电源驱动电路设计论文

由于传统照明光源和灯具预留给LED驱动电源的空间十分狭小，因此LED照明光源和灯具的驱动电源必须做得十分小巧，驱动电源芯片要求性能高度集成，而且要求成本低廉；应用电路要求更少的外围器件，要求LED驱动电源的芯片+周边零件的总数要求少于15个，甚至少于10个。下面是小编为大家整理的《电源驱动电路设计论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

电源驱动电路设计论文 篇1：

矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统

摘 要：针对现有汽车远光灯需要司机通过自身对路况的判断来完成手动操作，从而可能造成行车时因违规使用车灯而发生交通事故的问题，完成了基于不同路况和周围环境自动调节远光灯照射方式的矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统的设计与实现。首先，根据车辆行驶特点及相关交通法规，针对不同的车前路况，提出矩阵式LED远光灯辅助系统的智能控制策略;然后，对系统的软硬件进行设计与实现，硬件部分主要包括主控制器模块、LED电源驱动模块以及矩阵开关控制模块的选型与电路设计，软件部分主要包括驱动电路控制、矩阵开关控制以及智能控制策略等功能模块;最后，在实验室环境下通过搭建完整的实验系统进行了功能测试。实验测试结果表明，所提方法控制结果准确、实时性好、可靠性高、易于实现，达到了预期目标。

关键词：矩阵式LED;远光灯辅助控制;智能控制策略;LED电源驱动;矩阵开关控制

文献标志码：A

Key words： matrix LED; high-beam assistant control; intelligent control strategy; LED power driver; matrix switch control

0 引言

隨着汽车保有量的不断增长，人们对于汽车安全的重视程度日益提高。据统计，在车辆夜间行驶中，LED远光灯的不当使用是造成事故发生的一大原因[1-2]。这主要是由于现有的汽车远光灯开关操作均由司机通过自身对于路况的判断来手动完成，其操作准确性很大程度上依赖于司机的注意力和经验，同时远光灯的滥用也会造成车外人员产生“炫目”从而引起严重事故。若汽车在行驶过程中能够通过其自身的判断主动进行LED远光灯控制，将会大幅提升汽车的主动安全性[3-4]。近年来日渐出现的基于矩阵光柱技术的矩阵式LED远光灯从本质上可提高汽车的主动安全性。该类远光灯由一定数量的光段组成，每个光段都由控制系统进行独立开通或关断控制。在这些光段的照射范围内，不同的车前位置被分为不同的区;在远光灯射程内，当车前目标进入远光灯的可控区域时，相应光段会自动关闭，其余光段仍保持开通，从而实现LED远光灯的自动控制[5-6]。

然而，矩阵式LED远光灯自动控制技术目前只在部分国外高端进口车型如奥迪A8高配[7-8]及奔驰CLS[9]等中有所应用，相关技术对我国仍处于未公开阶段，但其广阔的应用前景却引起我国相关车企及汽车备件生产厂商的广泛关注。近年来国内相关企业和机构相继开展自主研发，取得了初步成果，如：以飞思卡尔S9S08DZ60F2MLF为主控制器的矩阵式LED汽车前照灯电路的设计方法[10];由多个LED矩阵管理器构成矩阵管理单元以增加LED数量最多可达96颗[11];以TPS92661为LED驱动器件的矩阵式LED灯的亮、灭控制以及对光源矩阵的故障检测和管理方法[12]。上述方法主要完成了对LED矩阵灯亮、灭的自动控制，而如何根据不同路况和周围环境实时调整LED相关控制策略并未涉及。

为此，本文根据矩阵式LED远光灯的工作机理，结合现有汽车对远光灯的常规控制原理与方法，完成了矩阵式LED远光灯辅助控制系统的硬件、软件以及智能型LED照射控制策略的设计与实现，以期为国产车辆车灯的改进提供应用参考，同时也对部分进口车辆车灯的国产化维保提供技术支持。

1 矩阵式LED远光灯控制策略设计

1.1 远光灯辅助控制系统总体设计思路

矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统实现的功能为：根据安全驾驶规范，判断当前路况，针对会车、前方有车、避让行人等情况，在保证安全的前提下，根据实时路况主动调节远光灯的开关控制，同时最大限度使用远光灯照明，从而提升汽车安全的主动性，改善驾驶舒适性。基于此，所提系统的总体设计结构如图1所示，主要由图像采集和处理模块（本设计不涉及）、系统硬件模块、系统软件模块和矩阵式LED远光灯控制策略组成。

1.2 辅助控制系统远光灯控制策略总体流程

根据汽车远光灯的实际应用可知，远光灯的自动控制主要需实现高速公路、会车、前方有车或行人等不同情况下矩阵式LED的自动开通和关断。为此，结合远光灯使用的相关法规，所提系统所设计的矩阵式LED远光灯控制策略总流程如图2所示。下文将针对前方有车、前方有人、高速公路自动模式三种典型情况分别对远光灯自动控制策略进行设计。

