專利名稱：一種嵌入式實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于智能恒流驅(qū)動器方案及其控制方法，主要涉及一種嵌入式實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器及其控制方法。
背景技術：
目前，主要的PWM(脈沖寬度調(diào)制)開關恒流驅(qū)動的控制方法有兩種，分別為電壓型PWM開關恒流控制和電流型PWM開關恒流控制。PWM開關恒流控制的基本工作原理是在系統(tǒng)輸入電壓、 內(nèi)部參數(shù)以及外接負載發(fā)生變化的情況下，恒流控制電路根據(jù)采樣的輸出電流信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。由于PWM信號的頻率恒定，故只需調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)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(xiàn)系統(tǒng)電流的恒定輸出。對于電壓型PWM開關恒流驅(qū)動控制方法，其典型電路如圖2所示?；驹頌椴蓸酉到y(tǒng)的輸出電流并轉化為電壓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(jīng)過PWM比較器比較后，產(chǎn)生對應占空比的PWM波信號，控制開關器件的通斷時間。當輸出電流變大時，采樣電壓Vsen增大。由于基準電壓Vref不變，故誤差放大器的輸出Vc (t)減小，相應的，PWM比較器輸出的信號占空比也隨之減小。進而，一個周期內(nèi)開關管導通時間減小，使得系統(tǒng)的輸出電流下降，實現(xiàn)系統(tǒng)電流的恒定輸出。對于電流型PWM開關恒流驅(qū)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，換成了電感電流采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采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(fā)器R端置高電位，開關被關斷。如果系統(tǒng)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。于是開關管的導通時間Ton被縮短，PWM信號的占空比減小。進而，使得系統(tǒng)的輸出電流下降，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。但是，由于以上兩種控制方法中波形發(fā)生電路和補償電路多，整個控制電路結構復雜，且功能單一，智能控制以及多機通信等諸多功能無法實現(xiàn)。而目前的智能恒流控制裝置，其嵌入式芯片并不產(chǎn)生控制開關管通斷的PWM信號，而需要獨立的恒流或穩(wěn)壓控制芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出功能。其恒流控制方法依然采用傳統(tǒng)的電壓型或電流型開關恒流控制。嵌入式芯片只用來實現(xiàn)裝置的智能控制以及多機通信等拓展功能。從而對嵌入式芯片利用不足，造成資源浪費的同時也使得整個恒流控制電路變得復雜。見專利申請?zhí)枮?01110397478. 9的一種智能恒流供電裝置。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器及其控制方法，是一種輸入范圍大、效率高、可升級、電路結構簡單、輸出電流可調(diào)以及擴展功能豐的智能恒流控制系統(tǒng)。技術方案一種嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器，其特征在于包括整流濾波模塊、零點檢測模塊、DC-DC變換模塊、過流保護模塊、MOS管驅(qū)動模塊和嵌入式芯片控制模塊；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芯片控 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(xù)流二極管D的負極和電感L的一端相接，Ql的柵極與MOS管驅(qū)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(xù)流二極管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(xù)流二極管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O的正向輸入端接基準電壓Vmki，輸出端接嵌入式芯片的I/O 口 Pl. 2 ;比較器I的正向輸入端接基準電壓VMfl，輸出端接嵌入式芯片的I/O 口 Pl. I。嵌入式芯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(qū)動電路的輸入端、矩陣鍵盤和數(shù)碼管分別接嵌入式芯片其它的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芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器的控制方法，其特征在于步驟如下步驟I :將輸入任意波形的周期信號經(jīng)過整流濾波后變?yōu)橹绷餍盘?，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(nèi)分為η等份，采樣這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(nèi)PWM信號的η個占空比DpDrHDfDn^Ui為η個瞬時電壓值，i為從O到η-i的整數(shù)；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 :將該組占空比0。#··%···Dlri存入嵌入式芯片中，并輸出與占空比D。#···Dk…Dlri相對應的PWM脈沖控制信號；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信號的脈沖寬度Tm=Ts*D，進而，控制嵌入式芯片輸出周期1；恒定，占空比為分別為％、D1…Dk…Dlri的PWM信號；所述各點的占空比與輸入信號的同步匹配通過零點檢測電路實現(xiàn)，具體方法為當嵌入式芯片檢測到零點檢測電路傳來的輸入信號電壓最低點時，嵌入式芯片依次輸出占空比為DpDrHDfDlri的PWM信號；同時，嵌入式芯片根據(jù)雙限流控制模塊得到的輸出反饋信號調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，具體方法為(I)根據(jù)采樣電阻Rs與設計要求的輸出電流Iwt計算采樣電壓值Vs=Rs*Iwt ；(2)根據(jù)采樣電壓值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(tǒng)輸入電壓的有效值或負載參數(shù)發(fā)生變化時，采樣電壓變?yōu)閂's，將Vs與兩個基準電壓Vrefl和Vref2進行比較
