CN206100548U - 基于arm控制系统来实现单级pfcled驱动的电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM控制系统来实现单级PFCLED驱动的电源系统，电源系统包括EMI滤波电路，整流电路，变压器钳位电路，恒流限压电路，ARM控制电路。主电路采用反激式的拓扑结构，软件设计采用模糊PID控制，整个驱动电源具有良好的恒流特性，高功率因数、高效率，以及低谐波污染。不仅满足了减少电子设备对市电的谐波污染，同时也提高了电子设备对电能的利用率。本实用新型电路结构简单，同时实现了DC‑DC与PFC的控制，提高了LED电源系统的工作效率，同时增大了功率因数，并且减小了电源系统的成本。

Description

基于ARM控制系统来实现单级PFCLED驱动的电源系统

技术领域

本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种基于ARM控制系统来实现单级PFCLED驱动的电源。

背景技术

LED驱动电源是将交流电变成稳定的直流电供大功率LED灯珠工作的装置，大多数情况下都要使用开关电源，但是由于其输入端整流后电路为非线性电路，会给电网带来大量的高频电流谐波，整流桥后的大电容滤波还会降低输入电压的导通角，从而降低电源的功率因数值，降低了电源的转换效率。本设计的目的就是提高功率因数，提高电源的工作效率,减小电源制造成本。

目前提高功率因数有以下几种方案：

(1)无源功率因数校正技术。在二极管整流和滤波电容之间加入电感，利用电感电流不能突变的原理来减缓输入电流的变化。这种方案成本低，结构简单，但是PF值不高。

(2)两级有源功率因数校正技术。这个方案采用两个互相独立的控制电路分别对输入电流进行整流和对输出电压进行快速调节。但是两级功率因数校正电路至少需要两个开关管和两套控制电路，增加了电源成本，电路复杂，元器件多。

(3)单级有源功率因数校正技术。单级有源功率因数校正技术只用一套控制电路和一个开关管来实现输入级的电流波形校正和输出级的电压随负载的快速调节。单级PFC的性能比无源PFC的性能要优越，可以满足LED电源的需求。

为了电源的提高功率因数以及工作效率，减小成本，优化结构，本实用新型采用开关电源芯片和ARM集成芯片，实现了对电源输出电压的限制以及对输出电流恒定的控制，从而给大功率LED负载提供了安全的工作电压和稳定的工作电流。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于ARM控制系统来实现单级PFCLED驱动的电源系统，主电路采用反激式的拓扑结构，软件设计采用模糊PID控制，整个驱动电源具有良好的恒流特性，高功率因数、高效率，以及低谐波污染。本实用新型电路结构简单，同时实现了DC-DC与PFC的控制，提高了LED电源的效率，提高了功率因数，并且减小了LED电源的成本。

本实用新型的技术方案是：一种基于ARM控制系统来实现单级PFCLED驱动的电源系统，其特征是：电源系统包括EMI滤波电路、整流电路、输入电压采样电路、变压器钳位电路、反激变换电路、原边电流采样电路、恒流限压电路和ARM控制器，其中EMI滤波电路包括安规电容与共模电感；整流电路包括整流桥BR36；输入电压采样电路包括分压电阻R1和R5；原边电流采样电路包括采样电阻R8、限流电阻R9、和电容C5；反激变换电路包括变压器T1、整流二极管D2、滤波电容C8和开关管VT；变压器钳位电路包括电容C2、电阻R4和阻塞二极管D1；恒流限压电路包括两个独立的运算放大器U_A、U_B以及光耦合器PC817；ARM控制器包括ARM控制芯片及外围电路；

EMI滤波电路两端与整流桥BR36连接，整流桥输出端接滤波电容C1，分压电阻R1、R5串联后，R1端与ARM控制器相连接，构成电压输入端；采样电阻R2、R6串联后，采样电阻R6与电容C3并联，采样电阻R2端与ARM控制器相连接，构成电压前馈端；电阻R3与稳压模块串联后，与ARM控制器连接，为ARM控制器供电；

电容C2与电阻R4并联后，与阻塞二极管D1负极连接，之后电阻R4端和阻塞二极管D1正极与变压器原边相连接，构成了变压器钳位电路，用于保护功率开关管VT的漏源两极在关断的瞬间不被击穿；

变压器原边电流通过限流电阻R9产生电压，经过电容C5、限流电阻R8组成的低通滤波器将电流采样到ARM控制器，变压器副边与整流二极管D2串联后与滤波电容C8并联进行整流滤波；