1.3 不同路况时远光灯自动控制策略设计

1.3.1 光段及LED状态变量定义

由于LED的电流强度（亮度）由驱动模块进行控制，故远光灯自动控制策略主要实现对LED光段和每个LED的亮灭控制。

為便于描述，假设控制对象为由50个LED组成的汽车前远光灯，该远光灯两侧对称分布，即左右两侧各25个LED。根据矩阵光柱形成原理可知，该远光灯的50个LED通过排列组合可形成25个独立光段，每个光段里可包含多个LED，且每个LED也可属于不同光段。若远光灯LED排列方式如图3所示，其中：数字1～50为每个LED的序号，则相应的25个光段分布示意如图4所示，且每个光段与LED的对应关系如表1所示。由表1可见，所有光段中除13号光段外，其余每个光段均对应3个LED，且呈“V”字型排列;而第13号光段由于位于最中间，故其对应中间位置的4个LED，序号分别为23、25、26、29 。

为了直观地描述每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，现分别定义三个变量：光段状态变量Si（i=1，2，…，25），LED分状态变量Lj，k（j=1，2，…，50;k=1，2），LED总状态变量Lj（j=1，2，…，50），各个变量具体含义及相互间的逻辑关系如下：

2）由于每个LED可能存在于多个光段中，故分别在某个光段变量内定义相应的LED分状态变量。Lj，k即表示第j号LED的第k个分状态变量，一个LED最多包含在两个光段内，故k的取值为1或2。例如第2号LED，同时包含在第1、2号光段内，则第2号LED在光段1中的分状态变量为L2，1，在光段2中的分状态变量为L2，2。当第i号光段为灭即Si=0，Si对应的所有LED分状态变量均为0;当第i号光段为亮即Si=1，Si对应的所有LED分状态变量均为1。

3）LED总状态变量取决于对应分状态变量，与实际LED的开关状态对应。当第j号LED的所有分状态变量全为0时，其LED总状态变量为0，该LED为灭;否则其LED总状态变量为1，LED为亮。第j号LED的总状态变量Lj与分状态变量Lj，k的关系如式（1）所示：

基于上述各个变量的定义及每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，下面对不同路况下的矩阵式LED远光灯自动控制策略进行设计。

1.3.2 前方有车

众所周知，会车时司机一般会关闭远光灯来防止对方司机产生“炫目”，但若将其全部关闭则会使远光灯无法得到最佳使用。为此，若在前方有车时（包括超车、会车等情况）欲合理地使用远光灯，可关闭前方车辆所处位置的光段，保持其他光段处于打开状态。这样既能防止其他车辆炫目，又能保证驾驶者视野清晰，减轻夜间行驶的心理压力和惶恐感，从而提高夜间行车的安全性，如图5～6所示。

为此，相应的矩阵式LED远光灯自动控制策略设计步骤如下：

1）车前车辆识别。在车辆行驶过程中，基于图像采集和处理模块实时识别前方车辆。

2）车前车辆定位。根据实时识别所获取的数据对前方车辆进行定位，实时获得前方车辆的位置信息，并基于此确定此刻前车所处位置对应的LED远光灯光段号。

3）远光灯控制。根据上述计算而得的LED光段号，分析全部LED的当前状态，实现矩阵式LED远光灯中每个LED的亮灭控制。

4）重复上述步骤1）～3），直至前车驶出远光灯照射范围。

下面通过实例就上述控制策略对矩阵式LED远光灯的自动控制效果进行分析。

如图7所示，假设在t1时刻前方车辆位于距离本车较远的位置A处，首先通过图像采集和处理模块检测并识别到该车所处位置后，经计算可得其对应LED远光灯光段为第8～10号，为此应使该光段状态变量内所有LED分状态变量全为0，其余光段内的LED分状态变量为1，即关闭第8～10号光段，最终可确定LED总状态变量L16～L20=0，即关闭第16～20号LED。

假设在t2时刻，前方车辆位于距离本车较近的位置B处，如图8所示。同样经过图像采集和处理后，计算分析可得该车对应LED远光灯光段为第4～8号，即关闭第4～8号光段，最终可确定关闭第7、9、10～15、18号LED。

1.3.3 前方有行人

夜间光线较暗，司机视野窄，视线模糊，更不易看清路边行人[13]，对矩阵式LED实现闪烁控制，可警示司机和行人，提升安全性。相应的自动控制策略设计步骤如下：

1）车前行人识别。在车辆行驶过程中，基于图像采集和处理模块实时识别前方行人。

2）车前行人定位。根据实时所获取的数据对前方行人进行定位，实时获得前方行人的位置信息，并基于此确定此刻行人所处位置所对应的LED远光灯光段号。

3）远光灯控制。根据上述计算而得的LED光段号，分析全部LED的当前状态，对行人所处光段对应的LED实现闪烁控制，闪烁的周期为0.5s，即对应LED每秒钟亮灭各2次，警示行人和司机。

4）重复上述步骤1）～3），直至行人离开远光灯照射范围。

如图9所示，假设在行车过程中，图像采集和处理模块检测并识别到前方行人出现在第21～24号光段内，经过计算分析，最终实现第41～45、46、49号LED的亮灭闪烁，闪烁周期0.5s，提醒行人和司机。

1.3.4 高速公路自动模式

相比行驶在一般道路，高速公路上车辆行驶的特点是车速快，车辆密度低，侧向干扰少[14]，此时司机的视角会变窄，远光灯的照射范围也要随之收窄一些，以便与高速公路的结构特点更匹配。

