太陽能照明系統LED驅動器的優化研究與設計

戰崇玉

（常州機電職業技術學院，江蘇 常州213000）

隨著經濟的發展，環境污染日益嚴重，能源需求日漸增大，新能源的開發迫在眉睫。太陽能分布廣、可再生、無污染，是未來理想的替代能源，太陽能照明和LED的利用將是新能源研究中的重要對象。伴隨對太陽能照明系統各個環節的深入研究，制造和控制技術的不斷完善和創新，太陽能照明系統將和LED光源完美結合，而開發利用成本也將降低，普及率和利用效率將顯著提高。

1 大功率LED的驅動原理

LED驅動電路的主要功能是將交流或直流轉換為恒流電源，并按要求完成與LED的電壓和電流的匹配。驅動電路除了要滿足安全要求外，主要功能應有兩個方面：一是恒流源特性要穩定，二是驅動電路自身功耗要低。

多個LED連接使用時，正向電壓和電流必須匹配，才能使整個組件亮度一致。實現恒定電流最簡單的方法是將LED串聯起來。常見的連接方式有：全部并聯、全部串聯和混聯，它們各有優缺點，前者適合恒壓控制，而后者適合恒流控制。

2 太陽能照明系統LED驅動器的設計要求及研究現狀

2.1 設計要求

太陽能照明系統中的蓄電池多是24 V，所以設計上多需要進行降壓處理，雖然每個LED驅動電路有各自的要求，但要考慮以下幾個方面：

（1）提高電源轉換效率，減少功耗，特別是電池供電，這樣不僅能延長電池的使用時間，還可以減少系統發熱量。

（2）電路可靠性要高，必須有過壓、欠壓、過流等保護，避免因故障損壞LED。

（3）成本要低，體積要小，這便于LED驅動電路的推廣和批量生產。

（4）LED串聯驅動時，恒流控制較為容易，但驅動電壓要求較高，若采用并聯驅動，則必須解決LED并聯均流的問題。

（5）在大功率LED驅動器中，應防止電源的浪涌電壓及接通電路時的沖擊波形對LED的損傷。

（6）溫度是影響LED壽命的主要影響因素之一，太陽能LED照明系統的熱源主要是LED本身，所以建議使LED散熱順暢，降低工作溫度。

2.2 LED驅動器的研究現狀

LED驅動器主要有 DC／DC和 AC／DC兩類。DC／DC驅動器有電容式電荷泵電路和電感式DC／DC電路兩種；AC／DC驅動器主要有電容降壓電路，工頻變壓器降壓電路，輸入Buck降壓電路以及單片開關電路等方案。其中，電荷泵電路通過開關陣列、邏輯電路、振蕩器、比較控制器實現電壓變換。電荷泵電路可以組成升壓式或降壓式結構。而在電感式DC／DC的LED驅動器的設計中，使用最多是Boost和Buck－Boost，前者多用在電池供電的LED驅動中。

3 基于恒定導通時間控制的LED驅動器的優化設計

3.1 系統設計要求

該大功率LED驅動電路具體技術指標要求如下：

（1）供電電壓范圍：7～36 V；

（2）最大輸出電流：1.5 A；

（3）最大輸出功率：30 W；

（4）工作溫度范圍：－40℃～125℃。

根據設計要求，通過方案對比，最終確立了以恒定導通時間控制模式來設計該LED驅動電路。

3.2 系統總體設計

根據恒定導通時間控制模式的工作原理，本文設計的大功率LED恒流驅動電路芯片基本結構如圖1所示。

圖1 LED驅動電路芯片結構框圖

系統包括帶隙基準（VREF）模塊、最小關斷定時（OFF－TIMER）模塊、邏輯控制（LOGIC）模塊、比較器（COMP＿0.2、COMP＿0.3）模塊、導通定時器（ON－TIMER）模塊、電壓調整器（Regulator）模塊、電平移位（LEVEL＿SHIFT）模塊、過溫保護（OTP）模塊等。大功率LED恒流驅動電路的整體應用電路如圖2所示。

