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【我是工程師第三季】一款新型LED模擬和數字調光電源的研究

今年太忙了,還好活動延期,總算趕上了末班車。

參加了去年的工程師第二季,獲得了不錯的成績,感謝評委,版主,網友們,以及電源網的主辦和贊助,當然了,那些實用的干貨希望能給伙伴們帶來借鑒和成長。

第三季再接再力,希望可以取得更好的成績。即然這樣,那得拿點貨出來了。^-^

本帖將先分析研究調光方案的可行性,再講解實案的開發(fā)過程,所有內容與我實際的操作同步滾動直播。

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gaon
LV.7
2
2017-05-28 08:53
看樣子,很有實力,關注一下
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spowermic
LV.4
3
2017-05-28 08:59

將PWM信號V2通過RC積分加到運放的同相端做基準電壓,通過檢測電源輸出端的電流加到運放的反相端做比較,實現電流調節(jié)功能。

通過R1與電阻調光器R6分壓,實現改變基準電壓,調節(jié)輸出電流。

通過R1,經過D1穩(wěn)壓,維持無調光器狀態(tài)下的正常輸出

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spowermic
LV.4
4
2017-05-28 09:25
@spowermic
[圖片]將PWM信號V2通過RC積分加到運放的同相端做基準電壓,通過檢測電源輸出端的電流加到運放的反相端做比較,實現電流調節(jié)功能。通過R1與電阻調光器R6分壓,實現改變基準電壓,調節(jié)輸出電流。通過R1,經過D1穩(wěn)壓,維持無調光器狀態(tài)下的正常輸出

通過仿真可以看到,無調光器狀態(tài)下,PWM調光器100%占空比下,電阻調光器100K下,基準保持相同

通過調節(jié)R1,基準分壓電阻R11和R3,V3,使電阻調光器100K下的基準與無調光器的情況下保持相同,也可使電阻調光器調節(jié)輸出電流的比例發(fā)生改變

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spowermic
LV.4
5
2017-05-28 09:49
@spowermic
[圖片][圖片][圖片]通過仿真可以看到,無調光器狀態(tài)下,PWM調光器100%占空比下,電阻調光器100K下,基準保持相同通過調節(jié)R1,基準分壓電阻R11和R3,V3,使電阻調光器100K下的基準與無調光器的情況下保持相同,也可使電阻調光器調節(jié)輸出電流的比例發(fā)生改變

R1為56K的對應參數顯然調光比例不理想,50%阻值時分壓電壓還有7.9V,即50%調光器阻值對應的輸出電流有80%,

R1為100K時對應的參數明顯改善,50%阻值對應68%,

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spowermic
LV.4
6
2017-05-28 09:56
@spowermic
[圖片][圖片][圖片]R1為56K的對應參數顯然調光比例不理想,50%阻值時分壓電壓還有7.9V,即50%調光器阻值對應的輸出電流有80%,R1為100K時對應的參數明顯改善,50%阻值對應68%,

PWM調光沒有分壓問題,調光比例非常理想,RC積分電路要選好阻值和容值,過大的阻值容值時間常數太大,過小的阻容值使信號不夠平滑

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spowermic
LV.4
7
2017-05-28 10:00
@spowermic
[圖片][圖片]PWM調光沒有分壓問題,調光比例非常理想,RC積分電路要選好阻值和容值,過大的阻值容值時間常數太大,過小的阻容值使信號不夠平滑
調光器到D1最好串個小阻值電阻。0-10V也是同理,以上方案經過驗證可行,就是所謂的三合一調光了,這種調光方式對于PWM調光而言,只能適應10V PWM,且需精確控制PWM高電平電壓,因為直接反應的是輸出的電流。
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spowermic
LV.4
8
2017-05-28 10:08
@spowermic
調光器到D1最好串個小阻值電阻。0-10V也是同理,以上方案經過驗證可行,就是所謂的三合一調光了,這種調光方式對于PWM調光而言,只能適應10VPWM,且需精確控制PWM高電平電壓,因為直接反應的是輸出的電流。
然而,如果需要能在不同PWM電平下進行調光,此方案就行不通了,小伙伴們先頂一頂,看一看,休息一下,消化一下,先去繞兩個變壓器^-^,忙完再接下來探討第二種方案。
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2017-05-29 00:02
@spowermic
然而,如果需要能在不同PWM電平下進行調光,此方案就行不通了,小伙伴們先頂一頂,看一看,休息一下,消化一下,先去繞兩個變壓器^-^,忙完再接下來探討第二種方案。
關注 學習
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spowermic
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10
2017-05-29 11:11
@154600
關注學習
接下來探討第二種方案
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spowermic
LV.4
11
2017-05-30 15:05
@spowermic
接下來探討第二種方案

