一种空间用大功率LED恒流驱动电路

一种空间用大功率led恒流驱动电路
技术领域
1.本发明涉及一种空间用大功率led恒流驱动电路，主要应用于空间相机在微光环境成像时需要大功率led补光增加成像信噪比的情形，属于空间微光成像探测领域。

背景技术：

2.随着深空探测的快速发展，人类对深空目标的形貌、成分、构造、水冰含量与分布等科学问题的探索需求越来越强烈。比如对月球的全方位探测与研究就是当前的空间科学研究热点之一，但在较高纬度的月球两极人们还并没有实际进行过实质性探索。为研究月极地区的月表形貌和地质构造问题，需要采用空间相机对月极地区进行成像观测。月极地区太阳高度角较低，并存在较大的地形起伏和永久阴影坑，月面地形起伏会形成巨大的阴影区，永久阴影坑内更是没有太阳光。由于月表没有大气散射，月极阴影区将会是一片黑暗，大大增加了成像观测的难度。
3.目前，微光成像手段大约分为两类：主动成像和被动成像。主动成像是给观测相机增加主动照明设备进行补光，增大目标的反射亮度以获得较高的成像信噪比，这种主动成像需要额外的主动照明设备，需要消耗大量能源；被动成像是利用带微弱信号放大功能的特殊相机进行成像以获得高质量图像，比如采用电子倍增ccd或带像增强器功能的相机进行成像，但这种微光成像机制并不能“无中生有”，要求目标至少具有微弱的光照，否则即使进行放大也不能获得较好信噪比的图像。由于月球没有大气散射，月极阴影区尤其是永久阴影坑内并无光照，因此采用被动成像几乎不可能获得较好成像质量。因此，要在月极阴影区获得较好的成像质量，就需要给观测相机增加主动照明设备，以获得较高的成像信噪比。
4.相比常用的白炽灯、卤素灯等光源，led灯具有工作电压低、耗电量低、发光效率高、工作寿命长、体积小、指向性强、耐振动冲击能力强、无有毒元素等优势，更适合应用在空间主动照明设备中。led的伏安特性类似于普通二极管，若采用恒压控制，细微的电压变化将会引起较大的电流变化，引起led的发光强度剧烈变化，这会影响观测相机的成像质量，也会大大降低led的寿命。因此，led一般采用恒流控制方法，保障led发光强度保持稳定。针对空间微光成像主动补光应用的大功率led恒流驱动方法具有如下要求：首先，为获得较远的探测距离，需要采用大功率led灯珠进行照明，要求led恒流驱动具有大功率输出能力；其次，鉴于空间应用对功耗、体积、重量有严格要求，应采用集成度高和转换效率高的led恒流驱动电路以节省pcb面积和减少额外功率损耗，避免采用散热措施而引起额外的体积重量增加；再次，为适应不同微光光照条件和不同探测距离下可调节led发光强度以节省电力资源的目的，要求具备智能管理大功率led的发光强度、开启和关闭的途径。这对大功率led恒流驱动方法提出了较高要求。
5.地面应用中已有非常成熟的、集成度非常高的大功率led驱动器，具有转换效率高、额外损耗小、所占面积小等特点，但由于质量等级低并不适用于空间环境应用。目前，国内外并没有专门针对大功率led恒流驱动的高质量等级、专用集成电路，需要自行设计。为达到较高的集成度，大功率led驱动常采用线性稳压器(如图2所示)或者开关稳压器作为电
流反馈调节元件的集成稳压器驱动法，如图3所示。该类驱动电路具有集成度高、所占面积小、稳压器有高质量等级可选用、易于实现的优点，但缺点也较为突出：整个驱动电路消耗了较大的额外功率，以线性稳压器为例，计算如下：
6.p
loss
＝(vcc_in-vcc_led+)
×iled
+i
led2
×rsense
7.不但在led电流调节电阻r
sense
上需要消耗大量额外功耗，在线性稳压器上由于两端存在压差也会消耗额外功耗，不但造成了空间设备电力资源的巨大浪费，还需要额外的散热装置对稳压器和反馈电阻进行散热，且无法进行led的亮度调节。因此，现有稳压器驱动大功率led的方案并不能满足空间大功率led的高转换效率驱动需求。

