摘要： 為解決可見光通信系統中的白光LED( Light Emitting Devices) 光源高效穩定的直流偏置電源問題，設計并研制了一種Buck 型雙DC/DC( Direst Cunent) 并聯供電系統。該系統采用ARM7( LPC2148) 作為主控制器，利用電壓反饋調整兩個DC/DC 模塊的PWM( Pulse Width Modulation) 驅動信號的占空比實現穩壓，利用兩個PMOS ( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關分別控制兩個DC/DC 支路實現均流。實驗結果表明，電源實際輸出電壓與設定值的誤差小于2%,兩個支路電流的偏差小于1%,電源供電效率可達75% ~ 80%.在電源開啟和關斷瞬間的瞬時測試結果顯示，驅動電壓無尖峰現象，電壓從0 上升至1. 6 V 的時間約為20 s,關電降至0 的時間約為65 s.兩個DC/DC 模塊交替工作，延長了供電系統的使用壽命。該供電系統在LED 照明和可見光通信設備中具有良好的應用前景，為設計多DC/DC 模塊的高效均流并聯供電系統提供了解決方案。

0 引言

隨著人們對節能環保型光源的需求以及白光LED( Light Emitting Devices) 制作工藝的進步，高效率、低功耗、長壽命的綠色光源白光LED 將逐漸替代傳統白熾燈和熒光燈等照明設備，成為下一代照明設備的首選。在照明的同時，利用白光LED 進行室內外可見光通信( VLC: Visible LightCommunication) 也是近年來新興的一種短途無線通信技術。筆者研究了基于白光LED 的VLC 通信技術與系統，實現了短距離數據傳輸。為了實現白光LED 的照明和通訊雙重功能，大電流、高效率、長壽命的供電系統是關鍵，既要滿足高速可見光通信需求( 要求對LED 提供高速調制信號以形成MHz 的亮度調制) ,又要滿足大電流的視覺亮度需求( 即可對LED 提供穩定的直流工作點)。合理的直流偏置可為LED 提供最佳的線性調制區，提高調制深度，進而可改善通信性能。與線性電源相比，DC /DC( DirestCunent) 開關電源具有效率高的優勢，成為電源設計的首選。為滿足白光LED 的高效照明和高速通信的需要，同時也為延長電源使用壽命，筆者設計并研制了一種推挽式高效均流雙DC /DC 并聯供電系統。

1 系統結構和原理

大功率白光LED 的供電系統需提供大電流并具備高穩定性，相比多支路并聯供電系統而言，在同等電流需求下，單支路供電系統需提供的電流更大，因此單支路型電源的壽命短。鑒于此，設計了雙支路DC /DC 并聯供電系統，兩個支路實現分流工作，既提高了效率，又延長了使用壽命，具有傳統驅動系統不可比擬的優點。

設計方案如圖1 所示，采用兩個DC /DC 支路同為Buck 型降壓電路、電子開關實現支路電流調節、PWM( Pulse Width Modulation) 驅動信號占空比實現穩壓、霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時等電路實現過流保護。所設計的驅動電源包括4 部分： 雙DC /DC 并聯模塊; 電壓、電流采樣模塊; 過流保護及自恢復模塊; ARM7( LPC2148) 主控模塊。圖1 中( 1) 為DC /DC 支路2 的控制信號PWM2,其占空比決定支路2 的輸出電壓; ( 2) 為DC /DC 支路1 的控制信號PWM1,其占空比決定支路1 的輸出電壓; ( 3)為均流控制信號PWM3.系統工作原理是： 利用兩PMOS( P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 電子開關( Electronic switch 1、Electronic switch 2) 實現兩支路均流，通過采集輸出電壓并調節PWM1 和PWM2 的占空比實現穩壓，通過霍爾電流傳感器并輔以調整、比較、延時等電路實現過流保護。

