一种新型冷光驱动电源

冯友宏， 丁绪星， 陈 饶

（安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241000）

0 引 言

电致冷光膜是一种布状新型发光材料，具有节能环保、安全可靠和可塑性强等众多优点，但由于驱动其工作的驱动电源大多存在工作不稳定、功耗大、负载特性不匹配、成本昂贵，因而使得冷光膜得不到广泛的应用。文中设计的冷光膜驱动电源不仅解决了传统电源存在的这些问题，而且还可以使冷光膜工作在多种工作模式之下，使其看起来更加绚丽。

1 系统主电路设计

系统的硬件主电路如图1所示。

图1 驱动电源结构框图

主电路包括EMI滤波电路、功率因数校正电路和DC／AC逆变电路。EMI滤波电路用来滤除市电中的差模和共模干扰信号，前级电源入口处设计了过压过流保护电路。功率因数校正电路对滤波后的市电信号进行功率因数校正，以提高电源的使用效率达到0.99以上，再通过DC／AC逆变电路将电压逆变成冷光膜工作所要的110V，800Hz交流信号。

1.1 EMI滤波电路设计

EMI滤波电路如图2所示。

图2 EMI滤波电路

图中，F1为一个2A慢熔型保险管，防止电路短路起过流保护作用，也防止启动冲击电流对其造成误保护。压敏电阻RV1与电阻R1，R2，R3构成过压保护电路，用来削减串入的高压脉冲防止损坏电源。电容C1与C2为差模电容，用来消除市电中的差模干扰信号，C3与C4为共模电容，消除市电中相线与中线间的共模干扰，L1与L2为共模扼流圈。

共模扼流圈是两个匝数相同绕制方向相反的线圈，对于共模干扰电流起到很好的抑制作用。由于扼流圈两电感的绕制不可能完全对称，存在一定的差模漏电感，起到差模干扰电流抑制的作用，因此，文中省去了差模扼流圈的设计。共模电感的计算公式如下：

式中：A——铁芯横截面积；

D——磁环平均直径；

ur——磁环初始磁导率；

N——线圈匝数。

文中设计的共模扼流圈的电感值大小分别为2.4mH和20mH。

共模电容也是用于抑制高频共模干扰信号，选用自谐振频率较高的陶瓷电容。由于共模电容接地，因此存在漏电流，漏电流的大小可以表示为：

式中：Um——市电电压；

fm——市电频率；

C——共模电容。

漏电流会对人身安全造成影响，因此，有一个漏电流标准，在中国是要小于1mA［3］。至此，可以得到共模电容的最大值为：

根据上式，得到共模电容的最佳值为2 200pF。

差模电容用来滤除电路中的差模干扰，可以在电源失效的情况下保证人身的安全，文中选用的差模电容为220nF，275V和470nF，275V的薄膜电容。

1.2 功率因数校正电路设计

功率因数校正电路主电路原理如图3所示。

图3 功率因数校正电路主电路原理

电路的输入为交流市电，输出为400V直流电压。辅助开关Q2与主开关Q4处于轮流导通，使开关工作在软开关状态。

引脚16是MOS管驱动引脚，控制MOS管开关从而改变输出电压。引脚16输出的PWM波的占空比受到以下几个输入信号的影响：VSENSE，Iac，ISENSE，MULT OUT和Vrms。VSENSE是电压输出反馈端，Iac检测电网中的电流信号，Vrms是电网电压有效值前馈电路，输入的是电网电压的有效值。这3个信号共同决定乘法器的输出IM，ISENSE和MULT OUT作为电流放大器的两个输入，接电流取样电阻两端，电容C7，C14和电阻R8组成电流放大器补偿网络，从而使得电网的电流跟随电压变化。这5个输入信号共同影响着输出的占空比，当输出电压过高或电网中电流过大时，关断16引脚。三极管Q3和Q5构成功率放大电路，增大16引脚输出信号的功率驱动MOS管。

1.3 功率因数校正辅助电路

功率因数校正电路工作于软开关状态下，必须要有辅助开关的协助，而如何控制辅助开关通断时间，使其工作在软开关状态下，则由功率因数校正辅助电路来实现。功率因数校正辅助电路的原理图如图4所示。

图4 NE555构成的单稳态触发器

单稳态触发器各引脚的输出波形如图5所示。

图5 单稳态触发器输出波形图

由图5可以看出，Uo总是先于Ui输出高电平，Uo高电平持续的时间由电阻R1和电容C3确定。

1.4 DC／AC逆变电路的设计

逆变电路的目的是为了得到电致冷光膜工作所需要的110V电压和800Hz频率的交流信号。由于单片机输出的SPWM波功率太小，无法驱动MOS管工作，因此，必须在两者之间加上驱动电路，使开关器件能得到可靠的驱动信号而稳定地工作。本设计采用两个IR2110作为驱动器件，构成一个基于移相全桥性软开关技术的全桥逆变电路，如图6所示。

图6 全桥逆变电路

MOSFET开通关断时序如图7所示。

图7 MOSFET开通关断时序

电路工作过程如下：

以图中t0时刻为分析的起始时刻。

1）t0时刻，开关管Q1关断，电感L2中的电能给电容C11充电，直到A点电位为零时，Q3内部二极管导通，A点被箝位于零电位。

2）开关管Q3开通，此时为零电压开通，直到开关管Q4关断，此时，电感L3中的电流给C7充电，B点电位不断上升，直至Q2两端二极管导通，开关管Q2两端电压箝位于零。

3）开关管Q2开通，此时为零电压开通，至此，开关管Q2与Q3同时导通，使得iL2，iL3减小到零后，继续反向增大。

至此，全桥逆变电路的半个周期工作完毕，另外半个周期工作方式相同。

4个MOS管开关的驱动信号是由单片机输出的SPWM决定的。为了使电路工作于软开关状态，要使Q1超前于Q4开通和关断，Q3超前于Q2开通和关断。在不考虑死区电压的情况下，单片机输入的4组SPWM波使得UAB波形如图8所示。

图8 UAB输出SPWM波

电源输出的波形如图9所示。

图9 电源输出交流信号

2 结 语

设计的冷光膜驱动电源改变了包括韩国在内的冷光膜驱动电源的工作不稳定的问题，该电源功率因数校正电路和DC／AC逆变电路使用了软开关技术，使得电路的pF值近似为1，同时降低了开关管的开关损耗，增加了电源的使用寿命。而且设计的驱动电源与市场上售价一千多元驱动电源相比价格便宜，大大降低了电源的成本，具有良好的发展前景。在电源设计完成之后，对其在雨天、低温和高温（50℃）分别进行了长达300h的工作性能测试，测试结果表明该设计稳定可靠。

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