ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ・探索与观察 基于ＭｕＩｔｉｓｉｍ的ＬＥＤ照明驱动电路设计与仿真 广东省惠州市质量计量监督检测所文家昌 【摘要】介绍了Ｍｕｌｔｉｓｉｎｌ￣｝－（件的主要功能，分析了电容分压式ＬＥ１）照明驱动电路的特点 、设计了功耗１ｗ的实验性电路，并阐述设计思路，分 析工作原理采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件对实验电路进行绘制和仿真，验证设计可行性，从中介绍Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件的应用 【关键词】Ｍｕｌｔｉｓｉｎｌ￣－件；电容分压式；ＬＥＩ）ｆｌ￣明驱动电路 １ 引言 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件足ＮＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公司开发的 ‘款电路没汁 软件，它通过直脱的 形用户界面将原理图输入和工业标准的ＳＰＩＣＥ 仿真集成在问一软件平台上，可以便捷地实现电路原理图绘制、交 式仿真、电路图布板和设计验证等功能。借助Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的强火功能． 电子工程师可以提高电路设计的工作效率，降低设计成小。 ＬＥＤ足一种节能环保的新 光源，具有体积小、启动快、电压 低、使用寿命长等特点，存显示、背光、装饰和照明等领域有广阔的 市场前景。目前，大功率ＬＥＤ光源制造成本比较高、驱动电路比较复 杂、发热量大而需要采取专门的散热措施，制约了其在低端照Ｈ』］领域 的戍用。与之相比，将数目众多的小功率ＬＥＤ并、串联，兼采用电容 分压式设计的驱动电路具有简单廉价、发热量低、直接使用 电等优 势。根据这种方法，设计．『，功耗为ＩＷ的实验电路，并通过Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软 件进行表达和仿真。本文以该实验性电路为例，侧重ｊ 阐明电窬分压 式驱动电路的工作原理和介绍Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件的应用。 ２ ＬＥＤ照明驱动电路设计和Ｍｕｌｔｉｓｉｍ原理图绘制 ２．１电容分压式驱动电路 电容分压式设计方案基于在交流电路中，电容具有容抗，串 联在电路上的电容也能像电阻一样起到分压镇流作用。电阻消耗有 功功率，使一部分电能转化为热耗；电容消耗无功功率，发热量较 低。电容分压式驱动电路具有温升低、设计简单、供电方便等优 点；缺点是效率较低、亮度一致性不高。这种电路适用ｆ小功率 ＬＥＤ，尤其是数量众多的ＬＥＤ并、串联，支路电 较高的场合。实 验证实，由于ＬＥＤ封装中其正向压降离散值较大，目．ＬＥＤ亮度输出 与其电流成正比…，ＬＥＤ亮度一致性较差，但通过串联合适电阻町 以使每串ＬＥＤ亮度平均，较适于低端照明市场。 ２＿２功耗为１ Ｗ的实验性电路设计 实验电路原理图如图Ｉ所示。 ｌ１ 一 荨琏妊｛ Ｅｒ一ｔ 卓章 —ｍ ！ Ｆ暑 ｌ毒Ｌ 一 ｌ ｒ ＊。ｍ扣“÷ ｍｌ ｇ｝ｅ帅蚺 Ｅ ＬＥ∞ ４， 一…～ ｉ 图１功耗１ｗ的实验电路 该电路驱动１２只小功率ＬＥＤ，采用４串３并的联接方式币¨电容分 压驱动方式。ｃ１、Ｃ２为相同的两个电容，起分压限流作用，将之 并联可以减小等效电感；Ｒｌ为Ｃ１、Ｃ２的放电电阻。３Ｎ２５９是集成 单相桥式整流电路，将交流电压变换为 向脉动电压，实际应用ｌｆ１ 可以用成本更低的４个１Ｎ４００７组成的整流桥替代。Ｌｌ、Ｃ３』｝ｊ ｒ滤除 整流后输出的电压高频成分；Ｃ４用于滤波，起到降低输ｆＩＩ电压的交 流成分，保留直流成分的作用；Ｒ３１Ａ１０是Ｃ４的放电电阻。Ｒ２是镇流 电阻，用以防止流经ＬＥＤ的电流波动过大。晶闸管ＭＣＲ２２．８、电阻 Ｒ４￣ＩＩＲ５构成过流保护电路。 ２．