一種嵌入式實現的智能恆流驅動器及其控制方法
2023-11-10 03:45:42 2
專利名稱：一種嵌入式實現的智能恆流驅動器及其控制方法
技術領域：
本發明屬於智能恆流驅動器方案及其控制方法，主要涉及一種嵌入式實現的智能恆流驅動器及其控制方法。
背景技術：
目前，主要的PWM(脈衝寬度調製)開關恆流驅動的控制方法有兩種，分別為電壓型PWM開關恆流控制和電流型PWM開關恆流控制。PWM開關恆流控制的基本工作原理是在系統輸入電壓、 內部參數以及外接負載發生變化的情況下，恆流控制電路根據採樣的輸出電流信號與基準信號的差值進行閉環反饋調節。由於PWM信號的頻率恆定，故只需調節一個周期內主電路開關器件的導通時間，便可控制輸入向負載傳遞的能量大小，實現系統電流的恆定輸出。對於電壓型PWM開關恆流驅動控制方法，其典型電路如圖2所示。基本原理為採樣系統的輸出電流並轉化為電壓Vsen。Vsen通過誤差放大器與基準電壓Vref進行比較放大，得到相應的誤差放大信號Vc (t)。Vc (t)再與鋸齒波信號經過PWM比較器比較後，產生對應佔空比的PWM波信號，控制開關器件的通斷時間。當輸出電流變大時，採樣電壓Vsen增大。由於基準電壓Vref不變，故誤差放大器的輸出Vc (t)減小，相應的，PWM比較器輸出的信號佔空比也隨之減小。進而，一個周期內開關管導通時間減小，使得系統的輸出電流下降，實現系統電流的恆定輸出。對於電流型PWM開關恆流驅動，與電壓控制模式不同，電流控制模式的PWM比較器的輸入由電壓控制模式中的鋸齒波信號，換成了電感電流採樣值與斜坡補償信號之和的電壓Vs。比較器的另一端仍然是輸出電壓採樣值與基準電壓的誤差放大值。每個周期開始時，時鐘信號將開關開啟，流過開關和電感的電流增大，當電流增大到Vs超過Vc⑴時，RS觸發器R端置高電位，開關被關斷。如果系統輸出電流變大，則Vsen增大，開關導通時Vs上升速度加快，Vs超過Vc (t)所需要的時間縮短。於是開關管的導通時間Ton被縮短，PWM信號的佔空比減小。進而，使得系統的輸出電流下降，實現系統的恆流輸出。但是，由於以上兩種控制方法中波形發生電路和補償電路多，整個控制電路結構複雜，且功能單一，智能控制以及多機通信等諸多功能無法實現。而目前的智能恆流控制裝置，其嵌入式晶片並不產生控制開關管通斷的PWM信號，而需要獨立的恆流或穩壓控制晶片來實現系統的恆流輸出功能。其恆流控制方法依然採用傳統的電壓型或電流型開關恆流控制。嵌入式晶片只用來實現裝置的智能控制以及多機通信等拓展功能。從而對嵌入式晶片利用不足，造成資源浪費的同時也使得整個恆流控制電路變得複雜。見專利申請號為201110397478. 9的一種智能恆流供電裝置。
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器及其控制方法，是一種輸入範圍大、效率高、可升級、電路結構簡單、輸出電流可調以及擴展功能豐的智能恆流控制系統。技術方案一種嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器，其特徵在於包括整流濾波模塊、零點檢測模塊、DC-DC變換模塊、過流保護模塊、MOS管驅動模塊和嵌入式晶片控制模塊；任意波形周期信號的火線L與整流濾波模塊的正交流輸入端AC+相接，任意波形周期信號的零線N與整流濾波模塊的負交流輸入端AC-相接；同時任意波形周期信號的火線接零點檢測模塊的輸入端，零點檢測模塊的輸出端接嵌入式晶片控 制模塊的I/O 口 ；整流濾波模塊的輸入濾波電解電容Cl的正極為正直流輸出端DC+，Cl的負極為負直流輸出端DC-;濾波電容Cl的正極同時與開關管Ql的漏極相接，而Ql的源極與續流二極體D的負極和電感L的一端相接，Ql的柵極與MOS管驅動模塊的輸出端相接；電感L的另一端接輸出濾波電解電容C2的正極和過流保護模塊的輸入端；開關管Ql、續流二極體D和電感L共同構成BUCK型DC-DC變換模塊；過流保護模塊的輸出端與負載LED陣列的正極相接，LED陣列的負極接比較器O的反向輸入端、比較器I的反向輸入端和輸出電流米樣電阻Rs的一端；Rs的另一端與電容C2的負極、續流二極體D的正極、電容Cl的負極和整流橋的負直流輸出端DC-相接；比較器O的正向輸入端接基準電壓Vmki，輸出端接嵌入式晶片的I/O 口 Pl. 2 ;比較器I的正向輸入端接基準電壓VMfl，輸出端接嵌入式晶片的I/O 口 Pl. I。嵌入式晶片控制模塊的串口管腳COM與上位機和遠程控制計算機相接。同時，MOS管驅動電路的輸入端、矩陣鍵盤和數碼管分別接嵌入式晶片其它的I/O 口管腳。所述DC-DC變換模塊為BUCK型、BOOST型或BUCK-B00ST型的DC-DC變換電路。一種利用所述嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器的控制方法，其特徵在於步驟如下步驟I :將輸入任意波形的周期信號經過整流濾波後變為直流信號，該直流信號的最低電壓滿足DC-DC的轉換要求；步驟2 :將直流信號在其一個周期T內分為η等份，採樣這η個等分處直流信號得到電壓值％、U1…Uk…Ulri ;其中，Utl為直流信號的電壓最小值；步驟3 :計算一個周期內PWM信號的η個佔空比DpDrHDfDn^Ui為η個瞬時電壓值，i為從O到η-i的整數；當DC-DC 模塊為 BUCK 型電路時，Di=UoutZUi ；當DC-DC 模塊為 BOOST 型電路時，I-Di=UiZUut ；當DC-DC 模塊為 B00ST-BUCK 型電路時，Di=Uout/ (U^Uout)；步驟4 :將該組佔空比0。#··%···Dlri存入嵌入式晶片中，並輸出與佔空比D。#···Dk…Dlri相對應的PWM脈衝控制信號；具體方法為用定時器O將PWM信號的周期固定為Ts=T/n，用定時器I控制PWM信號的脈衝寬度Tm=Ts*D，進而，控制嵌入式晶片輸出周期1；恆定，佔空比為分別為％、D1…Dk…Dlri的PWM信號；所述各點的佔空比與輸入信號的同步匹配通過零點檢測電路實現，具體方法為當嵌入式晶片檢測到零點檢測電路傳來的輸入信號電壓最低點時，嵌入式晶片依次輸出佔空比為DpDrHDfDlri的PWM信號；同時，嵌入式晶片根據雙限流控制模塊得到的輸出反饋信號調節輸出PWM信號的佔空比，具體方法為(I)根據採樣電阻Rs與設計要求的輸出電流Iwt計算採樣電壓值Vs=Rs*Iwt ；(2)根據採樣電壓值Vs設定兩個基準電壓Vrefl和Vref2，Vref(l、V,efl的選取需滿足如下條件VMf(l>Vs>VMfl，且Ve= (Vref0-Vrefl) <vp，其中，Vp為設計要求的最大輸出紋波電壓；( 3 )當系統輸入電壓的有效值或負載參數發生變化時，採樣電壓變為V's，將Vs與兩個基準電壓Vrefl和Vref2進行比較