本模式下的矩阵式LED远光灯自动控制策略设计思路为：高速公路模式下，当图像采集和处理模块识别到前方无车辆进入远光灯照射范围，关闭两侧的数个光段，其余光段亮起;当识别到前方有车辆进入远光灯控制范围内时，除了关闭两侧光段，其余光段的控制按1.3.2节和1.3.3节中所述的不同情况下的远光灯自动控制策略进行控制。图10为高速公路自动模式下远光灯全亮时各个光段状态与相应LED状态间的对应关系。图10（a）中，深色区域表示光段亮，白色区域表示光段灭;图10（b）中，黑色圆圈代表LED亮，白色圆圈代表LED灭。

2 智能辅助控制系统设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 系统硬件总体设计

根据系统的功能需求，矩阵式LED远光灯辅助控制系统硬件总体结构如图11所示，主要包括主控制器（MicroController Unit， MCU）模块、LED电源驱动模块和矩阵开关控制模块。

2.1.2 MCU控制模块设计

本系统中MCU控制模块与其他硬件模块间的接口设计如图12所示。其中，本模块电路通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface， SPI）总线与LED电源驱动模块相连，通过I2C（Inter-Integrated Circuit）总线与矩阵开关控制模块相连。

MCU控制模块的硬件主要包括MCU接口电路、联合测试工作组（Joint Test Action Group， JTAG）调试接口电路和工作电源转换电路。具体设计时，综合考虑MCU的运行速度、成本和系统外设等需求，选取Silicon公司的C8051F410器件为系统MCU。该器件内部自带24MHz晶振，且具有UART、SPI、I2C总线接口，片上系统稳定可靠。同时，为提高系统控制的可靠性，设计中选用了DC/DC电源模块HDW10-24S3V3，用以实现直流24V到3.3V的转换及供电工作。

2.1.3 LED电源驱动模块设计

在本设计中，拟驱动25个白光LED，故对驱动电源芯片的要求较高：输入电压范围较大;LED负载串联所导致的输出电压范围较大;恒流驱动，输出电流检测基准小;可脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）调光[15-16];耐受汽车级温度（-40℃～125℃）。综合上述要求，本设计选用安森美公司的NCV78763作为远光灯的驱动电源芯片。NCV78763是先进的智能电源镇流器及双通道LED驱动器，提供高能效的单芯片汽车照明方案，其内部DC-DC拓扑为Boost-Buck拓扑结构，具有两个Buck电路，能够驱动电压达60V的两串LED，每路最大能够输出1.6A的直流电流。内置电流模式电压升压控制器，能对输入电流滤波。内置PWM调光功能，频率可达4kHz，此外还提供PWM直接馈送选择，用于从外部微控制器进行完整频率及精度范围的控制。

为此，本文中LED电源驱动电路的硬件设计主要包括NCV78763的Boost电路、Buck电路和SPI接口电路，电路设计原理图如图13所示。其中Boost、Buck电路在完成接口电路设计的基础上还需根据设计需求对其外围接口电路的各个参数进行计算和设计。

2.1.4 矩阵开关控制模块设计

由于本设计中LED采用串联连接方式来保证电流的一致性，为了实现单个LED的亮灭控制，本设计采用开关并联在LED两侧的方式来实现单个LED的亮灭控制。开关打开，LED正常亮起;开关闭合，LED因被短路而熄灭。因此，矩阵开关控制模块的设计思路是，根据接收到的MCU控制模块的控制信号，对单个开关进行动作，通过将开关与LED进行并联，直接控制并联LED的亮灭。考虑设计需求和开关芯片的经济性，选择凌力尔特公司的LT3965作为矩阵开关芯片。

LT3965芯片内有8个独立的NMOS开关，每个开关可作用于1～4个LED，具有可编程的开路和短路故障报警，支持I2C传输，拥有4位可配置的I2C地址，一条I2C总线上最多可以接入16个LT3965芯片。输入电压范围宽，可以为8～60V，与驱动电源芯片NCV78763支持的输入电压范围基本匹配。本设计中共有25个LED，故選用4个LT3965芯片。

MCU接口连接图如图12 所示，矩阵开关控制电路与MCU通过2路I2C总线相连，分别为时钟线SCL和数据传输线SDA。本设计中，4个LT3965芯片的SCL和SDA接口同时与MCU的SCL和SDA接口相连，MCU可以通过地址匹配准确控制不同LT3965，即控制每个LED开关，使得对应LED完成亮灭动作。矩阵开关控制电路示意图如图14所示。

2.2 系统软件设计

2.2.1 系统软件总体设计

MCU系统控制软件设计包含三部分：1）与图像采集和处理模块的通信软件设计（本文不涉及）;2）LED电源驱动模块控制软件设计;3）矩阵开关模块控制软件设计。图15为矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统的总体软件设计架构。

