叠堆上的两路驱动信号为正弦信号且相位差为90°时,两组压电叠堆产生相应的正弦波位移。由于两组叠堆空间上也相差90°,所以这两个位移在驱动足上进行合成,可使驱动足顶端形成椭圆运动。将两个相同的驱动足并排放置,通过控制驱动信号的相位差,分别控制四组压电叠堆,可使两个驱动足交替驱动。

根据负载特性以及电机的运行机理提出了对驱动电压的总体要求:

a.为了防止压电叠堆退极化,驱动信号应带有正向直流偏置,输出电压范围0～150 V;

b.为交替使驱动足交替运行,四路正弦电压两两相位差为90°,且相位差稳定;

c.根据压电叠堆的位移频率特性,工作频率选定在0～3.5 kHz[5];

d.由于负载呈容性特性,所以驱动电源输出级要有较大的电流输出能力。

2 驱动电源总体设计

图2为双足非共振压电直线电机驱动电源的原理框图,由信号产生、运算缓冲、功率放大、直流升压四部分组成。其中,信号产生模块由Cypress公司的第三代嵌入式控制器PSoC3实现;直流升压模块用来获得较高直流电压为功率放大电路供电;运算缓冲模块用来缓冲和放大信号;功率放大模块采用分流电路以提高驱动电源的带负载能力。

3 驱动电源模块设计

3.1 信号产生模块

稳定、可调的输入波形是驱动器的关键之一,现利用可编程片上系统(PSOC3)硬件配置灵活的特点,设计了基于存储器变换技术波形发生器,其线路简单,无需偏置电路,调试方便,而且是可编程的,可根据实际需要方便的修改波形。顶层模块设计原理框图如图3所示。

波形存储器存储的是带偏置的正弦波信号波形离散后的数字量,更改存储器中的波形数据即可改变输出信号偏置范围。当偏置正弦波信号一个周期内取256个样点,即用256个基准时钟脉冲形成完整的一个周期的正弦波波形,而量化等级也取256(对应于8位)时,产生的正弦比失真度仅为1%左右[6]。增加采样点数和量化等级可进一步降低失真度。为了提高CPU利用率,采用DMA进行数据传输。DMA 传输对于高效能嵌入式系统算法和网络是很重要的。DMA 组件使数据能传输至存储器、组件和寄存器,并从其中传出。控制器支持 8 位宽、16 位宽和 32 位宽的数据传输,并且可以进行配置,以在具有不同字节序的源和目的地之间传输数据。drq终端使得硬件(Timer)能够发出DMA请求,同时由应用程序编程接口函数对DMA的Channel和Td进行设置,数据便可以由存储器传输至DA转换器。

对输出波形进行调频有以下两个方法,一:更改Clock的Frequency设置;二:通过UART模块与PC机通信,利用void Timer_WritePeriod ()对Timer的周期进行更改。

为输出相位差分别为90°的四路偏置正弦信号,只要将对应的编码值依次偏移

90°,得到四张波形编码真值表。把这四个编码值表固化在波形存储器即可。改变偏移量即可实现输出信号的调相。只要外部的时钟频率稳定,四路输出信号的频率也是十分稳定的。即使时钟频率发生变化也不会影响输出信号之间相位差。

3.2 直流升压模块

由于本部分升压程度较大,所以放弃使用斩波电路。正激、反激电路由于漏感较大,使得输出电压纹波较大,而推挽电路驱动电路简单,且任何时候最多只有一个开关元件工作,对于输出相同的功率,开关损耗比较小,适合低电压输入高电压输出升压电路,设计选择推挽电路作为直流升压电路。直流升压电源工作原理为:由于驱动电路作用,两个功率开关管交替导通,使得低压输入变为交流输入,再由高频变压器升压后获得高压交流电,最后经高频变压器二次侧进行整流滤波,获得高压直流输出,控制电路将调整占空比,保持输出电压的稳定。