２ １分压电容值的确定 首先假设负载阻抗很小，输入交流电压全部加在分压电容两 端，可以归纳得到以下公式： ｕｉ ｌｃ一——＝一 ２丌ｆＣ 其中ＩＣ为分压电容的允放电电流，ｕｉ为输入交流电压彳丁效位， 伪交流电压频率（取５０Ｈｚ），Ｃ为分压电容值。为－ｒ延长ＬＥＤ的使ＪｔＪ 寿命，通常把实际工作电流控制在７０％～８Ｏ％的额定电流， 每 ｛ ＬＥＤ的额定电流为２０ｍＡ时，该实验电路驱动的ＬＥＤ总负载电流约为 ４８ｍＡ，分压电容值至少为６９５ｎＦ。根据上式汁算出来的只是电容的近 似值，仅用作参考，再结合Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件的测量探针功能，通过实＿ｆ、ｆ 地监控ＬＥＤ工作电流值和修正分压电容值，确定ｅｌ、Ｃ２１Ｈ］耿３６０ｎＦ。 ２ ２ ２整流滤波电路和镇流电阻 由于桥式整流器单个 ：极管需承受最大反向峰值电压为３１８Ｖ（２２０Ｖｆｌ＇，Ｊ ２倍），集成单相桥式整流器３Ｎ２５９具有１０００Ｖ的最高反 ｆ｝｛峰值电压干【Ｊ ２Ａ的最大正向整流电流，完全满足设计需要。 为了得到较好的滤波效果， 实际工作ｌｆ１绎常根掘Ｆ式来选择 滤波电．容的容量Ｃ： Ｒ ≥（３～５）圭 其中Ｔ为电嘲交流电压的周期，ＲＬ为负载电阻。Ｃ值越大，放 电过程越慢，滤波输出电压越高，同时脉动成分越少，滤波效＿粜越 好 １。Ｃ４选取容量４７ｕＦ的电解电容。为了滤除高频成分选取Ｌ１为 ｌＯ０ ｕ Ｈ的电感，Ｃ３为１ＯｎＦ的电容。 由于实验电路驱动的ＬＥＤ数目少，ＬＥＤ的正向动态电阻很小， 电流容易波动。通过串接镇流电阻，可以起到稳压稳流的作川。电 阻值Ｒ可以由以下公式估算： Ｒ＝（Ｋ＿１） 其中Ｋ（电压系数）＝０．６，Ｕ、Ｉ为ＬＥＤ的上作电压、ｌ乜流。结 合Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件分析，Ｒ２取值ｌ ００ Ｑ。 ２．２ ３过流保护电路 ＬＥＤ的工作电流不能超过其额定值，否则不仪不会提高亮度， 还会缩短使用寿命，影响整个照明电路的可靠性， 此需要设置过 流保护电路。该保护电路出晶闸管ＭＣＲ２２ ８、电 Ｒ４￣ｆｉＲ５组成。 ＭＣＲ２２—８的门极触发电压Ｕ ＝Ｏ．８Ｖ。Ｒ５为品 管提供触发偏置电 压，阻值选择可参考以Ｆ关系式，其中Ｉ是流经Ｒ５的电流。为研一 定的裕量，取Ｒ５＝１２Ｑ。 Ｒ５≤ 图２原理图绘制结果 ２．３ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ原理图绘制 运行Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件，新建空白的电路原理图文件，选择Ｐｌａｃｅ（布 置）￣Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（组件），从Ｓｅｌｅｃｔ ａｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（选择组件）了窗 中选取 需要的元件放置到原理图上适当的位置，必要时可以通过鼠标 键单 击元件￣Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ（属性１，修改元件的数值或其它属性。选择Ｐｌａｃｅ（布 置１一ｗｉｒｅ（布线），用导线将各元件连接，结果如图２所示。 （下转第３１页） 电子世界 ・２９・ ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳ Ｗ０ＲＬＤ・探索ｓ观察 ３．２高可用性 支持主各工作模式，支持完＿伞自主的丰备判决模式平ｌ１外接控制 的主备判决模式。 表２ ＴＡＵ防雷板技术指标 参数 劓频信号频率 射频信号插损 ＧＰＳ信号频率 （ Ｐｓ信号插损 输出残压 浪涌要求 指标 １ ７８５ １ ８０５ＭＩ１ｚ ＜０ ５ｃＩＢ ｌ５７５＋／一２Ｍ¨ｚ ＜Ｏ．５ｄＢ ＜３６Ｖ 差模８ｋＡ，共模４０ｋＡ（８／２０ｕｓ） 图４射频板内部框图 射频扳按照功能可分为数字部分，发射部分和接收邮分。 其Ｉｌ１数 部分 要实现二个功能：跟据ＬＴＥ—ＴＤＤ收发时隙对收 发进仃逻辑拧制；根据输入输…功率人小对收发增益控制：采集板 温度Ｉｊ 板进｛］－ＩＩＣ数 交互 发射部分选川ＬＤＭＯＳＦＥＴ功放管对ＬＴＥ模块书链路发射功率进 放人，并…射频 哭器件及环形器对 链路收发进行控制； 接收邝分分为主路接收及铺路接收，两路 时进入ＬＴＥ模块。 