通過檢測輸出電流加到運放的反向端,利用PWM信號控制三極管的占空比,把2.495V的基準電平經過RC積分加到運放反向端,改變實際的電流檢測信號,實現調節(jié)輸出電流的目的,從電路圖中可以看出,只要滿足PWM信號高電平時,三極管能夠飽和導通,低電平時能完全截止的條件下,無論PWM信號是多少V,調節(jié)的輸出電流基本不變。

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spowermic
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12
2017-05-30 15:18
@spowermic
[圖片]通過檢測輸出電流加到運放的反向端,利用PWM信號控制三極管的占空比,把2.495V的基準電平經過RC積分加到運放反向端,改變實際的電流檢測信號,實現調節(jié)輸出電流的目的,從電路圖中可以看出,只要滿足PWM信號高電平時,三極管能夠飽和導通,低電平時能完全截止的條件下,無論PWM信號是多少V,調節(jié)的輸出電流基本不變。

PWM信號1%占空比下,反相端的電壓為97.8mV,而同相端基準電壓為111.5mV,說明占空比1%時對應的輸出電流為12.3%,顯然可調節(jié)的最小電流太大了,不符合要求

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spowermic
LV.4
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2017-05-30 15:24
@spowermic
[圖片]PWM信號1%占空比下,反相端的電壓為97.8mV,而同相端基準電壓為111.5mV,說明占空比1%時對應的輸出電流為12.3%,顯然可調節(jié)的最小電流太大了,不符合要求

通過改變R11和R3可改變調節(jié)電流的比例,當然可改變的地方很多,如前面的RC積分中R的阻值,但是我們不要去動他,就動這兩個電阻就可以了。通過把R11改為10K時,我們可以看到,同相端的信號與反相端的基準基本差不多了,1%占空比下對應的輸出電流只有近1%,要注意的是,電流調節(jié)并非越與基準相近越好,最好要留點裕量,避免提前關斷

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spowermic
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2017-05-30 15:29
@spowermic
[圖片]通過改變R11和R3可改變調節(jié)電流的比例,當然可改變的地方很多,如前面的RC積分中R的阻值,但是我們不要去動他,就動這兩個電阻就可以了。通過把R11改為10K時,我們可以看到,同相端的信號與反相端的基準基本差不多了,1%占空比下對應的輸出電流只有近1%,要注意的是,電流調節(jié)并非越與基準相近越好,最好要留點裕量,避免提前關斷

我們再來看一下Q2的波形,經過仿真,可以看到有很高的尖峰

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spowermic
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2017-05-30 15:33
@spowermic
[圖片]我們再來看一下Q2的波形,經過仿真,可以看到有很高的尖峰

通過在Q2的C-E之間并聯一個小電容,基本沒有尖峰了,波形很漂亮

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spowermic
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16
2017-05-30 15:57
@spowermic
[圖片]通過在Q2的C-E之間并聯一個小電容,基本沒有尖峰了,波形很漂亮

這個方案的好處是對PWM電平可以有很寬范圍,沒有精度要求。

細心分析電路的朋友還可以看出,具有軟啟動功能,在通電瞬間,由于時序和響應時間問題,“三極管還沒來得及導通”,2.5V的基準電壓通過分壓,直接加到運放的反向端,使反向端的信號最大,因此開通瞬間的輸出電流很小并慢慢建立的一個過程。建立的時間與RC積分電路的時間常數和PWM信號的占空比有關

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spowermic
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17
2017-05-30 16:35
@spowermic
這個方案的好處是對PWM電平可以有很寬范圍,沒有精度要求。細心分析電路的朋友還可以看出,具有軟啟動功能,在通電瞬間,由于時序和響應時間問題,“三極管還沒來得及導通”,2.5V的基準電壓通過分壓,直接加到運放的反向端,使反向端的信號最大,因此開通瞬間的輸出電流很小并慢慢建立的一個過程。建立的時間與RC積分電路的時間常數和PWM信號的占空比有關