當V's大於Vrefl時，比較器O輸出高電平，嵌入式晶片檢測到比較器O輸出的高電平後，減小輸出PWM信號的佔空比使得V's小於VMfl ；當V's小於Vref2時，比較器I輸出高電平，嵌入式晶片檢測到比較器I輸出的高電平後，增大PWM信號的佔空比使得V's大於VMf2 ；步驟5 =PWM信號經過MOS管自舉升壓驅動後控制開關管的通斷，進而控制輸入向負載的能量傳遞，實現系統的恆流輸出。有益效果本發明提出的一種嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器及其控制方法，是一種輸入範圍大、效率高、可升級、電路結構簡單、輸出電流可調以及擴展功能豐富的智能恆流控制系統。同時，當負載為LED陣列時，該系統可實現對LED陣列的調光、調色以及閃爍控制等功能。這樣，本發明就可用於實現LED照明、LED警示燈、LED顯示等裝置。本發明的有益效果(I)本發明直接根據輸入和輸出要求，預先計算出恆流輸出需要的佔空比數據並存入嵌入式晶片內，以此控制開關管通斷，實現系統的恆流輸出。(2)本發明適用範圍廣。該恆流驅動器於輸入可為市電、電池、鋸齒波、三角波和任意波形的周期信號。(3)本發明電路簡單。直接利用嵌入式晶片產生PWM開關管控制信號，省去了專用的恆流或穩壓晶片。(4)本發明通過嵌入式晶片的I/O 口直接輸出PWM信號，控制開關管通斷，易於實現負載LED的調光、調色以及閃爍控制等功能。(5)本發明系統可升級。用戶可以根據需要隨時對系統進行升級，使該恆流驅動器能更好地滿足用戶需求。(6)本發明擴展功能豐富，可實現多機通信、遠程控制以及系統參數顯示等功能。(7)本發明採用軟體實現恆流驅動器的軟啟動和軟關斷功能，避免衝擊電流對設備造成損害的同時簡化了系統電路。
圖I :現有技術的電壓型PWM開關恆流驅動電路；圖2 :現有技術的電流型PWM開關恆流驅動電路；圖3 :本發明的恆流控制系統框圖；圖4 :本發明的恆流控制系統電路原理圖。
具體實施例方式現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述如圖4所示，本實施實例包括整流濾波模塊、零點檢測模塊、DC-DC變換模塊、過流保護模塊以及嵌入式控制模塊。可以實現與上位的通信、數碼管顯示、LED閃爍控制、按鍵調光以及遠程控制等功能。
市電的兩個輸出分別接入整流濾波電路相應的兩個輸入端。同時市電的火線端L與零點檢測模塊的輸入端相接，將市電的零點信號傳送給嵌入式晶片(可選晶片種類很多，此處以51單片機為例)的一個I/O 口 PO. 2。整流濾波模塊與DC-DC變換電路相連。其中，本實施實例採用Buck直流降壓變換電路。DC-DC變換電路的輸出端與過流保護電路的輸入端相接。過流保護模塊的輸出端直接接負載。此處的負載為LED陣列。LED陣列的負極接比較器O的反向輸入端、比較器I的反向輸入端和輸出電流米樣電阻Rs的一端；Rs的另一端與電容C2的負極、續流二極體D的正極、電容Cl的負極和整流橋的負直流輸出端DC-相接；比較器O的正向輸入端接基準電壓VMf(l，輸出端接嵌入式晶片的I/O 口 Pl. 2此較器I的正向輸入端接基準電壓VMfl，輸出端接嵌入式晶片的I/O 口 Pl. I。Rs的另一端則直接接地。嵌入式晶片的串口分別與上位機和遠程控制的計算機相接，實現系統的多機通信以及遠程控制功能。嵌入式晶片的另外兩組I/O 口分 別與矩陣鍵盤與數碼管顯示屏相接，完成系統的參數顯不與LED調光功能。在本實施實例中，市電經過整流濾波後，變為最低電壓為15. 3V的直流信號。該直流信號的周期為市電周期的一半。在半個市電周期內取100個等分的時刻點。用示波器採樣讀取這100個時刻處直流信號對應的電壓值UpU1-UfUlrft5其中，％=15. 3V。恆流源輸出電壓Uwt=10V。則根據BUCK型電路Di=UjUi,可以得到Dtl=O. 65。PWM信號的周期Ts=I/(2*f*100)=100us。其中，f = 50Hz為市電頻率。