3.3 运算缓冲级

由于驱动电路的输入信号来自D/A转换器,没有带负载能力,因此,为保证输入信号不失真,后置电路必须是高输入阻抗电路,需选用高输入阻抗低噪声通用运算放大器组成输入缓冲。LM318运算放大器是美国国家半导体公司生产的通用型运放系列中速度最快的器件。与其它种类的通用型运放相比具有电压转换速率高、频带宽、输出动态范围大、较完善的保护电路等突出优点。考虑到叠层压电叠堆为大容性负载(500 nF),运算放大级增加了一个缓冲放大器。这种方法有助于电容负载与运放输出的隔离,同时两级放大也增大了驱动电路的频率范围(运算放大器的增益带宽积为常数)。通过改变运放增益,可以方便地调节输出电压。

3.4 功率放大级

功率放大级是决定整个高压放大器的一个关键,与双极性晶体管相比,功率MOSFET具有线性度好好、基极驱动功率小 饱和压降低、无二次击穿等优点,因此在高压中应选用MOSFET作为放大管。由于N沟道MOSFET较易实现高压,而P沟道MOSFET相对较难,且价格较贵,因此采用低栅极电荷N沟道MOSFET管[7,8,9],功率放大电路如图4所示。静态工作点的设置使MOSFET管工作在线性放大状态。

由于电源输出为偏置正弦波,所以可将电源电压分解成傅里叶级数,看作由恒定直流分量和正弦交流分量的叠加。

因为电容不通直流,直流电压全加在电容两端,所以输出的直流电压就是偏置电压。

对于交流分量

$X{}_C=\frac{1}{2\pi fC}$;$\left|{\rm Z}\right|=\sqrt{R{}^2+X{}_C^2}$。

所以交流输出为

$U{}_2=\frac{U{}_1}{\left|{\rm Z}\right|}X{}_C$。

为保证输出波形幅值基本不衰减,需满足 ,电机每个压电叠堆电容为500 nF,设定最高频率为2 kHz,则可以进一步确定R5值。在R5值确定的情况下,若要提高该驱动电路的频率范围必须进一步提高该电路的最大输出电流,所以设计了分流保护电路。R3、R4、Q1和Q2 构成分流保护电路,当输出电流增大到一定数值,R3、R4上的电压达到晶体管开启电压,Q1、Q2就会导通,实现为功放管分流。

4 仿真及实验

4.1 电路仿真

为分析所设计驱动电路的幅频特性和相频特性,本研究借助于multisim软件进行了仿真分析,仿真结果如图5所示。

上半部分是电路的幅频特性,下半部分是电路的相频特性。通过仿真结果可以发现,在低频范围内,幅频特性曲线和基本水平,说明电路增益稳定,相频特性曲线基本水平,说明输入输出相移为零,可以满足驱动要求。当频率高于2 kHz时,输出和输入之间产生比较大的相位差,当频率高于10 kHz时,输出波形幅值衰减比较大,实际放大倍数减小,所以该放大电路适用于低频下的应用。

4.2 实验

根据本课题组设计的电源搭建了电源样机如图6所示。

在驱动信号频率1 kHz,电压峰峰值80 V,并且带有+50 V直流偏置的条件下,进行了实验研究,驱动器输出波形如图7所示。

从实验波形可见,四路输出波形峰峰值为80 V,相位两两相差90°,并且带有+50 V的直流偏置,输出波形失真较小。

在驱动信号频率1 kHz,电压峰峰值80 V的条件下,由激光干涉仪测得电机输出位移时间特性曲线如图8所示。从实验结果可以知道,电机的双驱动足在四路信号激励下有效地实现了对导轨的交替驱动。