然而行業(yè)對這類型的方案普遍的認知是無法完全關斷和無法精確控制。

也許是普遍認知,也許是做過的沒能完全關斷和精確控制,再傳到沒做過的人的耳朵里,也就這么傳下去了。

我不太喜歡那些條條框框,別人說做不到我們就真的相信做不到,因為大家都是這么做的。

其實只要稍微發(fā)揮下自己的創(chuàng)造力,關斷的辦法還是很多,比如可以再用一個運放專門用來控制關斷和導通,比如用個MOS切斷輸出或控制前級等等。切斷輸出會引起過沖的問題,只要解決過沖的問題就實現了。這種方法我試過,但沒有去鉆研了。因為我用另外的方法解決了??紤]到技術的保密性,以及正在申請專利的問題,不能透露過多的信息。只能給大家一個思路,但是我覺得已經足夠了,總不能我直接把電路貼出來,這樣就創(chuàng)造不出更有逼格的了。這樣也鍛練不出自己的創(chuàng)造力,讓自己得到提升。所以望諒解哦。其實不管什么東西,看似復雜與神奇,其實只不過是元器件的基本特性應用而以。比如說以前照相機的閃光燈,看似蠻神奇,只不過是電感的基本特性而以。

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spowermic
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18
2017-05-30 16:57
@spowermic
然而行業(yè)對這類型的方案普遍的認知是無法完全關斷和無法精確控制。也許是普遍認知,也許是做過的沒能完全關斷和精確控制,再傳到沒做過的人的耳朵里,也就這么傳下去了。我不太喜歡那些條條框框,別人說做不到我們就真的相信做不到,因為大家都是這么做的。其實只要稍微發(fā)揮下自己的創(chuàng)造力,關斷的辦法還是很多,比如可以再用一個運放專門用來控制關斷和導通,比如用個MOS切斷輸出或控制前級等等。切斷輸出會引起過沖的問題,只要解決過沖的問題就實現了。這種方法我試過,但沒有去鉆研了。因為我用另外的方法解決了??紤]到技術的保密性,以及正在申請專利的問題,不能透露過多的信息。只能給大家一個思路,但是我覺得已經足夠了,總不能我直接把電路貼出來,這樣就創(chuàng)造不出更有逼格的了。這樣也鍛練不出自己的創(chuàng)造力,讓自己得到提升。所以望諒解哦。其實不管什么東西,看似復雜與神奇,其實只不過是元器件的基本特性應用而以。比如說以前照相機的閃光燈,看似蠻神奇,只不過是電感的基本特性而以。

這種解決方案是可行的,我們已經推出了 LSP03 + LSD58 模塊( PWM控制+DIM控制),特別是PWM調光模塊 LSD58D做得非常細致,可以精確控制關斷,對PWM控制器的驅動能力只需50uA,意味著一個普通的5mA驅動能力的PWM控制器可以同時帶到100臺電源,留點裕量,最少也可以帶到50臺。

對于LSD58B  0-10V調光也可以實現精確關斷,關斷電壓在0.2-0.3V的樣子,導通電壓在0.4-0.5V的樣子。

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spowermic
LV.4
19
2017-05-30 17:56
@spowermic
這種解決方案是可行的,我們已經推出了LSP03+LSD58模塊(PWM控制+DIM控制),特別是PWM調光模塊LSD58D做得非常細致,可以精確控制關斷,對PWM控制器的驅動能力只需50uA,意味著一個普通的5mA驅動能力的PWM控制器可以同時帶到100臺電源,留點裕量,最少也可以帶到50臺。對于LSD58B 0-10V調光也可以實現精確關斷,關斷電壓在0.2-0.3V的樣子,導通電壓在0.4-0.5V的樣子。
好了,采用第二種方案,進行正式的設計工作了
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spowermic
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2017-05-30 17:58

元器件的位置基本擺好了,走線布通了。采用非常緊湊的設計,60W調光電源僅42*100的PCB尺寸。

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spowermic
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21
2017-05-30 18:09
@spowermic
[圖片]元器件的位置基本擺好了,走線布通了。采用非常緊湊的設計,60W調光電源僅42*100的PCB尺寸。

設計PCB要素,大的及核心的器件先布局,先布局好插件,再布貼片,最后走不通時再進行應當調整。

PCB布局布線應從工作性能,可靠性,EMI,工藝可行性,現代商業(yè)競爭的經濟性,有更高追求的美觀性等綜合折中考慮,不應是傳統(tǒng)的,很多論文,很多書籍上單一的條條框框。比如說大電流回路要小,MOS管D極到變壓器間動點,次級整流前的走線要小且短等等。我們不應該局限于此,但盡可能按那要求去。最終還是要根據其它因素綜合考量,進行折中處理。