输出电压通过分压电阻R11、R13、R17分压连接到运算放大器U_A的正极，U_A的负极则连接平衡电阻R14的一端，平衡电阻R14 另一端接采样电阻R16；输出电压通过分压电阻R11、R13，稳压管Z1为U_B提供基准电压连接到U_B的正极，U_B的负极通过分压电阻R12、R15采样输出电压；U_A、U_B通过光电耦合器，将输出电压与输出电流耦合给ARM控制器，ARM控制器则会经过软件处理，计算新的占空比，根据占空比产生PWM波，通过驱动芯片控制开关管的导通与关断时间，从而控制整个系统的稳定输出。

本实用新型优点体现在：

(1)采用单级有源功率因数校正技术，有效的提高了功率因数，提高了电源系统的效率，减小了总谐波畸变，电能利用率增大。

(2)由于采用了单级PFC技术，所以电源系统体积小，重量轻，器件数量少，并且控制简单，性能优越。有效的控制了制造成本。

(3)由于采用模糊PID的控制策略，所以电源系统的控制算法灵活，便于在线修改控制方案，也可以根据系统的需要进行算法的改进，增强控制的效果。

(4)数字电路不存在模拟电路中常见的器件老化，温度漂移，相位裕度等问题，不需要调谐就可以获得稳定的控制参数，另外数字开关电源引入控制算法，使得它更容易实现非线性控制，改善电源的稳态特性和暂态响应。另外数字设计可以节约开发成本，避免了元器件大量采购，降低了成本。

附图说明

图1是本实用新型的整体系统原理图。

图2是模糊控制器。

图3是软件设计流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的内容做进一步说明。

如图1所示，电源系统包括电源前级保护电路，EMI滤波电路，整流电路，变压器钳位电路，变压器，恒流限压回路，ARM控制电路。EMI滤波电路：电路中包括共模扼流线圈，滤波电容，主要用来抑制共模干扰信号和差模干扰信号。

变压器钳位电路：由C2、R4、D1构成。用于保护功率开关管的漏源两级在关断的瞬间不被击穿。

恒流限压回路：包括两个独立的运算放大器U_A、U_B，以及光电耦合器PC817进行恒流与限压的双环控制。

整机方案为：交流市电经过EMI滤波器、整流滤波后进入高频变压器，输出端的电压电流信号反馈给ARM控制器，控制器根据前段输入交流信号及后端电压电流信号控制开关管导通关断，从而控制整个电路的能量传递。

其中电源前级保护电路中的熔断丝采用T3.15A/AC250V玻璃熔断管，负温度系数热敏电阻型号为12D5R6，压敏电阻型号为10N471K。

EMI滤波电路则是采用两级EMI滤波器结构。

本设计的整流桥电路选择型号为BR36的整流桥器件，其最大承受反向电压为600V，输入额定电流为3A。

变压器钳位电路由C2、R4、D1构成，钳位电路的阻塞二极管D1要求为快速恢复二极管、比较低的导通压降、加大的反向耐压值且可以承受较大的变压器峰值电流。本设计采用MURS160T快速恢复二极管，其反向耐压值为600V，导通电流为3A，最大反向恢复时间为75ns，可以保证钳位电路安全有效的工作。

电阻R1，R5构成AC输入端，提供电压信号，R2，C3，R6构成前馈输入端，电容C5，R8，R9构成变压器原边电感电流采样端，光电耦合器PC817构成反馈端，ARM控制器经过程序分析处理，使得变压器原边电感电流的平均值与输入电压幅值相匹配，同时电流会追随输入电压的正弦信号，完成PFC环路控制。

恒流限压回路包括两个独立的运算放大器U_A、U_B以及光耦合器PC817，图1中采样电阻R16用于检测输出电流，将其转化为电压值输入到运放U_A的负端，U_A的正端输入为基准电压2.5V经R11、R13、R17分压后的信号。补偿电容C6和C7，分别加在运放输入与输出之间，用于补偿运放相位；运放输出经过光电耦合器PC817耦合到ARM控制器，形成了恒流控制环路，ARM控制器经过程序分析处理，输出相应的占空比来控制输出电流。另外，电路的输出电压经过R12、R15的分压，在R15上的电压信号输入到运放U_B的负端与基准信号进行比较，经过光电耦合器PC817耦合到ARM控制器，为电压控制环。

