消费类电子产品的设计与制作2011(1).2.3.

1消费类电子产品的设计与制作（讲义初稿）梅开乡撰写2011年2月3日2项目2.一种高效率家用LED灯电源的设计与制作LED灯因其具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等优点，被日益广泛得到应用。LED灯具价格较高，因为它包括了驱动电源、外壳、电路板和散热板等部件。其中作为LED灯的核心部件的驱动电源，若选用意法半导体公司（ST）的viper12A芯片来设计，可使成本降低到不足10元的水平。2.1LED光源的基本特性家用LED照明光源选用白光LED,可从世界著名的LED制造商美国科锐公司(CREE)的有关资料了解到,该公司生产的XR—E系列的白光LED，驱动电流在350mA~1A之间，在350mA工作电时的发光效率可达100lm/W，是白炽灯泡发光效率的5倍，完全可以用作家庭照明。通常白光LED在在350mA时电压为2.8V~3.9V之间,典型值为3.3V，反向击穿电压为5V，可视角为900，温度系数为–4mV/0C。用4个这样的LED就可以做成一个家庭LED照明灯，其照明效率达400lm/W，可达到8W荧光灯的照明效果。2.2家庭照明LED电源的设计与制作性能指标要求：工作电压为AC187V~265V，输出电压为自适应电压6V~13.5V，可以随意2~4个白光LED串联使用，输出电流为350mA，带短路保护。2.2.1VIPer12A芯片简介由意法半导体公司（ST）生产的VIPer12A芯片为双列8引脚，引脚图和内部结构图分别如图4（a）、（b）所示。从图4知，VIPer12A芯片是一个单封装的芯片，在同一片芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应管。第4脚UDD为芯片的供电电源端，第3脚FR为反馈信号控制端，第1、2脚为场效应管的源极，第5~8脚为场效应管的漏极。控制器的工作频率为60KHZ，通过反馈端FR的控制，来进行脉宽调制，从而达到稳压的目的。器件的这种设计方式可以减少组件的数量，降低系统的成本，简化电路板的设计。因此，这个产品家族被广泛地用来设计离线式开关电源。VIPer12A芯片具有下述良好的性能：过热保护自动关断模式；防止输出端短路导致击穿故障的打嗝（HICCUP）保护模式；保证低负载条件下的低功耗工作模式；高压启动电流源以及待机的低功耗（小于1W）模式等。2.2.2原理电路设计采用光电隔离、单端反激式拓扑结构的基于VIPer12A芯片的离线式开关电源如图5所示。VIPer12A芯片内带有一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应管（MOSFET），当PWM控制器输出高电平时，功率场效应管（MOSFET）导通变压器TF的初级绕组开始储存能量输出电压由变压器次级的输出电容C5来提供，由于工作频率较高，所以输出电容C5不需太大。当PWM控制器输出低电平时，场效应管截止，变压器次级开始向负载释放能量，同时向输出电容C5进行充电，整个过程通过光电耦合U2的反馈支路进行控制。考虑到输出电压太高会引起VIPer12A芯片本身损耗增大，可能导致发热损坏，所以本设计运用低成本的双运放U4（LM358）中的一个（U4-2）设计成电压控制环路，使该电源输出最高电压控制在13.5V左右，能够够快速有效地保护电源工作在可控的范围以内。同时为了控制LED的功耗，本设计又运用双运放U4的另一个（U4-1）设计成电流控制3环路，使LED工作在恒流350mA左右，以满足LED的工作要求，限制其自身功耗。双环路的自动控制可以提高本电源工作的可靠性和稳定性。为了防止产生自激，在两个环路中各自增加了RC补偿网络，如图5所示。启动时由芯片的高压源产生激磁电流，使输出端建立电压，同时变压器的辅助绕组随着输出也建立相应的电压，给VIPer12A芯片供电，开始正常用工作，RS为电流取样电阻，同时有过载保护作用。