技术实现要素：

8.(一)要解决的技术问题
9.针对空间相机微光成像采用大功率led补光时，现有大功率led驱动效率低、不适合空间应用的问题，本发明提供了一种空间用大功率led恒流驱动电路。
10.(二)技术方案
11.本发明提供的技术方案如下：
12.一种空间用大功率led恒流驱动电路，所述电路包括现场可编程门阵列fpgau1，数模转换器dac u2，放大器u3，抗辐照开关稳压器u4，高速开关晶体管q1，电感l1，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9，电容c1、c2、c3、c4、c5、c6和大功率发光二极管led d1；
13.其中，所述抗辐照开关稳压器u4采用底部带大面积散热焊盘的抗辐射降压型同步电压转换器作为大功率发光二极管led d1的电流恒定调节控制器，该电流恒定调节控制器具有高转换效率、低反馈节点电压的特点；
14.其中，所述放大器u3输出参考电压，并与电阻r6、r7、r8和r9共同为抗辐照开关稳压器u4提供反馈端输入电压，抗辐照开关稳压器u4利用内部电压反馈回路维持其反馈输入端fb电压恒定，从而维持电阻r7两端电压恒定，从而减小了电阻r8与电阻r9两端的电压，降低了电阻r8与电阻r9的功耗。
15.进一步的，所述现场可编程门阵列fpgau1对所述数模转换器dac u2进行配置，输出可调电压并经放大器u3跟随缓冲后来调节大功率发光二极管led d1的供电电流大小，进而控制大功率发光二极管led d1的亮度。
16.进一步的，所述电阻r8与电阻r9均为功率电阻，并采用并联的方式降低每一个电阻的热功率。
17.进一步的，所述放大器u3输出的电压大于抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb电压时，驱动大功率发光二极管led d1点亮。
18.进一步的，采用高速开关晶体管q1作为使能开关控制大功率发光二极管led d1的开启与关闭。
19.进一步的，放大器u3的输出端采用电阻r5与电容c3形成rc滤波电路滤除噪声形成稳定的参考电压，从而保障大功率发光二极管led d1的恒流控制精度。
20.进一步的，所述现场可编程门阵列fpgau1输出一个控制信号led_en到电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接到高速开关晶体管q1的基极，电阻r1的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电阻r1的第二端连接到电阻r3的第二端；电阻r2的第一端连接到外部输入电
源vcc_in，电阻r2的第二端连接到高速开关晶体管q1的集电极，电阻r4第一端连接到电阻r3的第二端，电阻r4的第二端连接到地，高速开关晶体管q1的射极连接到地；电容c1的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电容c1的第二端连接到电容c2的第一端，电容c2的第二端连接到地。
21.进一步的，现场可编程门阵列fpgau1的spi控制总线连接到数模转换器u2的输入端，数模转换器u2的输出端连接到放大器u3的正向输入端，放大器u3的反向输入端连接到放大器u3的输出端；电阻r5的第一端连接到放大器u3的输出端，电容c3的第一端连接到电阻r5的第二端；电阻r6的第二端连接到电容c3的第一端。
22.进一步的，电阻r6的第一端连接到抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb；抗辐照开关稳压器u4的电压输入端vin连接到外部输入电源vcc_in，抗辐照开关稳压器u4的使能输入端en连接到高速开关晶体管q1的集电极，抗辐照开关稳压器u4的地输入端gnd连接到地，抗辐照开关稳压器u4的电压输出端vout连接到电感l1的第一端，电感l1的第二端连接到电容c4的第一端，电容c4的第二端连接到电阻r7的第二端，电阻r7的第一端连接到抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb；电阻r8和电阻r9的第一端连接到电阻r7的第二端，电阻r8和电阻r9的第二端连接到地。
