LEO路燈驅動及智能調光系統的研究與設計

張波 曹豐文 汪義旺

(蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

1 引言

LED被認為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長、安全環保、體積小、響應速度快等諸多優點，目前已經在城市景觀裝、交通信號與商業廣告上廣泛應用。近年來隨著制造工藝的不斷發展，大功率高亮度LED性能不斷提升，價格不斷下降，目前達到同樣的明明效果，LED的耗電量大約是白熾燈的1/10，熒光燈的1/2［2］。這些都使得其開始應用于一般照明中，而且很有發展前景，大有取代白熾燈和熒光燈這些傳統光源的趨勢，世博會上LED燈的應用可以說代表著這個方向。LED調光可以節能，高亮度白光LED的驅動和調光是近年來研究的熱點，本文在這方面進行了些研究，并設計了一款帶有功率因數校正的LED路燈驅動和智能調光系統。

2 LED特性、驅動要求及調光方式

LED的理論光效為300lm/W。目前實驗室水平達260lm/W，市場化水平在120lm/W以上。高亮度LED的一般導通電壓約為3.0～4.3V，但其核心仍是PN結，其伏安特性與普通二極管相同。當加在LED上電壓小于其導通電壓時，LED上幾乎沒有電流通過。但當LED導通后，其正向電流隨正向電壓按指數規律變化，很小的電壓波動就會引起很大的電流變化。在導通區電壓從額定值的80%上升到100%，電流則從其額定值的0%上升到100%。

圖1是LED相對光通量和其正向電流IF的關系圖。圖中可以看出LED的光通量和其正向電流成正比的關系，因此可能通過控制LED的正向電流來控制其發光亮度。LED若采用恒壓源驅動，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅動只適用于要求不高的小功率的場合下。在要求高的場合和大功率的場合下LED都要采用恒流驅動。研究表明，LED發光亮度隨工作時間下降，亮度下降后光效隨電流的增加而減少，LED的亮度與驅動電流成飽和關系。LED的電流達到其額定電流的70%～80%后，很大比例的電流轉化成了熱能，因此LED的驅動電流宜為工作電流額定電流的70% ～80%［6］。在恒壓驅動或 PWM調光中，最大電流不宜超過最小電流的3倍，否則的話沖擊電流會大大減少LED的使用壽命［8］。目前來說市場化單個LED的功率都不大，大都在10W以下，實際用于照明是把多個LED按一定方或串并聯之后形成LED陣列。

圖1 LED相對光通量與正向電流關系

從圖1也可得出，改變LED的電流即可改變LED的亮度。改變電流有兩種方式，相應的LED調光也有兩種方式。一種是連續調節LED中電流的大小來改變LED的亮度，這種方式稱之為模擬調光，通過LED中的電流是連續的;另一種是通改變LED流過電流的時間與關斷的時間之比來改變LED的亮度，LED流過電流時電流是恒定的，關斷時流過LED的電流為零，這種方式稱為PWM調光，它是通過人眼察覺不到的頻率快速的開關LED，開關頻應不小于100Hz。兩種調光方式當流過LED中的平均電流相同時，其效果是一樣的。由于LED在某一大小特定的電流時會發出最純的白光，隨著電流偏離這個值，會有色偏［14］。另外，LED的響應時間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關的場合，所以LED調光以PWM調光方式好，此外這種方式還有利于 LED 散熱［4］。

3 LED驅動電路

3.1 LED驅動電路分類

從LED的驅動供電可將其驅動分為AC/DC型和DC/DC型，而LED要求直流供電，AC供電時要把交流轉化成直流后再驅動LED，所以我們只要研究DC/DC型即可。DC/DC型的 LED的驅動方式可分為電阻限流型，線性穩壓電源型，電容電荷泵電路和電感開關變換電路。電阻限流將電阻和LED串連，通過電阻的分壓限流和驅動LED燈，這種方式控制精度不能保證，同時有大量電功率浪費在電阻上，只在要求不高的低壓場合下使用。線性穩壓電源精度比電阻限流型高一些，但同樣存在效率低的問題，實際中用的也不多。實際中用得多的是電荷泵電路和電感式開關變換電路。

電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關進行切換，在時鐘周期的一部分時間內讓電容儲能，在時鐘周期的剩余時間內電容釋放能量。這種方式是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓。電感式開關變換電路又稱為開關電源，是通過控制功率開關管導通與關斷的時間關系來改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件，使輸出穩定。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，但其使用的開關元件多，效率相對低些，輸出電壓在輸入電壓的1/3～3倍這個變化范圍，輸出功率較小，所以其多用在小功率場合下;而開關電源開關元件相對較少，效率高，可實現大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續可調，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。開關電源的拓撲很多，LED驅動電路中用得多的有Boost電路，Buck-Boost及Buck電路。

3.2 基于HV9931的LED路燈驅動電路設計

LED驅動的芯片目前已經有一些了。LED路燈相對來說功率較大，而且是通過市電交流供電的，國家規定，功率達到一定值時要有功率因數校正裝置，此外設計的LED路燈要有調光功能以節能。基于上述考慮，這里選用 Supertex公司的HV9931作用驅動芯片。HV9931是種的8引腳的PWM集成控制器，有如下功能與特點:(1)輸出電流恒定，適用于LED恒流驅動;(2)允許大范圍的8～450V的大范圍的直流輸入電壓，且有較大的降壓比，因此用市電供驅動LED燈時可不用變壓器;(3)有功率因數校正功能，能獲得單位功率因數和低輸入電流諧波，達到國家規定，環保;(4)有PWM調光和模擬調光功能，驅動LED時可方便地實現調光控制，符合節能要求;(5)振蕩器有固定頻率和固定關斷時間兩種工作方式。