圖2 大功率LED恒流驅動整體電路原理圖

系統上電瞬間，RON腳檢查到系統上電，通過EN使能內部Regulator模塊，產生內部電源為各模塊供電，使系統開始工作。首先，功率管導通，導通時間由ON＿TIMER定時，電流流過LED，并逐漸增大；當定時時間到，功率管立即關斷，關斷時間由OFF＿TIMER定時，此時LED中的電流逐漸減??；當定時時間到，比較器COMP＿0.2通過CS腳檢測采樣電阻RSNS上的電壓，如果電壓高于0.2 V，則繼續保持關斷；如果電壓低于0.2 V，則再次打開功率管完成一個控制周期，周而復始。比較器COMP＿0.3防止LED中的電流過高，CF為Regulator的濾波電容，C1、CB分別為退耦電容和自舉電容，RON為定時電阻，可調節ON＿TIMER定時時間。

3.3 主要模塊設計

（1）帶隙基準電路的設計

帶隙基準電路是產生與溫度無關的基準電壓的電路，帶隙基準電路設計的基本思想是利用三極管BE結電壓UBE的負溫度特性與熱電壓UT正溫度特性相加，在一定條件下，即可得到一個與溫度無關的基準電壓。本設計中，基準UREF模塊負責整個芯片的基準電壓和PTAT電流的產生，為芯片提供0.2 V、0.3 V、1.61 V的基準電壓信號，其中，0.2 V是為恒定導通控制比較器提供的參考電壓，0.3 V、1.61 V是為芯片輔助功能電路提供的參考電壓。

（2）ON＿TIMER模塊的設計

ON＿TIMER模塊主要作用是計時。功率管恒定導通時間由ON＿TIMER模塊控制，產生一個與輸入電壓成反比的恒定導通時間，導通時間由外接電阻Ron確定，且應滿足：

經計算，RON＝1.44 MΩ，TON＝3.7μs。在功率管關斷后，OFF＿TIMER模塊開始定時，定時結束，控制邏輯電路檢查CS腳電壓，若低于0.2 V，則功率管打開，讓功率管恒定導通TON。ON＿TIMER模塊的計時時間TON為：a29信號變低至a27信號變高的時間差。

（3）比較器電路的設計

比較器的功能是啟動ON＿TIMER電路、打開功率管，與ON＿TIMER電路一起構成電路開關調制器。CS腳把RSNS上的采樣電壓反饋到兩路比較器的反相輸入端，一路與連接在同相輸入端的0.2 V基準電壓進行比較，比較器的輸出用于控制功率管的開通；另一路與連接在同相輸入端的0.3 V基準電壓進行比較，若電流過大，則使RSNS上的電壓高于0.3 V，關斷功率管，保護電路安全。

3.4 電路主要元件參數選定

（1）輸出電感L1

因為電路中采用了輸出電容C0，所以LED照明可以接受較大的電感電流紋波，同時考慮到電感的尺寸和電流紋波，電感電流紋波可以上浮15%IP－P，即：

根據電感上的電流、電壓和時間TON的關系，可得輸出電感L1為205μH，根據實際需求，可選標定為220μH，3 A的電感（防止電感飽和）。

（2）輸出電容CO

輸出電容主要是為了減小LED串中的紋波電流。大功率LED的串聯動態阻抗通?？梢詮?產品的數據手冊上獲得，而在計算容抗ZC時，為了便于計算，可認為電流紋波為正弦波。按照設計要求，希望通過電容把LED串中的紋波電流控制為50 mAP－P，而電流紋波為110 mA，負載由兩串15顆、額定電阻為1Ω的大功率LED串并聯組成，所以總的阻抗是7.5Ω。由于實際輸出電容的ESR比交流阻抗小很多，所以ESR可忽略，根據公式

可分別計算出容抗ZC（6.8Ω）和電容量Co（100 nF）的大小。

（3）輸入電容CIN

按照電荷守恒定律，輸入電容上電荷的變化量應該等于開關管導通時LED燈串上消耗的電荷量。同時，為了使輸入電容上電壓的變化量不超過UIN的1%P－P，所需輸入電容的大小為

除了輸入電感和輸入、輸出電容外，根據設計要求采樣電阻RSNS為0.30Ω，肖特基二極管D1的額定電流為1 A，而CB、CF和C1選100 nF即可。

4 結 論

通過對各種驅動方法的對比，確定了設計方案，最終的驅動電路調試效果良好，電能轉換率較高，驅動穩定可靠，較好的滿足了實際使用需求。但是，有些問題值得注意，例如電路電感、電阻等元件的選擇，參數的確定，有時會和理論值有很小的偏差，需要反復試驗確定。

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