如图15所示，MCU系统控制软件的功能是，接收图像采集和处理模块的目标检测结果信号，再分别对LED电源驱动模块和矩阵开关模块进行控制，从而调节LED远光灯的亮度和照射区域;对LED电源驱动模块的控制过程包括判断车前路况，计算LED驱动电路的各参数，计算NCV78763寄存器设置参数，从而通过SPI串口通信实现控制信号传输;对于矩阵开关模块的控制过程包括判断车前路况，计算所有LED状态变量，计算LT3965寄存器设置参数，从而通过I2C串口通信实现控制信号传输。

2.2.2 LED电源驱动控制模块软件设计

驱动控制即根据当前的路况信息来设置驱动电源芯片NCV78763，若当前进入夜间照明状况较差的道路，且远光灯自动控制模式打开，即可按照远光灯自动控制下的驱动要求对驱动模块进行设置。设置方式为通过SPI通信接口来设置NCV78763相关的寄存器，相应的对 NCV78763的控制软件流程如图16所示。

由图16可知，MCU经过SPI初始化后，开启全局中断，当接收到路况信息后，MCU计算LED驱动电路输出情况是否需要更新。若需更新，则计算LED驱动电路在当前路况下所需的电流、电压输出值，并将其转换成NCV78763芯片控制寄存器的参数设置值，再将此参数值通过SPI串口传输至NCV78763相应的寄存器中，传输结束后释放SPI中断。

本控制软件主要设计函数有：

1）char ModeDetect （void）。主要用于当MCU根据接收到的路况信息来判断电路是否需要更新驱动电路输出。

2）void LEDDRIVERcalculate （void）。主要用于驱动电路输出需要改变时，根据检测到的道路情况，计算LED驱动电路参数。

3）void NCVREGISTERcalculate （void）。主要用于计算NCV78763相关寄存器的参数值。

4）void SPISendReceive （void） interrupt 1。定时中断函数，主要用于MCU与NCV78763的SPI传输。

2.2.3 矩阵开关控制模块软件设计

矩阵开关控制软件的功能为根据图像目标检测信息来控制开关芯片状态，从而实现LED远光灯的亮灭控制。MCU从图像采集和处理模块接收25个光段的状态，分析计算该信息，确定25个光段内50个LED的开关状态，再通过I2C通信将控制信号发送给开关芯片LT3965，从而控制每个LED的亮灭。图17为矩阵开关控制软件流程。

3 实验系统搭建与调试分析

3.1 实验系统搭建

在实验室环境下搭建的实验系统硬件实物如图18所示，主要包括：输入直流电源（1）、MCU控制和LED驱动电路板（2）、LED开关控制电路板（3）、LED矩阵（4）及上位PC（5）。

3.2 结果分析

实验测试系统搭建完成后，在实验室環境下，对不同路况下矩阵式LED远光灯的控制策略进行实验测试。

4 结语

本文针对矩阵式LED远光灯辅助控制系统完成了相应的设计，在实验室环境下实现功能测试与验证。与现有相关方法相比，本文所提方法的优越性主要体现为：1）提出了基于不同车前路况和周围环境的自适应矩阵式LED远光灯智能控制策略。2）在确保实现LED智能照射控制的前提下，简化并优化了系统软硬件设计：硬件方面的核心器件如MCU、LED电源驱动模块分别选用了集成度高、主频速度快、功能强大、外围接口资源丰富的新型器件，性价比高，电路实现简单，易于扩展;软件设计更加关注控制结果的准确性、实时性与可靠性。3）从实验室测试结果可知，该方法易于实现，复杂度尚可，具有良好的工程应用前景。然而，在实际工业应用场合，如何在各种复杂、不同车前路况下保证系统稳定检测车前运动目标的前提下进一步协调优化系统控制的响应速度与灵敏度还需开展进一步的研究。

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作者：谭喜堂 刘莎 朱琴跃 范清雯 王晨

电源驱动电路设计论文 篇2：

LED照明驱动技术的创新发展

由于传统照明光源和灯具预留给LED驱动电源的空间十分狭小，因此LED照明光源和灯具的驱动电源必须做得十分小巧，驱动电源芯片要求性能高度集成，而且要求成本低廉；应用电路要求更少的外围器件，要求LED驱动电源的芯片+周边零件的总数要求少于15个，甚至少于10个。

LED驱动电源主要模式

目前，室内LED照明光源和灯具的驱动电源分开关恒流隔离和非隔离驱动、高压线性恒流驱动等几种模式，RC阻容降压由于本身功耗较大和不安全、不恒流诸多不良因素已在淘汰之中。

RC阻容降压驱动的优点：电路简单，成本低廉；其缺点：电网兼容差，输出电流偏小，本身功耗较大，不安全。开关恒流驱动的优点：性能稳定，高效率，电网兼容强，方便功能拓展，升压、降压、升降压应用方便自由；其缺点：体积较大，生产较复杂，成本略高。高压线性恒流驱动的优点：性能稳定，易自动化生产，无插件大量节省人工；其缺点：灯珠利用率略低，略有残余工频纹波。室内LED照明驱动主要模式如图1所示。