2 系統的模塊化設計

2. 1 DC/DC Buck 型穩壓電路

兩個DC /DC 支路采用PWM( Pulse Width Modulation) 控制的Buck 型降壓電路( 見圖2) .圖2 中OUT1 為支路1 的輸出電壓，OUT2 為支路2 的輸出電壓。利用電感和電容的儲能特性，隨著PMOS 管不停地導通和關斷，具有較大電壓波動的直流電源能量斷續地經過開關管，暫時以磁場能形式存儲在電感器中，然后經電容濾波得到連續的能量傳送到負載，得到脈動較小的直流電壓，實現DC /DC 變換。

PMOS 管型號為SI4405,PMOS 驅動器為ADP3624; PWM1、PWM2 為由ARM7 產生的頻率固定、占空比可調的方波信號，可分別調節兩DC /DC 支路的輸出電壓。為得到穩定的輸出電壓，采取如下設計方案：

1) 合理選擇PWM 頻率，有效降低輸出電壓的紋波系數，設計中取為20 kHz;

2) 當負載變化時，通過計算輸出電壓( 由AD 采樣獲得) 與目標值的差值大小，采用模糊PID( Proportion-Integral-Derivative) 算法，調節PWM1、PWM2 的占空比，在較短時間內，調整輸出電壓至所需的穩定值。

兩個DC /DC 支路的均流方案如下： 在兩個DC /DC 支路的輸出端分別接高速PMOS 電子開關，利用ARM7 輸出一個50%占空比的方波信號( PWM3) 控制一路PMOS 電子開關，同時利用該方波信號的反相信號控制另一支路的PMOS 電子開關。由于兩支路輸出電壓相等，且在推挽模式下各工作50%時間，進而可實現均流作用。

2. 2 電流及電壓采集模塊

采用霍爾傳感器( ACS712-20A) 測量LED 電流，它是利用霍爾效應制成的傳感芯片，最大可測電流為20 A,滿足白光LED 照明時所需的大電流要求。該器件內部集成精確的低偏置線性霍爾傳感電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片表面，通過該銅制電流路徑施加的電流能被集成霍爾芯片感應并轉化為比例電壓輸出。通過標定霍爾傳感器的輸出電壓與流經電流的關系，就可確定流經LED 的電流大小。由于ACS712-20A 的輸出電壓及被測電流間的反應靈敏度較低，故設計了一個靈敏度增強電路，主放大器為LM358,該電路可將靈敏度提高約3.3 倍。利用AD 轉換芯片ADS1100 采集負載兩端電壓，實現反饋控制。

2. 3 過流保護及自恢復模塊

該并聯均流供電系統具有過流保護及自恢復功能，實現原理如圖3 所示。其工作過程如下。1) 將霍爾電流傳感器輸出的電壓信號通過比例放大、電壓比較后產生用于驅動繼電器的信號。2) 如果電流超過LED 承受能力，則比較器輸出高電平，此時繼電器驅動器2 立即動作，同時將DC /DC 主電路的K1和負載回路的K2 斷開( 避免DC /DC 儲能電容繼續向負載充電) ,形成雙重過流保護。3) 由于當DC /DC主電路以及負載回路關斷后，霍爾電流傳感器輸出電壓不能使比較器繼續輸出高電壓，所以繼電器驅動器2 無法使K1 和K2 繼續斷開。為更長時間保護電子線路不受損壞，設計中加入了延時保護電路，即當電壓比較器輸出高電平時( 繼電器驅動器2 已工作) ,向一個儲能電容充電( 由于充電時間常數小，充電過程很短) .當繼電器驅動器2 停止工作時，該充電電容通過放電作用會使繼電器驅動器1 在較長的時間內繼續動作，從而保持K1 和K2 持續斷開，形成延時保護( K1 和K2 由繼電器驅動器1 和2 雙重控制，任意一個工作時，都可使二者斷開) .4) 當繼電器驅動器1 或2 工作時，可點亮LED,發出報警信號。

5) 當繼電器驅動器1 和2 均不工作時，繼電器開關K1 和K2 吸合，LED 報警燈滅，實現自恢復。