书鼍个链路ｆ｝１ＬＮＡ，可调衰减器，晶体滤波器干ＩＪ射频丌关组成，实现 对这个系统接收增益的放人。 ２．３防雷板功能 防甫模块．１：要 』１］存ＴＡｕ－ｌＪＩ当ＴＡｕ外接＿火线时，需要Ｘ，ｔ￣Ｆ部 ・ｊ『入ｎ勺ｌ叮能 ￣ｉ＋－Ｈ 进行防护。Ｔ＿Ａｕ模块巾，需要防护的接口 ： ２个射频输入ｒ］ １个ＧＰＳ输入¨（预 ） 模块埘外接蛐１卜 所爪，其中对外的接头为ＴＮＣ，防雷后的接 ＭＣｘ（Ｆｅｍａｌｅ）。 ３．３高清视频传输 同时外接多路摄像头，支持１０８０Ｐ的视频数据采集和传输。 ３．４安全特征 内置防火墙，支持多种防火墙级别设置，支持黑 ｊ名单。 ３．５ ＶＰＮ 支持Ｌ２ＴＰ，ＧＲＥ隧道传输。 ３．６ ＱｏＳ 基于空口的ＱＯＳ机制，保证重点业务的传输带宽。 ３＿７高存储容量 殴备支持１２８Ｇ内置存储扩展。 ４结束语 列车接入单元（ＴＡＵ）作为ＬＴＥ—Ｍ重要组成部分，已在 内外 进行 大量应用，累计成功中标国内８个城市１０条轨道交通线路， 并凭借高质量和高可靠性已跟国内多家主流厂商建 良好合作关 系，５４所远东通信的ＡｃｒｏＴＡＵ设备已经进入国内一流品牌行列。 参考文献 ＩＩＩＬＴＥ Ｍ终端设备技术规范【ｓ】．２０１６． Ｉ２］ＬＴＥ—Ｍ系统总体架构及系统功能规范ＩｓＪ ２（）１６． １３１￣＇１车接入单元可行性报告 远东通信，２０１６，（）５ 【４１列车接入单元开发需求说明［Ｊ１．远东通信，２０１６，０５ 作者简介： 司雷（１９８１一），男，工程师，主要研究方向：集群通信。射频 技术 图５车载接入单元防雷板接口图 防 指标蜘Ｉ表２所示。 ３产品特点 ３．１大功率功放 支持１．８Ｇ ＴＤ—ＬＴＥ，发射功￣－＇．３３ｄＢｍ。 甄丽平（１９８１一），女，工程师，主要研究方向：数字信号处理 、 （上接第２９页） ３ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件仿真及分析 为ｊ 从理论｝ 验证设计可行性，采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件对电路进 仃仿 分析。选择Ｓｉｍｕｌａｔｅ（仿真）￣Ａｎａｌｙｓｅｓ（分析）￣Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ（瞬态分析），分析结果如图３所示。电路在２０ｍｓ时刻进入 稳定状念，稳态输ｆ｛５电 为（７．１±０．１ ５）ｖ，通过测量探针观测剑的 ＬＥＤ驱动电流为（４３．５±Ｏ．３）ｍＡ，设汁ｆ叮行ｌ｝牛得到验证。另外，由 Ｓｉｅｕｌｒａｔｅ（仿 １一Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（仪器）呵添加虚拟瓦特农剑电路的输入 端Ｉ】， 仿真过程 ｝Ｊ测得功耗约为１．０２Ｗ。 Ｒ５取ｌ６Ｑ和１７Ｑ时，晶闸管导通，电流降Ｎ５ｍＡ以下。可见电路具 有过流保护作用。 图４支路电流与Ｒ５阻值关系 ４结论 借助Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件强大的仿真分析功能，从原理上验证电容分压 式ＬＥＤ驱动电路的可行性。通过增大分压电容值，能够获得更大的驱 动电流，冈此该设计适合用于各种功耗的ＬＥＤ灯具。虽然存在功率 数偏低的缺点，但是实现简单，成本优势突出，适合低端照明市场。 图３输出电压 为验证过流保护电路有效性，选择Ｓｉｍｕｌａｔｅ（仿真）￣Ａｎａｌｙｓｅｓ （分析）Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｓｗｅｅｐ（参数扫描），结果如图４所示。当Ｒ５阻 值从１０Ｑ到１５ Ｑ时，支路电流稳定在ｌ ５ｍＡ左右，品闸管截止；当 参考文献 『１１ＫＯＬＬＭＡＮＲ．ＬＥＤ的高效驱动ｌ１ｌ电子设计应用，２（Ｘ）７（１２）：ＩＩ１—１１４ 『２１杨素行模拟电子技术基础简明教程【Ｍ］．北京：高等教育出版 社（第２版），２００２． 电子世界 ・３１・