LED驱动单级电源芯片要求内置高压MOS管，线电压补偿、源极驱动、过压/过流/过温保护、开路/短路保护等LED照明驱动电源必须的技术都要求被集成在单级芯片之中。

室内LED照明光源和灯具的狭小空间注定驱动电源芯片采用单级芯片，这就要求驱动电源芯片的功能高度集成，电源的控制功能和各种保护功能尽可能的集成在芯片之中。

非隔离开关恒流驱动已成主流

由于薄型塑包铝散热器技术和HVLEDs技术的兴起，解决了AC市电高压经电源变换点亮LED灯珠时内部高压电泄漏对人体的安全问题，塑包铝散热器简单而轻松地解决了LED光源和灯具内部高压与外部隔离的技术难点，因此采用应用线路简洁的非隔离开关恒流驱动电源已经成为通用平价LED照明光源和灯具的主流电源方案。非隔离开关恒流驱动电源芯片历经几代的开发更新，其集成度更高，集成功能更多，应用电路更简洁，应用成本更低，电源的性价比更有竞争力。

基于HVLEDs光源降低了发热，塑包铝散热器简单地解决了LED灯具内的高低电压隔离。驱动电源的选择就以恒流精度、电源效率、功率因数的补偿（PFC）为主考虑，隔离的开关恒流电源因使用变压器而总体效率一般在70%～88%，功率因数补偿小于0.9；非隔离的开关恒流电源恒流精度可达3%～5%，功率因数补偿大干0.9，电源效率大干90%，因此成为LED照明灯具的首选。非隔离的恒流电源有非隔离的开关恒流电源和高压线性恒流电源二种。

非隔离开关恒流驱动电源芯片的设计已经高度集成化了，将LED驱动电源需要的功能，如宽电压输入高精度恒流输出、过流保护、过压保护、LED短路和开路保护、CS电阻短路保护、芯片供电欠压保护等必须的功能已集成在单级芯片之中，功率输出的MOS管和恒流控制也都集成在一个芯片上了，应用电路十分简洁，周边零件一般可控制在15个以下，也就是为终端客户有效的控制材料成本和生产成本。

非隔离开关恒流驱动电源应用方案简洁，而且节省成本。如图2所示的使用非隔离的开关恒流源芯片BP2831A设计的5W LED球泡灯电源，输出DC80V、60mA，整个电路应用的元器件连主芯片共计15个，电源效率在AC220V、满载时达92%，电源可过EMC测试。该电源的PCB板的直径可小至φ18mm。

非隔离开关恒流驱动芯片的设计技术一直在不断创新和改良之中，一种芯片推出之后，马上就针对存在的不足之处进行改进，或增加新的功能，保持引脚不改变而推出下一代的升级芯片，其价格不升反降，因而不但增强老客户凝聚力，还吸引新客户。如图3所示升级后的芯片应用方案可取消原芯片应用方案的红线部分，有效节省应用成本。

隔离开关恒流驱动芯片占市三分

隔离开关恒流驱动芯片还占有总体市场的三分之一。不少LED光源和灯具还在使用散热性能良好的铝合金散热器，这就必须选用隔离的开关恒流驱动电源。

近年来，隔离的开关恒流驱动电源芯片技术在不断发展之中，从BP的隔离的开关恒流驱动电源芯片发展历程来看，功率因数PFC>O.5的芯片，经历了BP3102，到BP3122、BP3132，直到今天的应用简洁廉价版的BP9112；功率因数PFC>0.9的芯片，经历了BP3309，到BP3318、BP3319。BP的隔离开关恒流驱动芯片发展路径如图4所示。

隔离的开关恒流驱动芯片的技术改进是从升级后的芯片应用电路可去掉变压器一个辅助绕组，及其附属电路上的二极管、电阻开始的，如图5所示。从而开创隔离的开关恒流驱动芯片设计技术的革新，即原边反馈、去掉辅助绕组技术，为其应用电路有效节省成本。随后，又改变芯片对变压器要求的宽容度，改变芯片内部算法设计，使其对变压器的部分电参数不敏感，只关注匝数比，从而有效降低变压器制造成本。启用芯片内快速启动设计技术，以满足应用电路设计开灯即亮的要求。芯片设计技术的不断创新，使新一代的芯片功能不断增加，制造成本不断下降。

廉价开关恒流驱动芯片涌现

一种应用技术简单可靠，应用成本低廉，性能高度集成，只有三个脚SOT89-3或T092封装的隔离和非隔离应用的廉价开关恒流驱动芯片今年大批涌现，可能会给竞争已经十分激烈的廉价室内LED照明驱动电源市场带来烈火。它有隔离的和非隔离的几款典型产品。

KP1032TP是一个高度集成非隔离的Buck-Boost开关恒流（CC）控制LED照明电源驱动芯片，适用LED照明非隔离电路的应用。KP1032TP内部集成650V的MOSFET管；集成了高压快速启动/IC自供电电路和一种新型变压器消磁电路；集成欠压锁定（UVLO）、逐周期限流（OCP）、过温保护（OTP）；LED开路/短路的保护；Buck-Boost拓扑支持高输出电压；恒流精度±4%；非常小的VDD工作电流；内置AC线性恒流（CC）补偿。

KP1031是一个高度集成隔离的PSR开关恒流（CC）控制LED照明电源驱动芯片，内置650V的MOSFET管、集成高压快速启动/IC自供电电路和一种新型变压器消磁电路，消除了变压器辅助绕组。在CC模式，集成电路使用PFM控制CC补偿。通用的必须功能与KP1032雷同。

