任务名称
2015年_H 题:LED 闪光灯电源
任务要求
难度

一、任务
设计并制作一个 LED 闪光灯电源。该电源的核心为直流-直流稳流电源变换器,它将电池的电能转换为恒流输出,驱动高亮度白光 LED。电源有连续输出和脉动输出两种模式,并具有输出电压限压保护和报警功能。
二、要求
1.基本要求
(1)输入电压 3.0V~3.6V。
(2)连续输出模式输出电流可设定为 100、150、200mA 三档,最高输出电压不低于 10V,最低输出电压为 0V(输出短路)。
(3)在规定的输入电压和输出电压范围内,输出电流相对误差小于 2%。
(4)等效直流负载电阻过大时,输出电压限幅值不高于 10.5V 并报警。
(5)输出电流 200mA,输出电压 10V 时,效率不低于 80%。
(6)自制一个 LED 闪光灯,用于演示。
2.发挥部分
(1)具备脉动输出模式,输出占空比为 1∕3,相对误差小于 2%。
(2)输出电流峰值可设定为 300、450、600mA 三档,相对误差小于 5%,间歇期电流小于 1mA。
(3)脉冲周期可设定为 10、30、100ms 三档,相对误差小于 2%,上升时间、下降时间均不大于 100μs,电流过冲不大于 10%。
(4)输出脉冲个数可设定为 1 到 5 个和连续的脉冲串(以便测试),每按一次启动键输出一次脉冲串。
(5)其他。

三、说明
除基本要求(6)以外所有测试均用电阻代替 LED 作为负载。 

评审标准

参考答案

GPT-4o给出的设计方案:

1. 概述

设计一个用于LED闪光灯的电源,核心为直流-直流稳压器,可转换3.0V~3.6V电池电压为200mA恒流输出,并具备连续和脉动输出模式。具有电压限压保护和报警功能。

2. 硬件结构

  1. 输入电源管理

    • 输入电压范围:3.0V-3.6V,采用锂电池供电。
    • 保护电路:保险丝、二极管防反接保护。
  2. DC-DC转换电路

    • 使用高效降压型DC-DC转换器(如LM3405或其同类产品)实现高效稳压。
    • 反馈电路调整输出电流,设置三档输出电流100mA、150mA、200mA,通过电阻分压实现可调。
  3. 电流检测与控制

    • 采用精密电流检测芯片或运放电路实时监测输出电流。
    • MCU控制模块(如STM32)用于实现电流调节、脉冲模式和报警功能。
  4. LED驱动模块

    • 恒流驱动电路,保证LED在不同负载下输出电流稳定。
    • 脉动模式下的PWM控制,调整占空比实现脉冲频率和峰值电流控制。
  5. 显示与报警模块

    • LED指示灯显示工作状态。
    • 蜂鸣器或指示灯报警提示过压、过流或其他故障状态。

3. 操作模式

  1. 连续输出模式

    • 设置LED电源处于连续输出模式,电流可调100mA、150mA、200mA。
    • MCU通过ADC读取当前电流,DAC输出控制信号调整电流。
  2. 脉动输出模式

    • 设置占空比为1/3,误差小于2%。
    • 输出电流峰值300mA、450mA、600mA三档,脉冲周期10ms、30ms、100ms,电流过冲不大于10%。
  3. LED显示模式

    • LED闪光灯由内置恒流源驱动,保证亮度恒定。
    • 自制的LED闪光灯用于演示,连接DC-DC转换器输出端。

4. 关键电路设计及代码实现

DC-DC转换电路

#include <stdint.h>

// 假设使用STM32 MCU
#define CURRENT_100mA 0
#define CURRENT_150mA 1
#define CURRENT_200mA 2

void setupDCConverter(uint8_t currentSetting) {
    switch(currentSetting) {
        case CURRENT_100mA:
            // 设置电阻分压值,输出电流100mA
            break;
        case CURRENT_150mA:
            // 设置电阻分压值,输出电流150mA
            break;
        case CURRENT_200mA:
            // 设置电阻分压值,输出电流200mA
            break;
    }
}

电流检测与控制

#include <ADC.h>

void setupADC() {
    // 初始化ADC用于电流检测
}

uint16_t readCurrent() {
    // 读取ADC值,转换为电流值
    return analogRead(ADC_PIN);
}

脉动模式控制

#include <PWM.h>

void setupPWM(uint32_t period, uint8_t dutyCycle) {
    // 配置PWM输出,周期和占空比
    analogWrite(PWM_PIN, dutyCycle);
}

void setPulseMode(uint8_t pulseCount) {
    for (uint8_t i = 0; i < pulseCount; ++i) {
        setupPWM(10000, 33); // 10ms周期,33%的占空比
        delay(30); // 每30ms输出一个脉冲
    }
}

报警功能

void checkOverVoltage(float voltage) {
    if (voltage > 10.5) {
        // 启动报警
        digitalWrite(ALARM_PIN, HIGH);
    }
}

5. 调试与验证

  1. 单元测试

    • 测试DC-DC转换电路,确保输出电压和电流在设定范围内。
    • 验证连续输出模式和脉动模式的工作情况,观察波形和稳定性。
  2. 功能集成测试

    • 集成电流检测、脉动控制、电压保护等模块,整体测试系统的性能。
    • 调节不同参数,验证系统响应时间和稳定性。
  3. 负载测试

    • 通过恒定负载和脉动负载测试电源性能。
    • 自制LED闪光灯示范演示,确保实际应用效果。

该设计方案确保LED闪光灯电源的高效稳定性,支持连续和脉动两种输出模式,并具有过压保护与报警功能。


本题目考察的主要知识点:

  1. 电源管理与设计
    1. 电压稳压和电流控制。
    2. DC-DC转换电路设计及效率优化。
    3. 输入电压和输出电流的监测与调节。
  2. LED驱动技术
    1. 恒流源设计,确保LED工作时亮度稳定。
    2. 脉动输出模式的实现,调整占空比和脉冲周期。
  3. 信号检测与控制
    1. 电流检测电路设计,运用ADC读取电流信息,控制电路实时调节电流。
    2. 过压保护和报警功能的实现。
  4. 硬件设计与集成测试
    1. 多模块硬件设计的集成和调试。
    2. 测试电源工作在不同负载下的性能,确保电源的稳定与可靠。
  5. 嵌入式系统编程
    1. 使用MCU实现电源各部分的逻辑控制。
    2. 编程实现电流调节、脉动模式控制和状态监测。

 
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