基於雙同步斬波模式的LED聲控燈驅動電源設計

摘要 提出了基於雙同步斬波模式的微功耗LED聲控燈驅動電源設計方法。該驅動電源用一個單片機控制兩個開關管分別為主電源和待機電源提供工作電流。主電源採用全波斬波工作模式為LED燈組提供工作電流;待機電源採用半波斬波工作模式，從而大幅降低了待機功耗。該驅動電源結構簡單，可在50～60 Hz頻率的180～250 V的寬電壓範圍內工作，具有恆流驅動功能和微功耗特性，且穩定可靠和較高的性價比。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387044.htm

關鍵詞 同步斬波;微功耗;LED;寬電壓;恆流驅動

隨著電子技術的發展，發光二極體(LED)因具有節能、環保、壽命長、高效等特點，在照明領域得到了廣泛應用。由於聲控燈的聲音採集部分全天都處於待機狀態，待機電源的功率損耗造成電能浪費。目前的聲控燈待機電源多採用電阻和穩壓管組成簡單的降壓電路為聲音採集部分提供工作電流，這種方式將220 V交流電經過整流濾波後，通過一個阻值較大的電阻降壓後，由穩壓二極體為麥克風和運放提供穩定的工作電壓，在電阻上消耗的功率較大，待機時的功率浪費較大。

本文利用低功耗MK6A12單片機和運放HA17358設計了一種可同時使兩部分電路進入同步斬波模式工作的LED聲控燈驅動電源。主電源採用全波斬波工作模式為LED燈組提供工作電流;待機電源部分通過採用半波斬波工作模式使待機損耗大幅降低。這種驅動電源結構簡單，可在50～60 Hz頻率的180～250 V寬電壓範圍內工作，有恆流驅動功能，且穩定可靠。

1 雙同步斬波式LED驅動電源設計

1.1 整體框圖

LED驅動電源總體設計框圖如圖1所示。電路主要由開關管、儲能電容、單片機、運放以及光耦等構成。

1.2 電路的組成

驅動電源工作原理如圖2所示。電路分為兩路，一路是經全波整流後由LED燈組、開關管、運放和光耦組成的主電源部分;另一路是經半波整流後由開關管和穩壓管組成的待機電源部分，待機電源採用半波斬波工作方式為單片機和聲音採集提供工作電流。同時，單片機對半波斬波部分進行過零點檢測，從而控制全波斬波部分的斬波時間。由於聲控燈對聲音進行24 h不間斷檢測，所以單片機與聲音採集部分24 h待機，在待機電源部分採用半波斬波工作模式，相比簡單的電阻降壓電路，待機功耗大幅降低。

主電源部分C1為儲能電容，R1為電流取樣電阻，R2為保護用限流電阻;輔助電源電路部分C2為儲能電容，R4為保護用限流電阻，單片機檢測R5兩端電壓然後控制開關管的導通與截止。

1.3 工作原理

待機電源部分驅動電源工作波形如圖3所示。

交流電經過半橋整流後通過R4、穩壓管D3和r5進行分壓，Q2導通，給C2充電，PB1設為輸入口開始檢測，t1時刻PB1檢測到高電平時將PB1變為輸出口並延遲1 ms，t2時刻單片機PB1關閉，Q2截止，C2開始放電，延遲7 ms後，t3時刻PB1再次打開設為輸入口，給C2進行快速充電。通過兩次陝速充電，減小了瞬時電流的峰值。

PB1口控制Q2通斷，同時檢測過零點。t3時刻，PB1設為輸入口進行檢測，R5兩端的電壓與B點電壓變化趨勢相同，t4時刻，PB1檢測到R5兩端的電壓為低電平，這一時刻的電壓值接近零，單片機將t4時刻記為過零點。單片機通過在半波斬波部分檢測到過零點，對全波斬波部分進行控制。

主電源部分驅動電源工作波形如圖4所示。

交流電經過全波整流後給LED燈組提供電流，C1充電，PB2口輸出高電平，同時PB5開始檢測光耦4腳的電壓，t1時刻R1兩端電壓>1 V，光耦4腳電壓被拉低，PB5檢測到低電平，PB2輸出低電平給運放的5腳，使Q1截止，C1開始放電。t2時刻PB1開始檢測過零點，t3時刻檢測到過零點時，PB2輸出高電平，再次給C1充電，PB5繼續檢測光耦4腳的電壓，t3時刻光耦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，由於運放6腳的電壓值最高不會超過單片機的工作電壓，所以流過R3的電流可以計算出最大值

式中，Imax為流過R3的最大電流，Umax為單片機的工作電壓。由於流過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超過1.7 A，減小了對儲能電容C1和開關管Q1的衝擊。

1.4 實測結果

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

從圖5中可以看出，電容C2提供了一個紋波很小的10 V電壓，可以使運放和單片機正常工作，充電電流的最大峰值僅有25 mA，根據佔空比得出待機的平均電流約為2 mA，待機功率約為20 mW，大幅降低了待機的功率損耗，每個周期進行兩次充電，減小了瞬時充電電流的峰值，延長了電路的使用壽命。從圖6中可以看出，光耦控制信號通過單片機使開關管導通與關斷達到了斬波的效果，從電流波形可以看出斬波效果明顯，在電壓上升時產生充電電流，且充電貢獻明顯。

2 電源特性

2.1 恆流工作特性

由圖2可知，單片機的PB2口通過運放控制開關管Q1的通斷，Q1導通時間越長，輸出電壓越大，因此為了達到恆流特性，電流信號由取樣電阻R1轉換為電壓信號通過光耦反饋給單片機。當LED燈組電流增大，取樣電阻R1上分得的電壓增加，使光耦導通，單片機PB5口檢測到低電平後，控制開關管Q1斷開，使輸出電壓降低，從而實現恆流的目的。LED燈組的工作電流

式中，UF為光耦正向電壓，UF=1.2 V(標稱值)，R為取樣電阻，R=R1=30 Ω時，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，LED燈組兩端總會得到穩定且紋波較小的180 V電壓，可以使燈組正常工作。在實驗過程中可以觀察到，輸入交流電在180～250 V的範圍內變化時，LED燈組都能穩定工作，儲能電容的充電電流隨著電壓的不斷升高而增大，充電時間隨之減少，所以電流的導通角也能隨著電壓的不斷升高而減小。這一現象表明，在實際應用過程中，當輸入電壓不穩定時，這種驅動電源依然能夠通過對電流導通角的調節使LED燈組正常工作。

3 結束語

實驗結果表明，利用雙同步斬波式開關工作的電源驅動LED聲控燈時，具有恆流工作特性，在很大程度上延長了LED燈的使用壽命，待機功耗僅為20 mW，具有良好的微功耗特性，能在180～250 V的寬電壓範圍內正常工作，且電路簡單體積小，可在LED聲控燈領域得到廣泛應用。