廉价开关恒流驱动芯片（见图6）的涌现可使平价LED光源和灯具的电源生产成本降至RMB一元或一元以下。廉价开关恒流驱动电源的周边元器件少于10个，生产成本甚至比传统的阻容降压电源还低，有利于全面淘汰不安全也不恒流的阻容降压电源。

线性恒流驱动技术日趋完善

LED照明灯具的驱动电源追求高PF（Power Factor功率因素）和低THD（Total Harmonic Distortion，总谐波失真）既是客户的希望也是电力系统的要求。能源之星和国际电信委员会（ICE）规范LED驱动芯片必须具备高功率因素校正（PFC）功能，以确保LED灯具的转换效率和灯具寿命。

LED光源和灯具的电源引入高压线性恒流驱动新一代电源技术，无电源的开关变换频率，因而也就无本身的开关频率残余，纹波也将大大降低；应用电路无变压器等磁性器件和电解电容器，线性电源的PF因此提高，THD因此下降。

高压线性恒流驱动芯片大多数是采用分段点亮的技术来驱动HVLED发光。目前分段的方法有1段、3段、4段、6段等数种，分段越多，电源工作效率越高，但是连接到HVLED的控制线也增加，如分成N段，控制线则N+1，分段过多电源效率提高并不明显，但应用线路略显复杂，这是LED灯具设计师所不希望的。比较适合光电一体化模块应用的是1段、3段、4段的分段驱动。1段内置一个MOS的驱动，虽然电源效率较差，但能满足蜡烛灯的特小空间的需要；3段和4段驱动内置3～4个MOSFET是目前优选的恒流驱动方法，兼顾电源效率、PF和THD，应用方案比较简洁，应用成本较低。内置MOSFET的线性恒流驱动芯片特别适合于一体化光电模块的应用，其应用电路零件少，有利于HVLED的配光分布设计。如三段高压线性恒流驱动电路十分简洁，周边元器件很少，因此可以将驱动电源与HVLEDs光源设计在同一块铝基板或陶瓷基板上。图7为三段高压线性恒流驱动芯片应用图。

高压线性恒流驱动电源目前的输入电压范围较窄，只能适合定压输入，它的脉动直流输出还有寄生的工频及其倍频的残余，导致其制成LED照明灯后还有些许频闪。这些问题造成业内对光引擎使用环境受限较多、应用范围窄的误解。高压线性恒流驱动电源芯片是一种定电压输入的驱动电源芯片，从最初对输入电源的±10%的宽容度到现在的±20%，即AC220V的可从AC180260V，基本满足不少使用地区电网波动的要求；而面对频闪问题，我们需要制定LED照明灯的频闪评估共识，例如日光灯、筒灯使用时离开受众均在50cm以上，那么在50cm以外没有频闪就可被认定为合格产品。纵然如此，光电引擎都还需要在电源芯片设计上作进一步改进和技术提升。

高压线性驱动芯片经过几代的改进设计，现在已经从当初的模拟电路芯片走向数模混合电路芯片，并向数字电路芯片发展，因此高压线性驱动芯片的性能日趋完善，更加稳定；数模混合的高阶分段线性恒流驱动芯片已经量产。

高PF和低THD高压线性恒流驱动芯片因其应用电路简洁高效和应用成本低廉，将会成为室内平价LED光源和灯具驱动电源首选之一。

高压线性恒流驱动芯片特别适合于工业自动化生产LED光电合一的模块即“光电引擎”，大大提高生产效率和有效地节省人工。可以为新一代LED光源和灯具节省独立电源的空间和有效降低制造成本。图8为采用高压线性恒流驱动芯片的光电引擎。

另一方面，由于高导热塑料散热器、塑包铝散热器技术日趋完善，性价比更好，铝塑散热器的成本比全金属散热器更低，绝缘性能更好，所以用光电引擎和塑包铝散热器组成的光源和灯具更加安全可靠。

作者：颜重光

电源驱动电路设计论文 篇3：

基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统设计

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.008

摘  要：现阶段粮仓虫害监测方式单一，存在效率低、稳定性差等问题。凭借NB-IOT低功耗、低成本等特点，设计一款基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统，该系统通过NB-IOT无线通信模块进行传输，采用电容法检测粮仓虫害数量及种类。经过实地测试和反馈，验证了该系统具有低功耗、高可靠性和灵活性强等特点，可实现对粮仓虫害问题的实时监控，能够很好地满足应用需求。

关键词：NB-IOT;电容法;虫害监测传感器;监测系统

Design of Granary Pest Monitoring System Based on NB-IOT

XIE Gang，QI Shifeng，LI Xinyue

（Panzhihua University，Panzhihua  617000，China）

0  引  言

粮食问题作为一个关系国计民生的大问题在我国历来深受重视，粮食不仅是国家之根本，也具有重大的战略意义。随着国际社会矛盾的日益加深，以美国为首的西方国家正在极力打压中国，粮食存储安全业已成为我们最有效最根本的保障，针对我国粮食储藏数量大的特点，不断发展粮食储藏及监测技术，以确保国家粮食安全，是一项长期而艰巨的任务^[1]。而粮仓粮食在日常保管中经常发生虫害，有效检测粮堆各处的虫害发生情况是保障粮食存储安全的重要一环。首先确定粮食害虫的种类及数量等，然后再采取相应的治理措施，亦可为熏蒸阶段采用的施药浓度、施药时间以及施药方式提供数据支持，保证粮食的存储安全。现有对粮仓的监测，如CN101441805A公开的“一种传感器网络粮情监测系统”，在粮仓内设置多个监测节点。通常都是采集粮仓内的温度、湿度、粮食水分等，雖然也实现了对粮仓虫害的监测，但其应用单一，适应性较差，无法适应环境恶劣及复杂的场景，并且在环境恶劣时，其通信质量也会出现不稳定的问题。