5 结论

本文设设计并制作了一种基于可编程片上系统(PSOC3)的电机驱动器。该驱动器能够产生带直流偏置四路两两相位差

90°的正弦波功率信号,仿真结果和实验结果验证了该驱动器可以满足双驱动足式非共振压电直线电机的驱动要求,实现了双驱动足的交替运行。

摘要：设计了一种基于可编程片上系统的新型驱动器。根据非共振压电直线电机的驱动要求,设计了四路相位差分别为90°的正弦信号发生器。采用嵌入式芯片作为主处理器,结合直接内存存取数据传输技术,增大了输出信号的频率范围,提高了嵌入式系统的效率。设计了运算缓冲和线性功率放大电路,并对该电路进行了幅频特性分析。将设计的驱动器应用于非共振压电直线电机,电机驱动足交替运行,驱动信号稳定。

关键词：非共振,交替驱动,直接内存存取,线性放大

参考文献

[1]赵淳生.超声电机技术与应用.北京:科学出版社,2007

[2]王宏,钟朝位,张树人.压电陶瓷驱动器线性动态驱动电源的研制.压电与声光,2004;26(31):189—191

[3] Wallenhauer C,Kappel A,Gottlieb B,et al.Efficient class-B analog amplifier for a piezoelectric actuator drive.Mechatronics,2009;19:56—64

[4]刘岩,邹文栋.一种高速压电陶瓷驱动器驱动电源设计.压电与声光,2008;30(1):48—52

[5]孟益民.压电直线电机及其驱动控制的研究.硕士学位论文,南京:南京航空航天大学,2009

[6]赵明富,包明.存储器函数变换技术及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2004

[7] Gray P R,Hurst P J,Lewis S H.模拟集成电路的分析与设计.4版.张晓林,译.北京:高等教育出版社,2003

[8] Allen P E.CMOS模拟集成电路设计.2版.冯军,译.北京:电子工业出版社,2005

篇4：驱动电源设计

【关键词】LED照明；开关电源；恒流驱动；调光控制

1.引言

随着全球能源紧缺的状况日益加剧，大力发展节能环保产品势在必行。采用发光二极管（LED）作为发光源的半导体照明因具有节能、环保、体积小、长寿命的特点，成为颇具优势的绿色节能照明光源。为加快发展中国的半导体照明产业，科技部于2003年成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”协调组织实施国家半导体照明工程。在新颁布的《轻工业“十二五”发展规划》中，照明电器产业被列为八个“重点行业技术改造工程”之一。2011年11月，发改委公布了白炽灯的淘汰路线图，传统高能耗的白炽灯将逐步淡出人们的视野。LED照明产品的驱动电源设计选择既具有电源设计的普遍性又有它的特殊性。

2.LED的特性与驱动原理

2.1 LED的电气特性

从白光LED诞生以来，LED用于常规照明领域成为可能。随着近年来大功率白光LED的出现与发展，它已进入人们的生活照明、道路照明、工业照明等各个领域。

LED作为二极管的种类之一，具有同普通二极管相似的V-I特性，它的开启电压要大于普通二极管。当外部施加电压大于开启电压后，电流将以正向电压的指数倍增加。（如图1）在LED导通后一定电流值范围内，其发光亮度与电流值几乎成线性正比关系。故外部微小的电压变化都会引起发光亮度的显著改变。而过大的正向电流会使LED发热，LED的光效会随着温度的升高而降低。并且持续过热会严重影响LED的寿命甚至造成其损坏。

2.2 LED的驱动方式

传统的白炽灯直接使用交流市电，荧光灯需要高压启辉。而LED的驱动有别于传统光源的驱动方式。为避免LED工作电流超出其最大额定范围而造成损坏，需要用恒流方式加以限制。在照明产品应用中，LED多数是以串并联组合成灯珠阵列的方式作为光源，为保证阵列中各个LED单元亮度的一致性，也决定了应采用恒流的驱动方式。

2.3 恒流电源的工作原理

在应用单颗或单串LED且负载功率较小的时候，通常会用在LED串上串联限流电阻的方式来实现稳流。在LED负载功率稍大时则使用线性恒流稳压器（CCR）来实现。（如图2）这种方法在小功率应用时简便易行。