（a）引脚图；（b）内部结构图图4VIPer12A芯片图5LED灯电源原理图2.2.3变压器的设计与制作高频变压器设计是LED灯电源的关键部件，可以通过相关的设计工具来进行设计。由于工作在60KHZ，使用的磁芯都为铁氧体材料，选择材料可按下述公式计算得功率容量AP为：AP=AwxAe=Ptx106/[2XkoxkcxFoscxBmxJxη]上式中：Aw为磁芯的窗口面积；Ae为磁芯的有效横截面积；Pt为变压器的标称输出功率；Ko为窗口的填充系数；kc为磁芯的填充系数；Fosc为电源的工作频率；Bm为变压器的磁通密度；J为电流密度；η为变压器的工作效率。本设计取：Pt=0.35x13.5=5(W)；Ko≈0.2；kc≈1；Fosc=60KHZ；Bm=1500Gs；J=5A/mm2。将选取数据代入上式计算得：AwxAe=0.031cm4考虑到绕线空间，宜选择窗口面积大一些的铁芯，查有关手册：4选用日本NiceraEI19铁氧体磁芯,，其有效截面积Ae=23mm2；AW=55mm2；初始导磁率为2300。可计算得EI19铁氧体磁芯的率容量AP为：AP=AwxAe=0.23x0.55=0.12cm40.031cm4满足计算要求（实际上选择以后还需验证调整），变压器的引脚图及外形图如图6所示。变压器各绕组的计算与电源的工作方式、电源的输入电压范围、工作频率、脉冲占空比等诸多因素有关，计算过程比较复杂，而且结果不是唯一的。下面只把某组计算结果列出。图6变压器的引脚图及外形图初级绕组（即输入绕组）P1、P2选用ф0.16mm的高强度漆包线，绕112匝，初级电感量为2.0Mh；次级绕组（即输出绕组）S1、S2选用ф0.32mm的高强度漆包线，绕30匝；辅助绕组B1、B2选用ф0.12mm的高强度漆包线，绕50匝。由于变压器的体积较小，主要考虑安全绝绝缘工艺，先绕辅助绕组，加一绝缘层，再绕初级绕组（即输入绕组），加三层绝缘层，最后绕次级绕组，外包绝缘层。注意同名端不要弄错，如图7所示。图7变压器绕组工艺示意图需要注意的是：辅助绕组B1、B2是在电源启动后向VIPer12A芯片提供电源的，由于电源UDD的正常范围为9~38V，根据单端反激式电源的工作方式，该绕组与输出绕组的同名端极性相同。它的计算依据次级绕组和电压来决定，即辅助线圈与次级线圈的匝数比等于辅助电压与输出电压之比，当输出电压在6~13.5V变化时，辅助电压UDD必须在9~38V的范围内，否则该电源的性能指标就达不到设计要求。项目4.一种低成本节能数字时钟的设计与制作4.1电路的工作原理一种低成本低功耗数字时钟的电路原理框图和电路原理图分别如图10（a）、（b）所示。从图10（b）知，本设计采用了4000系列的CMOS芯片，其特点是：使用芯片数最少、计5时精确、动态显示的节电工作方式（耗电量仅为静态显示的2℅）、时间校准方便。从图10（a）知，电路由时钟脉冲电路、分/小时计数电路、时间显示电路、时间校准电路等4部分组成，电路工作电源5V，由4节5号充电电池提供。时钟脉冲电路输出周期为1秒的脉冲信号。电路选择用了频率为1MHZ的有源晶体振荡器IC1，其体积小巧并具有特别高的精度，误差为±5ppm，24小时计时误差小于1秒钟。其封装为4脚矩形排列，有两个电源引脚，一个输出引脚和一个空置的引脚。该振荡器采用4节5号充电电池提供+5V供电电源。电路通过3片CD4518芯片中的6组10分频电路，将1MHZ的脉冲转换成1HZ的脉冲信号。分/小时计数电路分别为60分频和24分频电路，运用CD4040（12级二进制钟控计数器）便可构成6分频电路和24分频电路。这里的6分频电路从10分钟计数器的输出端取计时脉冲信号，实现满60分钟向小时进一的功能。当分钟计数到60时，向小时计数器IC发送加1的计（a）电路原理框图；6（b）电路原理图图10一种低成本低功耗数字时钟数脉冲信号。在小时加1的同时分钟计数器清零。从显示结果来看，分钟显示的范围是从0分~59分，小时显示明火执仗范围是0小时~23小时，每到23小时59分钟时，再加1分钟则娈成0小时0分。