基于锯齿波电源的低辐射教室照明系统

李龙华, 熊丽， 常宇辰， 金永镐

(延边大学 工学院， 吉林 延吉 133002)

现有的教室照明系统通常是首先通过整流滤波将220 V的交流电压变为310 V的直流电压，然后再经过DC-DC高频变换器驱动不同功率的LED灯组[1-2].这种驱动方式会产生大量的50～100 kHz高频、高压脉冲，且这种脉冲很容易辐射到空间并产生大量的电磁干扰，进而影响其他电器设备的工作和师生的身心健康[3-4].目前，未见对低辐射教室照明系统进行研究的相关文献，为此本文提出了一种基于锯齿波电源的低辐射教室照明系统，并通过实验证明了该系统的有效性.

1 非正弦波的组成及谐波分析

1.1 非正弦波的组成

图1为非正弦波的组成图，该非正弦波由主机产生，并将其提供给N个分机.在时间0～t1内，锯齿波的电压幅值在UL～UH内线性变化，该时间区为高压斩波区；t1～t2时间区为逻辑0的同步脉冲区；t3～t4时间区为逻辑1的同步脉冲区.

主机工作时，其首先利用高压电容对波形进行微分，由此在高压斩波区得到10 V左右的低压工作电压，并将该电压提供给分机的控制器，进而在同步脉冲区得到宽度分别为0.56 ms和0.28 ms的负脉冲(分别定义为逻辑0和1)；然后主机将该负脉冲作为同步信号，以此对高压斩波区进行同步斩波，以获得驱动LED灯组的不同电压.

图1 非正弦波的组成图

1.2 谐波分析

图2为波形幅度为UM、 占空比为D、 周期为T的脉冲波示意图.由图2可知，傅里叶变换时该脉冲波的幅频特性由下式决定：

式中n取1、2、3.当对开关电源取脉冲幅度UM=300 V、D=30%、f=50 kHz、n=30时，其幅频特性如图3所示.由图3可以看出，图中存在大量幅值较高的高次谐波.由频谱理论可知，除了正弦波以外的任何波形都能够产生谐波(谐波可分解为基频和高次谐波)，且谐波的幅度随谐波的次数衰减[5-6]；因此，图3中的高次谐波会产生电磁辐射.

图2 周期性的脉冲波

在非正弦波组成的系统中，当取UL与UH之间的差值为50 V时，其斩波脉冲的最大幅度为50 V.图4为UM=50 V、D=30%、T0=3 ms、n=30时非正弦波系统的幅频特性.由图4可以看出，非正弦波展开30次后其谐波仍然处于音频范围内，且幅值很小.由辐射理论可知， 0.02～20 kHz的音频范围属于低辐射音频范围[7]；因此，图4中的谐波电磁辐射很小.

图3 开关电源的幅频特性

图4 非正弦波系统的幅频特性

2 基于锯齿波电源的低辐射教室照明系统

2.1 照明系统

照明系统由主机(为系统提供电能)和分机(N个LED灯组)组成，如图5所示.

图5 照明系统框图

为了减轻锯齿波电源的功率负担，本文采用直流电源+锯齿波电源的方案.主机工作时首先对220 V交流电压进行整流滤波，以此得到UDC的直流电压；直流电压UDC经过主电源后变为直流电压UL， 并与锯齿波电源的输出电压UF叠加输出，即UO=UL+UF.

主电源提供驱动LED灯组的大部分电能，其中UL值可根据LED灯组所需的驱动电压在100～250 V范围内设定某一个值.由于锯齿波电源只起到电压补偿的作用，因此其所需要的功率较少，从而可减轻锯齿波电源的功率负担.另外，UDC经过辅助电源后，可为锯齿波电源提供隔离的直流电压UD， 锯齿波电源利用UD产生幅值在0～(UH-UL)范围内变化的锯齿波电压UF.图6为分机框图，图7为工作时序图.微分器对低频锯齿波电压进行微分后，在锯齿波的高压斩波区可获得约为10 V的低压，并供给分机控制器使用；同时在下降部分的同步脉冲区可获得同步脉冲和逻辑1或0， 从而实现主机和分机的通信.