但由于CCR方式效率较低，热耗散高，在LED负载功率较大时就不适用了。在大功率应用时，通常使用反馈恒流的方式。图3是一个恒流线性电源的基本模型。通过检测LED串联的取样电阻Rs两端的电压，与放大器A1参考电压比较，调整开关管Q1以维持Rs两端电压不变，即实现了负载中电流的恒定。

3.LED驱动电源的设计选择

3.1 LED照明产品分类

各种照明产品又具有各自的应用与外形特点，设计选择驱动电源时又通常使用负载功率等级的划分方法。二者相结合考虑，可按表1划分为四档，便于驱动电源的设计选择。

3.2 LED驱动电源的设计选择要点

从表1中可以看出，功率等级划分主要依据了不同应用环境下的照明需要。各个功率范围灯具所需的电源在设计选择时需要考虑其各自的应用特点。

(1)3W以下功耗的照明产品强调了小体积、可携带性等特点，作为辅助照明使用。光源通常使用单颗大功率LED灯珠，或串并联几颗低功率LED灯珠。使用12V以下的直流或电池供电。驱动电源拓扑通常使用线性电源、buck、boost等DC-DC变换，负载串联限流电阻或CCR的方式实现电流的稳定。对于电池供电的产品需要考虑使用效率较高的拓扑以提高其续航能力。

(2)3～25W等级涵盖了室内照明以及室外辅助照明等主要产品。他们功率低、体积小。受灯具外壳形状的约束，印制板布局空间在一定程度上受到限制。驱动电源拓扑可选择CCR、buck、boost、SEPIC等模型实现。对于日光灯管等建议使用隔离型反激电源拓扑进行设计以满足安全规格与电磁兼容标准的要求

(3)25～75W区间的中等体积灯具，驱动电源放置空间较大，或者采用外置，空间设计难度较小。但由于一些产品的电源会暴露于室外条件，对电源本身的防尘防水特性提出了要求，通常应达到IP65（完全防止粉尘进入，用水冲洗无任何伤害）以上的标准。并且由于负载功率的增大，电源效率需达到80%以上的设计以减小热损耗。并且在ICE61000-3-2和GB17625.1标准中特别规定了有功输入功率25W以上照明用电设备需要限制谐波电流，减小对电力系统的影响。这类产品可使用无源功率因数校正的方式进行补偿以节约成本。

(4)75W以上的大功率LED照明产品，对驱动电源提出了较高的要求。美国“能源之星”标准要求住宅用灯具功率因数应≥0.75，商用灯具应≥0.9。需要应用APFC（有源功率因数校正）提高功率因数，降低总谐波失真。电路拓扑以反激、正激为主，对于输出功率大于150W时应采用半桥、全桥等谐振与软开关变换拓扑，以提高电源的变换效率，通常应达到90%以上。

3.3 LED照明产品的调光方式

LED照明产品在有些应用中需要根据不同的环境调整的亮度。如公共场所照明，晚间需要维持一定的照明强度，而白天有日光的时候就可以降低以节约电能。这就需要LED驱动电源具备输出电流可控的功能来改变灯具亮度。

目前常见的调光方式有模拟调光和脉宽调光两种。传统的TRIAC（双向晶闸管）调光因为会导致电源功率因数与效率的大幅降低将逐渐退出实际应用。

(1)模拟调光

模拟调光又称A-Dimming调光。以一定范围内（通常是0～10V）的直流电压触发驱动电源控制器。因输入电压连续，可以对负载实现线性调光。但因调光电压范围较小，当电压值较低时易被外界干扰，使得输出电流不稳定，造成亮度闪烁。通常的解决方法是使电源输出电流在调光电压为0的时候依然有一定的输出，来屏蔽掉会发生闪烁的区间。这就使得应用模拟调光的时候亮度不能做到全暗到全亮的区间变化。