由Tm=Ts*D求出半個市電周期內PWM信號的100個脈衝寬度。通過兩個定時器控制嵌入式晶片輸出相應的PWM信號，進而控制輸入向負載的能量傳遞，實現系統的恆流輸出。當負載參數或市電有效電壓值發生變化時，根據嵌入式晶片中內置的比較電路，實現系統的雙限流反饋功能，調節系統預存的佔空比數據，使之適應系統參數的變化，維持系統輸出電流的恆定。其中，零點檢測電路主要是採樣市電的零點信號，實現預存佔空比數據與輸入信號的同步匹配。過流保護電路用來避免系統電路受到衝擊電流或浪湧的傷害。由於嵌入式晶片I/o輸出的信號無法直接驅動MOS管，所以需要MOS管驅動電路實現嵌入式晶片對開關管的控制。利用嵌入式晶片的串口通信功能，可以發送恆流驅動器的電路參數和接收上位機和遠程控制計算機的電路參數或控制指令，實現恆流驅動器的多機通信以及遠程控制功能。同時，利用嵌入式晶片的Pi組I/o 口，可以實現系統各項參數的通過數碼管顯示。利用嵌入式晶片的P2組I/O 口，通過檢測矩陣鍵盤的按鍵信號，調節嵌入式晶片內置比較電路的基準電壓。進而，調節恆流驅動器的輸出電流，實現負載LED的調光、調色以及閃爍控制。本發明利用嵌入式晶片的串口通信功能，發送恆流驅動器的電路參數給上位機和遠程控制計算機，同時接收上位機和遠程控制計算機所傳來的電路參數和控制指令，實現恆流驅動器的多機通信以及遠程控制功能。利用嵌入式晶片的Pi組I/o 口，實現系統各項參數的數碼管顯示。利用嵌入式晶片的P2組I/O 口，通過檢測矩陣鍵盤的按鍵信號，調節嵌入式晶片內置雙限流比較模塊中的基準值。進而，調節恆流驅動器的輸出電流，實現負載LED的調光、調色以及閃爍控制。同時，在嵌入式系統編程時，使系統開始工作或結束工作時佔空比逐漸變大或逐漸變小，實現系統的軟啟動和軟關斷。通過定期對系統軟體程序的修改和更新，完成系統的實時升級。
權利要求
1.ー種嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器，其特徵在於包括整流濾波模塊、零點檢測模塊、DC-DC變換模塊、過流保護模塊、MOS管驅動模塊和嵌入式晶片控制模塊；任意波形周期信號的火線L與整流濾波模塊的正交流輸入端AC+相接，任意波形周期信號的零線N與整流濾波模塊的負交流輸入端AC-相接；同時任意波形周期信號的火線接零點檢測模塊的輸入端，零點檢測模塊的輸出端接嵌入式晶片控制模塊的I/O ロ ；整流濾波模塊的輸入濾波電解電容Cl的正極為正直流輸出端DC+，Cl的負極為負直流輸出端DC-;濾波電容Cl的正極同時與開關管Ql的漏極相接，而Ql的源極與續流ニ極管D的負極和電感L的一端相接，Ql的柵極與MOS管驅動模塊的輸出端相接；電感L的另一端接輸出濾波電解電容C2的正極和過流保護模塊的輸入端；開關管Q1、續流ニ極管D和電感L共同構成BUCK型DC-DC變換模塊；過流保護模塊的輸出端與負載LED陣列的正極相接，LED陣列的負極接比較器0的反向輸入端、比較器I的反向輸入端和輸出電流米樣電阻Rs的一端；Rs的另一端與電容C2的負極、續流ニ極管D的正極、電容Cl的負極和整流橋的負直流輸出端DC-相接；比較器0的正向輸入端接基準電壓Vmki，輸出端接嵌入式晶片的I/O ロ Pl. 2 ;比較器I的正向輸入端接基準電壓VMfl，輸出端接嵌入式晶片的I/O ロ Pl. I。嵌入式晶片控制模塊的串ロ管腳COM與上位機和遠程控制計算機相接。同吋，MOS管驅動電路的輸入端、矩陣鍵盤和數碼管分別接嵌入式晶片其它的I/O ロ管腳。