當V's大于Vrefl時，比較器O輸出高電平，嵌入式芯片檢測到比較器O輸出的高電平后，減小輸出PWM信號的占空比使得V's小于VMfl ；當V's小于Vref2時，比較器I輸出高電平，嵌入式芯片檢測到比較器I輸出的高電平后，增大PWM信號的占空比使得V's大于VMf2 ；步驟5 =PWM信號經(jīng)過MOS管自舉升壓驅(qū)動后控制開關管的通斷，進而控制輸入向負載的能量傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。有益效果本發(fā)明提出的一種嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器及其控制方法，是一種輸入范圍大、效率高、可升級、電路結構簡單、輸出電流可調(diào)以及擴展功能豐富的智能恒流控制系統(tǒng)。同時，當負載為LED陣列時，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對LED陣列的調(diào)光、調(diào)色以及閃爍控制等功能。這樣，本發(fā)明就可用于實現(xiàn)LED照明、LED警示燈、LED顯示等裝置。本發(fā)明的有益效果(I)本發(fā)明直接根據(jù)輸入和輸出要求，預先計算出恒流輸出需要的占空比數(shù)據(jù)并存入嵌入式芯片內(nèi)，以此控制開關管通斷，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。(2)本發(fā)明適用范圍廣。該恒流驅(qū)動器于輸入可為市電、電池、鋸齒波、三角波和任意波形的周期信號。(3)本發(fā)明電路簡單。直接利用嵌入式芯片產(chǎn)生PWM開關管控制信號，省去了專用的恒流或穩(wěn)壓芯片。(4)本發(fā)明通過嵌入式芯片的I/O 口直接輸出PWM信號，控制開關管通斷，易于實現(xiàn)負載LED的調(diào)光、調(diào)色以及閃爍控制等功能。(5)本發(fā)明系統(tǒng)可升級。用戶可以根據(jù)需要隨時對系統(tǒng)進行升級，使該恒流驅(qū)動器能更好地滿足用戶需求。(6)本發(fā)明擴展功能豐富，可實現(xiàn)多機通信、遠程控制以及系統(tǒng)參數(shù)顯示等功能。(7)本發(fā)明采用軟件實現(xiàn)恒流驅(qū)動器的軟啟動和軟關斷功能，避免沖擊電流對設備造成損害的同時簡化了系統(tǒng)電路。


圖I :現(xiàn)有技術的電壓型PWM開關恒流驅(qū)動電路；圖2 :現(xiàn)有技術的電流型PWM開關恒流驅(qū)動電路；圖3 :本發(fā)明的恒流控制系統(tǒng)框圖；圖4 :本發(fā)明的恒流控制系統(tǒng)電路原理圖。
具體實施例方式現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)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(xiàn)與上位的通信、數(shù)碼管顯示、LED閃爍控制、按鍵調(diào)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芯片(可選芯片種類很多，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，本實施實例采用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(xù)流二極管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O的正向輸入端接基準電壓VMf(l，輸出端接嵌入式芯片的I/O 口 Pl. 2此較器I的正向輸入端接基準電壓VMfl，輸出端接嵌入式芯片的I/O 口 Pl. I。Rs的另一端則直接接地。嵌入式芯片的串口分別與上位機和遠程控制的計算機相接，實現(xiàn)系統(tǒng)的多機通信以及遠程控制功能。嵌入式芯片的另外兩組I/O 口分 別與矩陣鍵盤與數(shù)碼管顯示屏相接，完成系統(tǒng)的參數(shù)顯不與LED調(diào)光功能。在本實施實例中，市電經(jīng)過整流濾波后，變?yōu)樽畹碗妷簽?5. 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(nèi)取100個等分的時刻點。用示波器采樣讀取這100個時刻處直流信號對應的電壓值UpU1-UfUlrft5其中，％=15. 3V。恒流源輸出電壓Uwt=10V。則根據(jù)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(nèi)PWM信號的100個脈沖寬度。通過兩個定時器控制嵌入式芯片輸出相應的PWM信號，進而控制輸入向負載的能量傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。當負載參數(shù)或市電有效電壓值發(fā)生變化時，根據(jù)嵌入式芯片中內(nèi)置的比較電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的雙限流反饋功能，調(diào)節(jié)系統(tǒng)預存的占空比數(shù)據(jù)，使之適應系統(tǒng)參數(shù)的變化，維持系統(tǒng)輸出電流的恒定。其中，零點檢測電路主要是采樣市電的零點信號，實現(xiàn)預存占空比數(shù)據(jù)與輸入信號的同步匹配。過流保護電路用來避免系統(tǒng)電路受到?jīng)_擊電流或浪涌的傷害。由于嵌入式芯片I/o輸出的信號無法直接驅(qū)動MOS管，所以需要MOS管驅(qū)動電路實現(xiàn)嵌入式芯片對開關管的控制。利用嵌入式芯片的串口通信功能，可以發(fā)送恒流驅(qū)動器的電路參數(shù)和接收上位機和遠程控制計算機的電路參數(shù)或控制指令，實現(xiàn)恒流驅(qū)動器的多機通信以及遠程控制功能。同時，利用嵌入式芯片的Pi組I/o 口，可以實現(xiàn)系統(tǒng)各項參數(shù)的通過數(shù)碼管顯示。