23.进一步的，大功率led d1的阳极连接到电容c4的第一端，大功率led d1的阴极连接到电容c4的第二端；电容c5的第一端连接到电感l1的第二端，电容c5的第二端连接到电容c6的第一端，电容c6的第二端连接到地；电容c4的第一端vcc_led+为大功率发光二极管led d1电流的正端输出，电容c4的第二端vcc_led-为大功率发光二极管led d1电流的负端输入。
24.上述技术方案中，抗辐照开关稳压器u4选用高质量等级的、高转换效率、低反馈节点电压、底部带大面积散热焊盘的抗辐射降压型同步电压转换器(比如rss1206hrh，平均转换效率达到90％，反馈节点电压为0.789v)，利用其内部的电压反馈补偿网络来调节输出电压，从而保障反馈输入节点fb的电压保持恒定，进而维持流过大功率led的电流恒定，实现恒流驱动。fpga通过控制高速开关晶体管q1的开启或关断实现抗辐照开关稳压器u4的使能控制，进而控制大功率led灯的点亮与关闭；fpga通过对dac u2进行配置，输出不同电压幅度值v
set
，控制流过大功率led的电流，进而可以控制led的亮度，电阻r5和电容c3形成rc低通滤波器电路。可设置外部参考电压v
set
以及电阻r6，r7，r8和r9组成的分压网络有效降低大功率led电流调节功率电阻r8和r9两端电压，进而降低功率电阻消耗的功率。流过大功率led的电流由如下式子确定：
[0025][0026]
其中，v
fb
为抗辐照开关稳压器u4反馈节点输入电压，v
set
为dac u2输出经过放大器u3缓冲后输出的设置led电流的参考电压。可以通过合理设置r6，r7，r8和r9以及选择低反馈节点输入电压v
fb
、高转换效率的抗辐照开关稳压器，可大大减小在功率电阻r8、r9和开关稳压器上的额外功率损耗。为防止单个功率电阻功率过大造成功率电阻失效降低可靠性，采用两个功率电阻r8和r9并联的方式降低单个功率电阻的功率，增加了可靠性。
[0027]
大功率电阻r8和r9上的总额外功率损耗为：
[0028]
p
loss-res
＝i
led2
×
(r8//r9)
[0029]
抗辐照开关稳压器u4上损耗的额外功率为：
[0030]
p
loss-dc/dc
＝(i
led2
×
(r8//r9)+i
led
×
(vcc_led
+-vcc_led-))
×
(1-η)
[0031]
η为所用抗辐照开关稳压器的平均转换效率。
[0032]
(三)有益效果
[0033]
本发明具有以下优点：
[0034]
(1)采用高可靠、高转换效率、底部带散热焊盘的集成式开关稳压器作为反馈控制器，具有集成度高、所占pcb面积小的特点，由于开关稳压器转换效率高且底部带有散热焊盘，可将pcb大面积地平面作为开关稳压器的热沉，无需额外增加散热措施。
[0035]
(2)通过增加外部参考电压v
set
以及电阻r6，r7，r8和r9分压网络有效降低大功率led电流调节功率电阻r8和r9两端电压，从而降低了大功率led电流调节功率电阻r8和r9所损耗的额外功率，在相同led驱动电流条件下功率电阻上消耗的功率仅为传统开关稳压器驱动方法的1/5，大大节省了有限的空间能源资源。
[0036]
(3)可根据空间微光相机所处环境光照强度，开启或关闭led补光；可根据观测距离的远近通过设置dac输出电压值来调节大功率led的电流大小，进而控制led的亮度，达到远距离探测用增大led电流，近距离探测减小led电流的智能管理的目的，从而避免了远近均采用同一亮度照明带来的额外资源损耗。
附图说明
[0037]
图1空间用高可靠性、高转换效率的大功率led恒流驱动电路；
[0038]
图2传统线性稳压器恒流驱动led电路；
[0039]
图3传统开关稳压器恒流驱动led电路。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明。
[0041]