我们研发的基于电容法的传感器能够同时检测粮仓内的害虫种类和数量，基于NB-IOT无线数据传输模组，具有低成本、广覆盖、低功耗、大连接、强穿透、高定位等特点^[2]。特别是能够延长电池寿命，基于干电池供电的低功耗NB-IOT能够使电池寿命延长10年之久，并且在恶劣环境下的适应性很好。因此本文提出基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统设计方案，并完成了该方案的实现和实验验证。

1  系统总体方案设计

粮仓虫害监测系统的一种实施例的结构框图如图1所示，系统控制模块分别与粮食虫害监测传感器以及NB-IOT无线通信模块连接，云数据中心分别与NB-IOT无线通信模块及用户终端连接，粮食虫害监测传感器实时监测粮仓中粮食的虫害情况，并将虫害数据发送给控制模块，控制模块根据具体情况通过NB-IOT无线通信模块将数据发送给云数据中心，用户终端接收云数据中心传送来的粮仓监测数据并对粮仓的虫害情况进行监测。可以根据用户需求在用户终端自行设计预警系统，以实现对粮仓虫害问题实时高效的管理。本系统检测传感器装置采用电容法检测粮仓害虫问题，主要通过传感器中电容值的改变范围及改变次数来检测虫害种类和数量，通过基于NB-IOT的传输协议将数据上传至云端，集成独有的eSMI卡，提高稳定性，适用于粮仓虫害各种自然环境监测。低速率、低功耗、低成本的优点也使得NB-IoT技术在未来发展中越来越好^[3]。系统监测粮仓虫害数据如图2所示。

2  粮食虫害监测传感器设计

粮食虫害监测传感器的设计主要采用电容法来检测粮仓内害虫的数量及种类，如图3所示。实现的方法是：对电路所检测电容值的变化次数和变化范围进行分析，通过检测电容值的变化范围确定粮食害虫的种类，检测电容值的变化次数确定粮食害虫的数量，并依照协议实现数据的无线传输。即粮食害虫在检测电极间自由掉落的过程中，会引起检测电极电容值的改变，不同种类的粮食害虫对应不同的电容值变化范围，以此来区分粮食害虫的种类;通过检测电极电容值的改变次数，来统计粮食害虫的数量^[4]。

无线传感器装置包括害虫诱捕剂和进虫孔，方便吸引害虫，达到检测的目的;包括带有锥头的塑料圆管，便于插入各种环境的粮仓内部（根据圆锥原理），提高稳定性。

无线传感器装置包括用于粮食害虫种类和数量检测的两个检测电极、与两个检测电极相连接的电容检测电路、与电容检测電路相连接的无线传感模块。

以下是检测电极、电容检测电路、无线传感模块的作用：

（1）两个检测电极是固定于害虫掉落通道外两个相互绝缘对等的金属。

（2）电容检测电路通过C1和C2导线分别与检测电极的两极相连、通过VCC、GND、INT、SDA、SCL导线分别与无线传感模块相连接，在极低功耗下连续不间断地检测电容值^[4]。

（3）无线传感模块由微控制器和无线射频电路组成，采用干电池供电，同时为电容检测电路供电，电路寿命可达10年以上。

3  基于NB-IOT的无线通信模块

3.1  低功耗电源驱动电路设计

硬件低功耗电源驱动电路的设计内容包括：

（1）降低节点信息发送频率。

（2）优化电源驱动降低功耗。

降低节点信息发送频率通过加入数据的智能化处理，融入了eDRX（extended Discontinuous Reception）低功耗模式，降低节点信息的发送频率，采用锂电池供电，一次性锂电池可供节点工作10年以上。

优化电源驱动，采用M5310模组电源驱动电路，如图4所示。优化电源驱动PWR为M5310模组电源端，R1为电阻，C1为有极电容，Q1为P沟道MOS管，VBAT为电池电压端，VCC_OUT为M5310模组电源输出端，GND为接地。M5310模组电源驱动电路包括P沟道MOS管，P沟道MOS管的栅极与M5310模组电源端PWR连接，源极与M5310模组电源输出端连接，漏极与电池电压端VBAT连接，栅极还通过电阻R1与源极连接，漏极还通过电容C1接地。通过M5310模组实现优化电源驱动功能。