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spowermic
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22
2017-05-30 18:27
@spowermic
設計PCB要素,大的及核心的器件先布局,先布局好插件,再布貼片,最后走不通時再進行應當調整。PCB布局布線應從工作性能,可靠性,EMI,工藝可行性,現代商業(yè)競爭的經濟性,有更高追求的美觀性等綜合折中考慮,不應是傳統(tǒng)的,很多論文,很多書籍上單一的條條框框。比如說大電流回路要小,MOS管D極到變壓器間動點,次級整流前的走線要小且短等等。我們不應該局限于此,但盡可能按那要求去。最終還是要根據其它因素綜合考量,進行折中處理。

比如這個是60W的電源,輸出電流較小,55V1.05A,為了經濟性,采用兩只DO-201封裝的二極管,為了加強散熱,不得不把次級整流前的走線面積加大,且開窗,EMI會差多少呢?改善線小與走線很寬并開窗時的EMI需要多少成本呢?用很貴大電流二極管或是再加個散熱片,哪個更加具有商業(yè)價值呢,再說這么小的PCB尺寸也放不下那么多東西,顯然只能走線寬并開窗處理,當然是在走線寬并開窗就能滿足散熱的前提下??傊覀儜芽煽啃苑旁诘谝晃唬瑳]有了可靠性,再談什么EMI或其它任何東西都沒有意義了。

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spowermic
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23
2017-05-30 18:55
@spowermic
[圖片]比如這個是60W的電源,輸出電流較小,55V1.05A,為了經濟性,采用兩只DO-201封裝的二極管,為了加強散熱,不得不把次級整流前的走線面積加大,且開窗,EMI會差多少呢?改善線小與走線很寬并開窗時的EMI需要多少成本呢?用很貴大電流二極管或是再加個散熱片,哪個更加具有商業(yè)價值呢,再說這么小的PCB尺寸也放不下那么多東西,顯然只能走線寬并開窗處理,當然是在走線寬并開窗就能滿足散熱的前提下??傊覀儜芽煽啃苑旁诘谝晃?,沒有了可靠性,再談什么EMI或其它任何東西都沒有意義了。

工藝的可行性應確保插件方便,焊盤無連錫虛焊等現象,貼片元器件盡可能朝一個方向,工藝好且美觀,焊盤保持1mm以上比較合適。

需散熱器件下面的PCB能開孔就盡量開孔,利于散熱。

PCB設計不是本貼的重點,就大致的說一下了,上一季有詳細的介紹

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spowermic
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24
2017-05-30 18:57
@spowermic
工藝的可行性應確保插件方便,焊盤無連錫虛焊等現象,貼片元器件盡可能朝一個方向,工藝好且美觀,焊盤保持1mm以上比較合適。需散熱器件下面的PCB能開孔就盡量開孔,利于散熱。PCB設計不是本貼的重點,就大致的說一下了,上一季有詳細的介紹

到這里,PCB的設計工作就玩成了,圖片為3D模型,采用了極具成本效益的CEM-1單面板,電路復雜,元器件多,走通死了好多腦細胞- -

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spowermic
LV.4
25
2017-06-03 12:42
@spowermic
[圖片][圖片]到這里,PCB的設計工作就玩成了,圖片為3D模型,采用了極具成本效益的CEM-1單面板,電路復雜,元器件多,走通死了好多腦細胞--
提高點難度,計劃用一個更小尺寸的PCB來做這個案子,利用放假,明天開始畫PCB
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2017-06-07 11:17
@spowermic
提高點難度,計劃用一個更小尺寸的PCB來做這個案子,利用放假,明天開始畫PCB
 LSP03 + LSD58 模塊(U1 PWM控制+U4 DIM控制)是否能貼出這兩款IC的Datasheet。
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2017-06-09 14:07
@spowermic
[圖片][圖片]到這里,PCB的設計工作就玩成了,圖片為3D模型,采用了極具成本效益的CEM-1單面板,電路復雜,元器件多,走通死了好多腦細胞--
整流前后的距離是不是不太夠啊
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spowermic
LV.4
28
2017-06-29 08:42
@隔壁關耳工
整流前后的距離是不是不太夠啊
距離是夠的
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spowermic
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29
2017-06-29 08:42
@peterchen0721
 LSP03+LSD58模塊(U1PWM控制+U4DIM控制)是否能貼出這兩款IC的Datasheet。
這個不是IC,是模塊
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spowermic
LV.4
30
2017-06-29 08:43
@spowermic
距離是夠的
這個月是非常忙的一個月,一直沒有空過來
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spowermic
LV.4
31
2017-06-29 08:46
@spowermic
這個月是非常忙的一個月,一直沒有空過來

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