由控制器控制每个同步脉冲点的斩波开关的导通，并检测LED灯组的电流.当灯组电流达到设定值时，斩波开关断开，由此灯组可获得不同的驱动电压.

图6 分机框图

2.2 锯齿波电源的设计

图8为锯齿波电源的电路图.本文使用的是STC15W402AS型高速单片机，该单片机内含1路10位的ADC转换器、3路16位的CCP模块、2路8位的PWM模块，且单片机工作频率可调整(最高工作频率可达33 MHz).在推挽输出模式下，该单片机的I/O口可提供20 mA的驱动电流[8-9].图8中的L6384为PWM信号用场效应管驱动器，其不仅结构简单，而且工作频率可达400 kHz，能够驱动600 V高压侧的场效应管.

锯齿波电源由单片机中的8位PWM模块和高速ADC转换器组成[10].当工作频率fS=33 MHz时， 8位PWM的工作频率约为129 kHz，周期T为7.8 μs.当锯齿波电源工作时，其首先用T(7.8 μs)对3 ms的锯齿波进行采样，由此得到384个数据；然后利用示波器对含有逻辑1或0的锯齿波进行采样，并建立逻辑1或0的数据表；最后利用查询方法将查到的数据送入PWM模块中[11].输出电压UF与数据N之间的关系为：

UF=NUD/256.

输出电压UF利用高速ADC采样，如果样值比设定值小，则利用控制辅助电源提高UD.高速ADC转换器的转换速度与转换时间的关系如表1所示.

图8 锯齿波电源的电路图

表1 高速ADC转换器的转换速度与转换时间关系

2.3 斩波型LED驱动电源的设计

图9为分机的电路图，该电路用低功耗单片机MK6A12进行控制.MK6A12型单片机是一种价格低廉且功耗较低的单片机，目前被广泛应用在各种工业控制器中.该单片机内含4 MHz的RC振荡器(可通过外部电阻设定频率)、WDT及复位电路，工作电压为2.5～5 V[12].

锯齿波电压UO上升时，电流经过C3、D2、R6给C5充电并建立一个5 V的工作电压；UO下降时，电流经过C3、D3、R8， C3放电，并在A点产生负电压， Q5导通B点(此时B点为低电平)，由此可检测出下降沿处的脉冲宽度，同时将其作为同步脉冲.由于每次同步脉冲结束时单片机PB0输出的是高电平，因此Q4导通，进而可使C4利用高压斩波区对LED灯充电.当灯组的电流在R4两端的压降超过0.6 V时， Q3导通， PB1的输入电压超过1.5 V， 由此使PB0输出变为低电平，并使Q4截止.R9的作用是防止刚接通电源时电路中出现过大的电流脉冲.

图9 分机电路图

3 实验结果与分析

图10为在高压波形中检测出的逻辑0和1的波形图.实验中取UL=200 V，UH=240 V.图11为主机发送F0H和55H时，由示波器检测出的逻辑0和1的波形图.

图10 在高压波形中检测出的逻辑波形图

图11 主机发送F0H和55H时的波形图

图12为分机以斩波方式工作时各点的波形图.由图可以看出，LED灯组驱动电压约为220 V，平均工作电流为50 mA，由此可得LED灯组的输出功率为11 W.由图还可看出，输入端电流呈缓慢上升趋势，且峰值电流约为190 mA，由此说明控制器可以稳定控制斩波开关，进而使LED灯组稳定工作.

图12 分机斩波方式工作时各点的波形图

4 结论

研究表明，本文提出的基于锯齿波电源的低辐射教室照明系统能够实现多地、分区控制教室内的N个LED灯，并能够达到有效节能和降低电磁辐射的目的.另外，该系统电路结构简单，因此其在照明系统中具有良好的应用价值.