4.2动态显示的节电工作方式时间显示电路由4只CD4033B计数/译码/驱动IC与4只配套的共阴数码管5011组成。CD4033B是具有脉冲下降沿消隐和指示灯检测（LT）端子的十进制钟控计数器，在其输出端备有7段译码器，在时钟脉冲的上升沿进行计数。CD4033B采用脉冲的下降沿消隐，实现清零方式。数码管的驱动方式有动态和静态两种。其中采用静态驱动的每个段码的驱动电流为10~20mA，按照每个数码管显示数字时平均为5个段码计算，则每个数码管的驱动电流为50~100mA。4个数码管的电子时钟需要300mA的驱动电流，如果用5号充电电池供电仅能维持半天，所以市场上的LED数字钟一般采用交流供电方式。采用动态显示的数码7管每个段码的驱动电流平均什也为15mA左右。本设计的目标是用5号电池充电一次使用15天以上，电路采用了四项节能措施：第一项节能措施是采用超高亮度的数码管5011，这种数码管每个段码的驱动电流仅为1mA，就可以发出普通数码管用20mA电流时相同的亮度。当使用20mA电流时，发出光亮足以保证在室外阳光下正常显示。有关超高度LED的发光效率的具体数据可查阅相关资料。第二项节能措施是采用了“小时”与“分钟”在每秒钟内各交替显示一次，即将每一秒钟分成两段时间，“小时”与“分钟”各交替显示一段时间。当“小时”显示时“分钟”熄灭，当“分钟”显示时“小时”熄灭。电路从IC4（CD4069）的第5脚取出1HZ的“秒”信号，其占空比为0.4，用门4、门5、门6将相位调整到每秒钟内“分钟”显示0.6秒、熄灭0.4秒；“小时”显示0.4秒、熄灭0.6秒。第三项节能措施是采用了CD4033的“零”数字消隐功能，即当十位数字为零时，该数码管不亮。例如，当前时间为8时6分，不是显示“08”时“06”分，而是显示“8”时“6”分。第四项节能措施是数码管显示的亮度受环境光线的控制，当夜晚室内光线较暗时，数码管自动降低亮度。具体做法是每只数码管通过一光敏电阻接地。光敏电阻可选用ф5的，亮电阻小于5KΩ的5606或者5516。如果不知道型号，就选用亮电阻最小的那一种型号。采用上述四项节能措施后，节能效果怎么样？超高亮度LED数码管耗电为普通数码管的十分之一，轮流显示措施节电一半，“零”位不显示耗电约为原来的70℅，夜间低亮度显示为原来的60℅。总体计算下来本，设计电路为静态显示电路的0.1x0.5x0.7x0.6=0.021，整机耗电的平均电流将原来的300mA降低到8mA，耗电仅为原来的2℅，大大延长了电池的使用时间。4.3时间校准电路在时钟正常工作的状态下，不用按动其他开关，只需按动“快进”AN2或者“慢进”AN1按钮，就可以向前调整时间。到了当前时间后，松开按钮，时钟就可以正常进入计时状态。在正常计时状态下，IC4（CD4518）第14脚（Q1B端）的10HZ信号通过一个5KΩ的电阻送到下一级计数器的第1脚（CPA端）。当按下“慢进”AN1按钮时，IC3（CD4518）的第12脚（Q3B）输出的2KHZ信号直接进入到IC4（CD4518）的第1脚。这样，计数器的运行速度快了200倍，不再是每分钟加1，而是每秒钟加3，即每秒钟可向前调整3分钟。按动“快进”AN2按钮，则用50KHZ的信号取代原来的10HZ信号，可在一秒钟的时间向前调整90多分钟。4.4分步组装单元电路电路有4位数字输出，0~23小时和0~59分钟，即小时和分钟各用2个数码管。采用2个绿色数码管显示“分钟”数字，采用2个红色数码管显示“小时”数字。考虑到数码管与驱动电路CD4033的连线尽可能地短，应将数码管安装在CD4033的上方。为了便于观察，显示小时和分钟乳石的电路分别安装在电路板的左右两边。对于比较复杂的电路，不要采用全部电路组装完毕再进行调试的方法，要求采用分步组装单元电路的方法。分步组装的原则是先组装那些相对独立工作的电路，以便组装一部分电路后就可以对其进行调试，确保这部分电路组装成功后，再进行下一步的组装，直到全部电路组装调试成功。根据本设计的特点分步组装修