圖2 基于HV9931的LED路燈驅動電路

驅動電路如圖2所示，為開關電源驅動方式。主電路是一個單級單開關的非隔離恒流輸出的Buck-Boost-Buck電路。由 L1、C1、D1、D5和 Q1組成的Buck-Boost電路是輸入級，工作于不連續導電模式;由C1、Q1、D2、D4及 L2組成的 Buck電路是輸出級，工作在連續導電模式下。兩級共用一個功率開關管 Q1，電容C1對輸入級相當于負載，對輸出級相當于直流電源。系統降壓比為兩級降壓比之乘積，這樣由市電供電不需要變壓器就能實現較低的電壓輸出。開關Q1導通時，輸入級Buck-Boos電流路徑:整流電壓→D1→L1→Q1→Rs1，L1中電流線性增加，輸出級Buck電路電流路徑為:C1→Q1→Rs2→LED→L2，C1提供能量;Q1關斷時，輸入級電流路徑:L1→C1→D5→D1，L1中的能量轉到C1中，由于D1存在，L1電流不能反向，L1電流降為0后電流斷續;輸出級電流路徑:L2→D4→LED，由于參數設置不同，L2中電流不僅不會變為0，而且波動相對比較小。

電路工作于峰值電流模式下，振蕩器使GATE輸出高電平，使Q1通導通;CS1和CS2端子分別是HV9931內部的兩個電壓比較器的反向輸入端，兩個比較器的同向輸入端在芯片內部接地，電路通過CS1和CS2端子同時檢測輸入電流和輸出電流，CS1是輸入電流信號檢測端子，CS2輸出電流信號檢測端子，這兩個端子只要有一個端子上的電壓比地低，GATE端子就輸出低電平，Q1就關斷。VDD是芯片的基準電壓輸出引腳，Rs1、Rcs1和Rref1可編程設定 L1中的最大峰值電流，Rs2、Rcs2和Rref2可編程設定輸出電流。在交流電的周期內可認為占空比和開關頻不變，故輸入電流峰值包絡線為正弦波，平均電流為正弦波，可實瑞功率因數校正。C2為輸入電容，用作高頻旁路，若用大電容則電路喪失功率因數校正功能。RT對應著內部振蕩器，有兩種接法，分別設定恒定工作頻和恒定的關斷時間，圖中采用的是恒定的關斷時間的接法。PWMD引腳為數字調光信號輸入引腳，該引腳為高電平時電路正常工作，該引腳為低電平時GATE引腳始終輸出低電平，開關管Q1斷，驅動電路不工作。

4 智能調光裝置

設計的系統若能根據環境光照的強弱來改變自身亮度，則會相應的節能，符合當前低碳生活的要求。環境光線最差時，設計系統調光信的PWM占空比接近100% (為不致使溫度上升過高，留一定裕量)時使LED最亮滿足照度要求;當環境光照變化時會根據外部光照的強弱自動改變調光信號的PWM的占空比，使LED相應的暗一些，但照度滿足要求;另外，在深夜人比較少時可適當降低亮度。實現這一要求要有一個好的光強度傳感器。光敏電阻線性度差，頻率響應低，光敏三極管靈敏度高，但溫度特性和線性度差［12］。系統設計選用TLS2561作為光電強度傳感器。TLS2561接近人眼對亮度的反應，能直接將光強度信號轉化成數字信號輸出，有可編程中斷功能和標準的I2C接口，能方便地與單片機相連。單片機選用微芯公司的PIC16C62。這種單片機性能穩定，帶有PWM輸出，能方便地實現I2C總線通信。光強度傳感器TLS2561將光信號轉換成數字信號傳送至單片機，經單片機處理產生調光的PWM信號，調光PWM信號送至HV9931的PWMD端，以實現PWM調光。調光部分如圖3所示。

圖3 調光系統框圖

系統還設計還考慮到的溫度的影響。LED在相同電流下，隨著PN結溫度的升高光通量將降低，同時還會影響LED使用壽命。所以系統中還加入的溫度傳感器，溫度信號同樣送至 PIC16C62處理，也會影響到其輸出的PWM調光信號的占空比。這個不是本設計的主要問題，不詳細敘述。

5 實驗結果

系統設計功率為72W，采用72個1W的高亮度LED燈每24個串聯后再并聯而成。輸出最大光強時設計PWM調光信號占空比為90%，此時測得LED中總電流平均值為932mA;LED驅動電路工作時開關管工作頻率為100k Hz，驅動電路效率為75%，輸入電流THD小于20%，功率因數大于0.9，光電轉換效率約95lm/W;調光用PWM信號頻率為120Hz，比不用智能調光電路時約節能9%。圖4給出了調光PWM占空比為50%時LED中的電流波形。

圖4 調光PWM占空比為50%時LED中的電流波形

6 結論

本文設計的LED路燈驅動電路采用市電供電且不用電源變壓器，驅動電路體積大為減少。驅動電路實現恒流驅動的同時帶有PFC功能，符合當前綠色環保的要求，而且驅動電路轉換效率高，電路較新穎;智能調光電路采用PWM調光方式，LED發出較純的白光，不產生色偏。智能調光電路節能效果較為顯著。設計的實際電路有較好的前景與市場，不足之處在于成本略高，但隨LED制造工藝的不斷改進和驅動調光電路研究的不斷深入相信這個問題會得到很好的解決。

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