如图1所示，一种空间用大功率led恒流驱动电路，包括现场可编程门阵列fpgau1，数模转换器dac u2，放大器u3，抗辐照开关稳压器u4，高速开关晶体管q1，电感l1，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9，电容c1、c2、c3、c4、c5、c6和大功率发光二极管led d1；采用高质量等级、高转换效率、低反馈节点电压、底部带大面积散热焊盘的抗辐射降压型同步电压转换器作为大功率led的电流恒定调节控制器；通过设置数模转换器输出并经放大器跟随后的可调电压来调节大功率led的供电电流大小，进而控制大功率led的亮度；设计放大器u3输出的参考电压与电阻r6、r7、r8和r9共同为抗辐照开关稳压器u4提供反馈端输入电压，抗辐照开关稳压器u4利用内部电压反馈回路维持反馈输入端fb电压恒定，从而维持电阻r7两端恒定电压，减小了电阻r8与电阻r9两端的电压，降低了电阻r8与电阻r9的功耗；电阻r8与电阻r9均为功率电阻，并采用并联的方式降低每一个电阻的热功率，达到不额外增加散热措施的目的；放大器u3输出的电压需大于抗辐照开关稳压器u4的反馈输入点fb电压时，才能驱动大功率led点亮；采用高质量等级、高速开关晶体管q1作为使能开关控制大功率led的开启与关闭；放大器u3的输出端采用电阻r5与电容c3形成rc滤波电路滤除噪声形成稳定的参考电压，从而保障大功率led的恒流控制精度；
[0042]
其中，fpgau1输出一个控制信号led_en连接到电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接到高速开关晶体管q1的基极，电阻r1的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电阻r1的第二端连接到电阻r3的第二端；电阻r2的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电阻r2的第二端连接到高速开关晶体管q1的集电极，电阻r4第一端连接到电阻r3的第二端，电阻r4的第二端连接到地，高速开关晶体管q1的射极连接到地；电容c1的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电容c1的第二端连接到电容c2的第一端，电容c2的第二端连接到地；fpgau1的spi控制总线连接到数模转换器u2的输入端，数模转换器u2的输出端连接到放大器u3的正向输入端，放大器u3的反向输入端连接到放大器u3的输出端；电阻r5的第一端连接到放大器u3的输出端，电容c3的第一端连接到电阻r5的第二端；电阻r6的第二端连接到电容c3的第一端，电阻r6的第一端连接到抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb；抗辐照开关稳压器u4的电压输入端vin连接到外部输入电源vcc_in，抗辐照开关稳压器u4的使能输入端en连接到高速开关晶体管的集电极，抗辐照开关稳压器u4的地输入端gnd连接到地，抗辐照开关稳压器u4的电压输出端vout连接到电感l1的第一端，电感l1的第二端连接到电容c4的第一端，电容c4的第二端连接到电阻r7的第二端，电阻r7的第一端连接到抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb；电阻r8和电阻r9的第一端连接到电阻r7的第二端，电阻r8和电阻r9的第二端连接到地；大功率led d1的阳极连接到电容c4的第一端，大功率led d1的阴极连接到电容c4的第二端；电容c5的第一端连接到电感l1的第二端，电容c5的第二端连接到电容c6的第一端，电容c6的第二端连接到地；电容c4的第一端vcc_led+为大功率led电流的正端输出，电容c4的第二端vcc_led-为大功率led电流的负端输入。
[0043]
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：