(2)脉宽调光

脉宽调光即PWM调光。如图4所示，以一定占空比的方波信号输入驱动电源的控制器，通过控制与负载LED串联FET的占空比来改变周期内负载LED的导通时间，使其呈快速闪烁状态，这样改变了LED中电流的有效值。由于人眼的视觉暂留现象，从而看到“连续”的光。占空比的范围可以从0%～100%，负载LED的电流有效值可从0调节至最大。为避免人眼看到灯具的闪烁，脉宽控制信号的频率通常使用200Hz，兼顾调光FET的开关损耗和减轻电源的电磁辐射。

对于一些手电筒以及室内照明产品等来说，使用者和灯具的距离较近，而200Hz的调光频率是在人耳的听频范围之内的，所以在这些应用场合，则需要提高脉宽调光频率到20kHz以上，避免给使用者带来不适感。

3.4 LED照明产品电源的保护特性

与普通开关电源一样，LED照明产品的电源同样需要具备各种保护功能以保证使用的安全，最基本需要包括以下三种：

①过压/开路保护：负载断路时电源为维持恒流特性会提升输出电压，当达到电压限值一定时间则切断输出，直至重新手动开启电源。

②过流/短路保护：当负载发生短路时触发，电源将限制输出电流值并间歇性自动重启，直至故障解除。

③过温保护：当电源工作温度超过一定限值时触发并停止工作，直至温度恢复正常值并手动重新开启。

在设计选择时，必须选取具备这些保护功能的控制芯片和产品使用，防止安全隐患。

4.小结

随着LED照明产品应用的推广，它将逐步进入人们生活的各个领域。根据LED本身特性的要求，设计与选择性能更加适合的驱动电源，可以提高灯具的整体寿命，充分发挥其节能环保的优势。

参考文献

[1]王志强,肖文勋,虞龙,等译.开关电源设计(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2010.

[2]赵同贺.开关电源与LED照明的优化设计应用[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3]张占松,汪仁煌,谢丽萍,等,译.开关电源手册(第二版)[M].北京:人民邮电出版社,2006.

作者简介：

张家琳（1983—），男，天津人，大学本科，助理工程师，现供职于天津光电通信技术有限公司，研究方向：LED照明，开关电源。

郑胜男（1985—），女，天津人，大学本科，助理工程师，现供职于天津三星电子有限公司，研究方向：开关电源。

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篇6：驱动电源设计

1、背景：

LED半导体照明作为一种新型的行业领域，现行认证的引用标准已不能满足快速的发展趋势。2009年11月18日UL发布的第一版UL870为业界提供了一个的用于LED发光器件为光源的灯具安规标准。在UL8750中规定电源模块(Power suplies)或驱动器(LED Drivers)可选择使用满足UL1310的CLASS 2电源、满足信息技术类安全UL60950-1要求的电源和除了UL1012标准规定以外的CLASS 2电源，在LED光源灯具的电气结构评估时对CALSS 2电源和LVLE电路可豁免较多的电气测试项目。虽欧盟到目前为止未制定一套针对LED光源灯具产品的安全标准，但欧盟一些国家(法国、丹麦等)已开始要求使用满足CLASS 2电源的LED道路照明灯具。国内LED户外照明灯具虽有UL认证，但基本上使用UL60950标准认证的电源，随着LED半导体行业的的深入发展，LED光源产品使用CLASS 2的电源驱动是将来的发展趋势。

2、什么CLASS 2 ：

UL60950-1(信息技术类设备的一般安全要求)中按其电击危险保护措施的程度将电子设备分为CLASS

1、CLASS 2和CLASS 3三类。CLASS 1类设备指除了基本绝缘为电击保护措施外，还采用了其它如接地等保护性措施;CLASS 2类设备指不只依靠基本绝缘，还采取了双重绝缘或加强绝缘为电击保护措施，其绝缘保护效果不依赖于保护性接地或安装条件;CLASS 3类设备指使用特低安全电压(SELV)方式供电且没有危险电压产生。在UL8750和UL1310标准涉及的CLASS 2电源都是满足UL60950中CLASS 2设备防电击安全保护规定的。