利用嵌入式芯片的P2組I/O 口，通過檢測矩陣鍵盤的按鍵信號，調(diào)節(jié)嵌入式芯片內(nèi)置比較電路的基準電壓。進而，調(diào)節(jié)恒流驅(qū)動器的輸出電流，實現(xiàn)負載LED的調(diào)光、調(diào)色以及閃爍控制。本發(fā)明利用嵌入式芯片的串口通信功能，發(fā)送恒流驅(qū)動器的電路參數(shù)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(shù)和控制指令，實現(xiàn)恒流驅(qū)動器的多機通信以及遠程控制功能。利用嵌入式芯片的Pi組I/o 口，實現(xiàn)系統(tǒng)各項參數(shù)的數(shù)碼管顯示。利用嵌入式芯片的P2組I/O 口，通過檢測矩陣鍵盤的按鍵信號，調(diào)節(jié)嵌入式芯片內(nèi)置雙限流比較模塊中的基準值。進而，調(diào)節(jié)恒流驅(qū)動器的輸出電流，實現(xiàn)負載LED的調(diào)光、調(diào)色以及閃爍控制。同時，在嵌入式系統(tǒng)編程時，使系統(tǒng)開始工作或結束工作時占空比逐漸變大或逐漸變小，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和軟關斷。通過定期對系統(tǒng)軟件程序的修改和更新，完成系統(tǒng)的實時升級。
權利要求
1.ー種嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器，其特征在于包括整流濾波模塊、零點檢測模塊、DC-DC變換模塊、過流保護模塊、MOS管驅(qū)動模塊和嵌入式芯片控制模塊；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芯片控制模塊的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(xù)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(qū)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(xù)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(xù)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，輸出端接嵌入式芯片的I/O ロ Pl. 2 ;比較器I的正向輸入端接基準電壓VMfl，輸出端接嵌入式芯片的I/O ロ Pl. I。嵌入式芯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(qū)動電路的輸入端、矩陣鍵盤和數(shù)碼管分別接嵌入式芯片其它的I/O ロ管腳。
2.根據(jù)權利要求I所述嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器，其特征在于所述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所述嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器的控制方法，其特征在于步驟如下 步驟I :將輸入的任意波形的周期信號經(jīng)過整流濾波后變?yōu)橹绷餍盘枺撝绷餍盘柕淖畹碗妷簼M足DC-DC的轉換要求； 步驟2 :將直流信號在其ー個周期T內(nèi)分為n等份，采樣這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(nèi)PWM信號的n個占空比Dtl.D1-Dk-Dlri,Ui為n個瞬時電壓值，i為從0到n-1的整數(shù)； 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 :將該組占空比存入嵌入式芯片中，并輸出與占空比DpDrdk-Dlri相對應的PWM脈沖控制信號；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信號的脈沖寬度Tm=Ts*D，進而，控制嵌入式芯片輸出周期Ts恒定，占空比為分別為Dtl, D1…Dk…Dlri的PWM信號； 所述各點的占空比與輸入信號的同步匹配通過零點檢測電路實現(xiàn)，具體方法為當嵌入式芯片檢測到零點檢測電路傳來的輸入信號電壓最低點時，嵌入式芯片依次輸出占空比為Dc^D1…口,…Dlri的PWM信號； 同時，嵌入式芯片根據(jù)雙限流控制模塊得到的輸出反饋信號調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，具體方法為 (I)根據(jù)采樣電阻Rs與設計要求的輸出電流U計算采樣電壓值VS=RS*U ；(2)根據(jù)采樣電壓值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(tǒng)輸入電壓的有效值或負載參數(shù)發(fā)生變化吋，采樣電壓變?yōu)閂's，將Vs與兩個基準電壓Vrefl和Vref2進行比較 當V's大于Vrefl時，比較器O輸出高電平，嵌入式芯片檢測到比較器O輸出的高電平后，減小輸出PWM信號的占空比使得V's小于VMfl ； 當V's小于Vre f2吋，比較器I輸出高電平，嵌入式芯片檢測到比較器I輸出的高電平后，増大PWM信號的占空比使得V's大于VMf2 ； 步驟5 =PWM信號經(jīng)過MOS管自舉升壓驅(qū)動后控制開關管的通斷，進而控制輸入向負載的能量傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種嵌入式芯片實現(xiàn)的智能恒流驅(qū)動器及其控制方法，技術特征在于包括整流濾波模塊、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(qū)動模塊、嵌入式智能控制模塊以及基于嵌入式的拓展功能模塊本發(fā)明的恒流驅(qū)動器輸入范圍大、效率高、可升級、電路結構簡單、輸出電流可調(diào)以及擴展功能豐富的智能恒流控制系統(tǒng)。同時，當負載為LED陣列時，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對LED陣列的調(diào)光、調(diào)色以及閃爍控制等功能。這樣，本發(fā)明就可用于實現(xiàn)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(yōu)先權日2012年7月30日
發(fā)明者王林博, 石雷, 賀宏錕, 陽金金 申請人:西北工業(yè)大學