3.2  优化接口稳定性电路设计

电路具体实施方案如图5所示，在本系统中采用独立干电池供电的NB-IOT通讯方式并集成eSIM（Embedded-SIM）、eSIM卡（嵌入式SIM卡）。eSIM卡的概念是将传统SIM卡直接嵌入到设备芯片上，而不是作为独立的可移除零部件加入设备中，用户无须插入物理SIM卡^[5]。嵌入芯片在抗震、耐高温性能上更佳，具有稳定性更强，防水性能更好等特点，适用于恶劣环境下的设备。eSIM卡也是将硬件设备的生产与运营商数据分开的，先是将硬件设备芯片生产完毕，用户在使用设备时通过空中写卡的方式将运营商数据下载至硬件设备。也就是说，我们可以对同一个硬件设备进行写入和清除，同时还可以让不同设备绑定相同的号码，另外硬件设备可以下载安装不同运营商的数据，从而使设备可以交替使用不同运营商的数据信号，极大地提高了其适应性与应用性。

eSIM接口电路图如图5所示，NB-IOT无线通信模块包括eSIM接口电路，eSIM接口电路包括卡槽以及控制器芯片，卡槽的第一端口IO分别与控制器芯片的第一引脚1以及M5310模组中SIM卡的第一引脚连接，卡槽的第二端口CLK分别与控制器芯片的第六引脚6以及M5310模组中SIM卡的第二引脚连接，卡槽的第三端口RST分别与控制器芯片的第五引脚5以及M5310模组中SIM卡的第三引脚连接，卡槽的第四端口VCC分别与控制器芯片的第三引脚3以及M5310模组中SIM卡的第四引脚连接，卡槽的第四端口VCC还通过电容与控制器芯片的第二引脚2共同接地，卡槽的第五端口GND接地。

3.3  系统设计标准

3.3.1  设计参数

本系统设计参数如表1所示，系统设计采用拥有完全自主知识产权的粮食虫害传感器（专利号：ZL201110115813.1），准确度高，响应速度快，内置高性能处理芯片，内嵌高级滤波算法，可以对实时采集到的数据进行数据比对、超限报警以及趋势预判等操作，系统内部设计采用独立干电池供电的NB-IOT通讯方式并集成eSIM，适用于各种粮库环境，内置一次性电池，使用寿命大于10年，产品体积小便于安装。其独创之处体现在以下几个方面：

（1）低功耗。降低节点的工作电流，睡眠状态下电流消耗仅为几个微安，工作电流不超过20 mA，功率小于100 mW，远低于国家标准。

（2）供电方式。自主设计的模块电路加入了数据的智能化处理，融入了eDRX低功耗模式，降低节点信息的发送频率，采用锂电池供电，一次性锂电池可供节点工作10年以上。

（3）智能计算。自主研发的传感器可以在信号采集的第一时间对信号进行判断处理，分析虫害的种类后通过传输模块发送至云端。

（4）检测误差。检测数量误差小于4%;检测种类误差小于4%。

（5）防雷击。模块采用无线连接，增加防雷熔断机构，防雷击和电网冲击，消除火灾隐患。

（6）低成本。整个模组的价格是目前市场均价的四分之一，大大降低了模组成本。

（7）应用范围广。模组经适当修改可广泛应用于其他领域的物联网无线数据传输。

3.3.2  执行标准

系统执行标准采用GB/T 19001-ISO 9001《质量管理和质量保证标准》;GB/T17626.10-2017《电磁兼容试验和测量技术阻尼震荡磁场抗扰度试验》。使用环境：温度-40 ℃～60 ℃，湿度0 %RH～100 %RH，磷化氢浓度小于2 500 PPM。害虫的检测数量范围达到每种类0～60 000头，能够在恶劣环境下检测，且检测范围大，误差小。

4  结  论

本文设计一款基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统，利用虫害监测传感器的输入模块采集粮情中虫害信息，对粮仓进行实时监测。再利用NB-IOT无线通信模块将数据传至云端，进而能够随时获取粮仓虫害信息。本系统经过大量实验测试，充分证明验证了该系统的实时性、低功耗性、可靠性和高效性。在实地的运用过程中，用户可以在客户端快捷的查看粮仓虫害变化的历史数据，提高了环境恶劣情况下的适应性，保证了通信质量稳定性。

参考文献：

[1] 罗广彬.浅谈粮食企业仓储管理现状及科学保粮发展 [J].现代食品，2019（16）：5-7.

[2] 陈剑兴.基于NB-IOT下的粮仓温湿度检测 [J].中国新通信，2020，22（18）：127-128.

[3] 孙洁，许清河，刘晓悦.基于NB-IoT技术的远程粮情监控系统设计 [J].自动化与仪表，2020，35（4）：86-89+93.

[4] 岐世峰，李艳华，无线粮情监测管理系统的设计与实现 [J].四川大学学报（自然科学版），2012，49（1）：75-79.

[5] 陈丰伟.双卡手机，中国创新对全球终端发展的贡献 [J].互联网天地，2018（10）：32-37.

作者简介：谢刚（1998—），男，汉族，四川眉山人，本科在读，研究方向：物联网技术;岐世峰（1964—），男，汉族，山西临猗人，教授，本科，研究方向：物联网技术及应用;李欣悦（1998—），女，汉族，四川达州人，本科在读，研究方向：软件工程。

收稿日期：2021-04-12

作者：谢刚 岐世峰 李欣悦