3、CLASS 2电源的定义：

LED灯具安全标准UL8750定义的Class 2电源(Class 2 Power Source)是指符合UL1310标准(UL1310是包含在室内和户外使用的CLASS 2电源单元的安全标准要求)要求的隔离电源供电，或符合UL5085-3的要求的低压Class 2和Class 3变压器供电的电路。UL1310定义CLASS 2电源单元(CLASS 2 POWER UNITS)为：与国际电码ANSI/NFPA70一致的，连接到15A或20A的120-240Vac分支电路中与少于150V接地，采用绝缘隔离变压器的提供直流和交流电能源，预期用于提供能源予低压、用电操作的装置。且CLASS 2电源是有限制输出电压和能源容量的设备，在任何情况的输出负载下，输入的电源不超过660W。UL1310对CLASS 2电源的装配机械结构、性能测试要求及产品标示等方面进行了规定，以下针对CLASS 2电源主要的电气性能要求及测试规范进行解析，为LED光源灯具用电源模块的UL认证提供相

关参考。

4、CLASS 2电源的可接触带电部件的电压限值：

UL1310标准中规定CLASS 2电源设备的输出端应提供输出软线、接线端子、绝缘引线或输出接线端子。在电源的防护罩、隔板或不用工具就可被拆卸的护具在拿走后，根据不同试针(图1)、活节探测器(图2)或可触性探测器(图3)可接触带电部件的程度，对输出端最大电压有不同的要求。在测试前需要确认无绝缘的带电部件必须固定在基板或配件表面，不

能因产生回旋或位移而导致可接受的最小间距较少，同时会引致电击危险的带电部件必须被

围起或置于减少可接触危险的地方。

4.1 CLASS 2电源外露接线端可接触的最大电压要求及测试方法：

CLASS 2外露接线端可接受的带电部件最大电压在使用探测器(图2所示)不超过25N(5.62磅)力作用下，不可有超过以下电压的带电部件触碰到探测器：1)、正弦或非正弦的交流电峰值42.4V;2)、连续直流电42.4V;3)、受相等或少于200Hz频率，约50%占空比的直流电峰值24.8V;4)、直流与交流电混合峰值42.4V;

4.2 CLASS 2电源非外露接线端可接触的带电部件的最大电压要求及测试方法：

CLASS 2电源非外露接线端可接受的带电部件最大电压为：在使用试针(图1)和活节探测器(图2)不超过4.4N(1磅)力作用下，不可有以下电路和超过电压的带电部件碰触到试针和活节探测器：1)初级电路;2)正弦或非正弦的交流电峰值42.4V;3)连续直流电60V;4)受相等或少于200Hz频率，约50%占空比的直流电峰值24.8V;5)图4所示的直流与交流电混合峰

值;

图1

图2

图3

图4

5、CLASS 2电源的最大输出电流和功率限值及测试方法：

CLASS 2电源的最大输出电流和功率分为能量固有限定电路(ENERGY LIMITING CIRCUIT)和非固有限定电路(NOT ENERGY LIMITING CIRCUIT)两种限值要求，测试的最大输出电流和输出伏安值应使用电流计和功率计来判定，在无负载调节时，测试样品须断电并冷却至室温

状态。

5.1、固有限定电源最大输出电流和功率的限值和测试方法：

能量固有限定电路是指把电源的输出限制在CLASS 2级别或限制于可接受的能量级别，带有固有限定电路的电源为固有限定电源(LPS)，固定限制电源在任何负载条件下(包括短路和标签上未注明时的输出线相互连接)的最大输出电流不能超过表1列明的数值，最大输出