2.根據權利要求I所述嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器，其特徵在於所述DC-DC變換模塊為BUCK型、BOOST型或BUCK-B00ST型的DC-DC變換電路。
3.ー種利用權利要求I所述嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器的控制方法，其特徵在於步驟如下 步驟I :將輸入的任意波形的周期信號經過整流濾波後變為直流信號，該直流信號的最低電壓滿足DC-DC的轉換要求； 步驟2 :將直流信號在其ー個周期T內分為n等份，採樣這n個等分處直流信號得到電壓值％、U1-Uk…Ulri ;其中，Utl為直流信號的電壓最小值； 步驟3 :計算ー個周期內PWM信號的n個佔空比Dtl.D1-Dk-Dlri,Ui為n個瞬時電壓值，i為從0到n-1的整數； 當DC-DC模塊為BUCK型電路吋，Di=UoutZUi ； 當DC-DC模塊為BOOST型電路吋，I-Di=UiZUut ； 當 DC-DC 模塊為 B00ST-BUCK 型電路吋，Di=Uout/ (U^Uout)； 步驟4 :將該組佔空比存入嵌入式晶片中，並輸出與佔空比DpDrdk-Dlri相對應的PWM脈衝控制信號；具體方法為用定時器0將PWM信號的周期固定為Ts=T/n，用定時器I控制PWM信號的脈衝寬度Tm=Ts*D，進而，控制嵌入式晶片輸出周期Ts恆定，佔空比為分別為Dtl, D1…Dk…Dlri的PWM信號； 所述各點的佔空比與輸入信號的同步匹配通過零點檢測電路實現，具體方法為當嵌入式晶片檢測到零點檢測電路傳來的輸入信號電壓最低點時，嵌入式晶片依次輸出佔空比為Dc^D1…口,…Dlri的PWM信號； 同時，嵌入式晶片根據雙限流控制模塊得到的輸出反饋信號調節輸出PWM信號的佔空比，具體方法為 (I)根據採樣電阻Rs與設計要求的輸出電流U計算採樣電壓值VS=RS*U ；(2)根據採樣電壓值Vs設定兩個基準電壓Vrefl和Vref2，Vref0,Vrefl的選取需滿足如下條件VMf(l>Vs>VMfl，且Ve= (Vref0-Vrefl) <VP，其中，Vp為設計要求的最大輸出紋波電壓； (3)當系統輸入電壓的有效值或負載參數發生變化吋，採樣電壓變為V's，將Vs與兩個基準電壓Vrefl和Vref2進行比較 當V's大於Vrefl時，比較器O輸出高電平，嵌入式晶片檢測到比較器O輸出的高電平後，減小輸出PWM信號的佔空比使得V's小於VMfl ； 當V's小於Vre f2吋，比較器I輸出高電平，嵌入式晶片檢測到比較器I輸出的高電平後，増大PWM信號的佔空比使得V's大於VMf2 ； 步驟5 =PWM信號經過MOS管自舉升壓驅動後控制開關管的通斷，進而控制輸入向負載的能量傳遞，實現系統的恆流輸出。
全文摘要
本發明涉及一種嵌入式晶片實現的智能恆流驅動器及其控制方法，技術特徵在於包括整流濾波模塊、零點檢測模塊、DC-DC變換模塊、過流保護模塊、雙限流控制模塊、MOS管驅動模塊、嵌入式智能控制模塊以及基於嵌入式的拓展功能模塊本發明的恆流驅動器輸入範圍大、效率高、可升級、電路結構簡單、輸出電流可調以及擴展功能豐富的智能恆流控制系統。同時，當負載為LED陣列時，該系統可實現對LED陣列的調光、調色以及閃爍控制等功能。這樣，本發明就可用於實現LED照明、LED警示燈、LED顯示等裝置。
文檔編號H05B37/02GK102769981SQ201210266100
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者王林博, 石雷, 賀宏錕, 陽金金 申請人:西北工業大學