电路中控制芯片为ARM-STM32RBC6，反激式拓扑电路结构，整个电源系统软硬件结合，具有成本低，效率高，PF值高，可靠性高的特点。

图2是模糊控制器，模糊控制器由输入变量模糊化、模糊规则推理、去模糊化三个基本部分组成。

图3是软件设计流程图，电源上电后初始化，给定初始的占空比Do，系统运行后，采样输出电流，如果负载短路，则系统结束运行，反之则继续采样输出电压Uo。当输出电压大于28V时，系统进行过压保护，结束运行。如果输出电压值小于等于28V，系统则继续检测输入电压以及原边电感电流，之后将采样到的电压以及电流代入程序中进行相应的处理，得到新的占空比，根据新的占空比产生PWM波，通过隔离驱动电路对反激变换电路进行控制，继续读取AD转换结果，依次往复，程序循环运行。

表1是根据仿真数据在不同的输入电压、不同的负载时，测出的输出电压，输出电流，以及PF值，可以看出输出电流基本保持恒定不变，功率因数可以达到0.97左右，整机效率可以达到85％以上，符合设计的技术指标要求，满足提高功率因数要求，可以为负载提供恒定的电流。

表1

输入电压	负载	输入电流	输出电压	输出电流	功率因数	电源效率
							265V	RL(Ω)	Ii(A)	Uo(V)	Io(A)	PF	η％
	10	0.25	19.32	2.95	0.97	86.6％
								15	0.31	24.33	2.95	0.97	87.7％
	20	0.37	28.56	2.95	0.97	86.2％
							220V	RL(Ω)	Ii(A)	Uo(V)	Io(A)	PF	η％
	10	0.31	19.05	2.95	0.97	85.2％
								15	0.37	24.09	2.93	0.97	86.6％
	20	0.43	27.71	2.92	0.97	84.5％
							175V	RL(Ω)	Ii(A)	Uo(V)	Io(A)	PF	η％
	10	0.38	18.98	2.95	0.97	84.2％
								15	0.47	23.95	2.92	0.97	85.1％
	20	0.53	26.91	2.91	0.97	84.4％

Claims (1)

1.一种基于ARM控制系统来实现单级PFCLED驱动的电源系统，其特征是：电源系统包括EMI滤波电路、整流电路、输入电压采样电路、变压器钳位电路、反激变换电路、原边电流采样电路、恒流限压电路和ARM控制器，其中EMI滤波电路包括安规电容与共模电感；整流电路包括整流桥BR36；输入电压采样电路包括分压电阻R1和R5；原边电流采样电路包括采样电阻R8、限流电阻R9、和电容C5；反激变换电路包括变压器T1、整流二极管D2、滤波电容C8和开关管VT；变压器钳位电路包括电容C2、电阻R4和阻塞二极管D1；恒流限压回路包括两个独立的运算放大器U_A、U_B以及光耦合器PC817；ARM控制器包括ARM控制芯片及外围电路；

EMI滤波电路两端与整流桥BR36连接，整流桥输出端接滤波电容C1，分压电阻R1、R5串联后，R1端与ARM控制器相连接，构成电压输入端；采样电阻R2、R6串联后，采样电阻R6与电容C3并联，采样电阻R2端与ARM控制器相连接，构成电压前馈端；电阻R3与稳压模块串联后，与ARM控制器连接，为ARM控制器供电；

电容C2与电阻R4并联后，与阻塞二极管D1负极连接，之后电阻R4端和阻塞二极管D1正极与变压器原边相连接，构成了变压器钳位电路，用于保护功率开关管VT的漏源两极在关断的瞬间不被击穿；

变压器原边电流通过限流电阻R9产生电压，经过电容C5、限流电阻R8组成的低通滤波器将电流采样到ARM控制器，变压器副边与整流二极管D2串联后与滤波电容C8并联进行整流滤波；

输出电压通过分压电阻R11、R13、R17分压连接到运算放大器U_A的正极，U_A的负极则连接平衡电阻R14的一端，平衡电阻R14另一端接采样电阻R16；输出电压通过分压电阻R11、R13，稳压管Z1为U_B提供基准电压连接到U_B的正极，U_B的负极通过分压电阻R12、R15采样输出电压；U_A、U_B通过光电耦合器PC817，将输出电压与输出电流耦合给ARM控制器，ARM控制器则会经过软件处理，计算新的占空比，根据占空比产生PWM波，通过驱动芯片控制开关管的导通与关断时间，从而控制整个系统的稳定输出。