功率不能大于100伏安。

同时在测试时需要注意以下情况：

1)当设备使用无保护装置的变压器时，须通电60S后测试;

2)当设备使用变压器和能量限制阻抗(如电阻、PTC装置或相似电路)或能量限制电路

保护时，须通电5S后测试;

3)当设备使用变压器和热断器、保险丝、或两者时保护时，须通电60S后测试，同时

将所有保护装置在测试期间失效;

4)当设备使用变压器、能量限制阻抗或能量限制电路和保护装置(如一个热断器、一个保险丝，或两者都用)保护时，通电5S后测试，同时须将所有的保护装置在测试期间失效;

5)当设备使用直流供电，同时使用能量限制阻抗或能量限制电路和保护装置(如一个热断器、一个保险丝，或两者都用)保护时，通电5S后测试，同时须将所有的保护装置在测试

期间失效;

5.2、非固有限定电源最大输出电流和功率的限值和测试方法：

非固有限定电源电路中无能量固有限定电路，需要有包含有限制输出能效和使输出端断电的离散性过载保护装置，输出电流和伏安限值不可超过表2所列明的数值。为判断非固有限定电源是否符合要求，主线连接到电源的设备需要提供测试电流给电阻负载，同时将设备的外表须裹上两层粗棉(炭化材料、灼热或炙热可燃的粗棉不可接受的)。

6、过载保护装置的限值及测试要求：

非固有限定设备中的过载保护装置的次级特定输出电流不可超过表3所列明的时间，测试过程中外壳不可有火焰或熔化金属物，不能引起有火灾或电击危险产生，同时过载保护装置的初级和次级绕组之间以及初级和外露不通电金属零件之间能承受介电电压测试。

7、CLASS 2电源的耐压限值及测试要求：

UL标准中的耐压测试相对于其他安规认证标准(如：IEC或EN标准)的要求偏低，但耐压测试的点比较多。UL1310规定CLASS 2电源设备能承受以下电压加在标准要求的个点之间测试一分钟而不出现击穿或拉弧现象是安全可靠的。

1)、初级电路和可触及不通电金属零件之间，初级和次级电路之间测试电压为1000Vac

加上两倍的最大额定电压;

2)、有多路输出且互联输出的设备，次级电路之间测试电压为1000Vac加上次级电压的总和;

3)、次级电路和不通电的金属零件直接按测试电压为500Vac;

4)、消除无线电干扰和抑制电弧的电容之间测试电压为1.414倍(2U+1000)的直流电势，V值是电源电压的有效值。

需要注意的是：如果电容会导致交流电有超漏时，电容应拿掉后再做交流耐压测试。

8、CLASS 2电源在LED光源产品中的应用分析：

led照明作为继白炽灯、荧光灯之后照明光源的第三次革命，节能优势明显。全球各个国家产业推进迅速，如日本的”21世纪照明”计划、韩国的”固态照明计划”、台湾的”新世纪照明光源开发计划”、中国的“半导体照明产品应用示范工程”计划，这些国家级半导体照明的规划都折射出各国对LED照明产业发展、产业经济与环境能源效益的重视。现时各国正积极推动LED照明计划当中，LED灯泡将列为优先导入照明产品;LED路灯切换计划亦如火如荼，预估2013年全球LED照明产值渗透率将进一步提升近2成。

相比，随着led照明应用市场的快速发展，包括Philips、Osram、GE、SPARK、COOPER、THORN等在内的全球LED照明知名厂商已逐渐在LED户外照明产品中尝试使用CLASS 2驱动电源。相比国内LED照明厂商——基于LED光源产品标准缺失、灯具集成技术及驱动电源设备技术要求较高、CLASS 2驱动电源较传统驱动电源成本弱势等客观因素，真正在LED户外照明产品中应用CLASS 2电源驱动的企业尚属少数。

9、小结：