1.一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：所述电路包括现场可编程门阵列fpgau1，数模转换器dac u2，放大器u3，抗辐照开关稳压器u4，高速开关晶体管q1，电感l1，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9，电容c1、c2、c3、c4、c5、c6和大功率发光二极管led d1；其中，所述抗辐照开关稳压器u4采用底部带大面积散热焊盘的抗辐射降压型同步电压转换器作为大功率发光二极管led d1的电流恒定调节控制器，该电流恒定调节控制器具有高转换效率、低反馈节点电压的特点；其中，所述放大器u3输出参考电压，并与电阻r6、r7、r8和r9共同为抗辐照开关稳压器u4提供反馈端输入电压，抗辐照开关稳压器u4利用内部电压反馈回路维持其反馈输入端fb电压恒定，从而维持电阻r7两端电压恒定，从而减小了电阻r8与电阻r9两端的电压，降低了电阻r8与电阻r9的功耗。2.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：所述现场可编程门阵列fpgau1对所述数模转换器dac u2进行配置，输出可调电压并经放大器u3跟随缓冲后来调节大功率发光二极管led d1的供电电流大小，进而控制大功率发光二极管led d1的亮度。3.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：所述电阻r8与电阻r9均为功率电阻，并采用并联的方式降低每一个电阻的热功率。4.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：所述放大器u3输出的电压大于抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb电压时，驱动大功率发光二极管led d1点亮。5.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：采用高速开关晶体管q1作为使能开关控制大功率发光二极管led d1的开启与关闭。6.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：放大器u3的输出端采用电阻r5与电容c3形成rc滤波电路滤除噪声形成稳定的参考电压，从而保障大功率发光二极管led d1的恒流控制精度。7.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：所述现场可编程门阵列fpgau1输出一个控制信号led_en到电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接到高速开关晶体管q1的基极，电阻r1的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电阻r1的第二端连接到电阻r3的第二端；电阻r2的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电阻r2的第二端连接到高速开关晶体管q1的集电极，电阻r4第一端连接到电阻r3的第二端，电阻r4的第二端连接到地，高速开关晶体管q1的射极连接到地；电容c1的第一端连接到外部输入电源vcc_in，电容c1的第二端连接到电容c2的第一端，电容c2的第二端连接到地。8.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：现场可编程门阵列fpgau1的spi控制总线连接到数模转换器u2的输入端，数模转换器u2的输出端连接到放大器u3的正向输入端，放大器u3的反向输入端连接到放大器u3的输出端；电阻r5的第一端连接到放大器u3的输出端，电容c3的第一端连接到电阻r5的第二端；电阻r6的第二端连接到电容c3的第一端。9.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：电阻r6的第一端连接到抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb；抗辐照开关稳压器u4的电压输入端vin连接到外部输入电源vcc_in，抗辐照开关稳压器u4的使能输入端en连接到高速开关晶
体管q1的集电极，抗辐照开关稳压器u4的地输入端gnd连接到地，抗辐照开关稳压器u4的电压输出端vout连接到电感l1的第一端，电感l1的第二端连接到电容c4的第一端，电容c4的第二端连接到电阻r7的第二端，电阻r7的第一端连接到抗辐照开关稳压器u4的反馈输入端fb；电阻r8和电阻r9的第一端连接到电阻r7的第二端，电阻r8和电阻r9的第二端连接到地。10.根据权利要求1所述的一种空间用大功率led恒流驱动电路，其特征在于：大功率led d1的阳极连接到电容c4的第一端，大功率led d1的阴极连接到电容c4的第二端；电容c5的第一端连接到电感l1的第二端，电容c5的第二端连接到电容c6的第一端，电容c6的第二端连接到地；电容c4的第一端vcc_led+为大功率发光二极管led d1电流的正端输出，电容c4的第二端vcc_led-为大功率发光二极管led d1电流的负端输入。

技术总结

一种空间用大功率LED恒流驱动电路，该电路采用高质量等级的抗辐照开关稳压器作为大功率LED恒流主控制器，采用现场可编程门阵列FPGA控制高速开关晶体管来控制抗辐照开关稳压器进而控制大功率LED的点亮与关闭；采用现场可编程门阵列FPGA对数模转换器DAC进行配置，输出可调电压并经运算放大器跟随缓冲后来调节大功率LED的电流大小，从而控制大功率LED的亮度。本发明旨在解决空间相机在微光成像环境需要大功率LED补光时的LED高可靠性、高转换效率恒流驱动问题，大大减小了因大功率LED驱动方式引起的额外功率资源消耗，避免了因驱动电路发热而设计必要的散热措施带来重量增加和体积增大，节约了有限的空间资源。节约了有限的空间资源。节约了有限的空间资源。

技术研发人员：

王明富 程欣 金峥 谭述亮 廖志远 王进 赵汝进 周向东

受保护的技术使用者：

中国科学院光电技术研究所

技术研发日：

2022.12.09

技术公布日：

2023/3/10