100W風光互補LED路燈驅動電路設計

楊赫博+付賢松+牛萍娟

摘 要： 隨著節能環保產品的推廣，風光互補LED路燈以其獨特的優勢走入了人們的視野。風光互補系統和LED路燈的結合對LED驅動電路的設計產生了很大的挑戰。目前采用單開關管DC/DC LED驅動控制器進行供電雖然能滿足要求，但是功率不能達到很高，并且不能實現輸出短路保護功能。為了輸出短路保護功能并且達到較高的功率，設計了一種基于LT3791的4開關Buck?Boost DC/DC LED驅動控制器。此電路可由12/24 V蓄電池供電，輸出功率可達100 W，恒流精度可達到±6%，效率可高達98.5%。輸出能夠達到70 V/2 A。該設計經測試能夠達到設計要求，在實際生活中應用來滿足夜晚照明需求。

關鍵詞： 節能環保； 風光互補； LED； 驅動電路

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0159?04

Design of drive circuit for 100 W wind?solar complementary LED street lamp

YANG He?bo1，2， FU Xian?song2，3，4， NIU Ping?juan2，3，4

（1. School of Electronics & Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；

2. MOE Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；

3. School of Electrical Engineering & Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；

4. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： With the promotion of energy saving and environmental protection products， the wind?solar complementary LED street lamp has entered people's vision by the aid of its unique advantages. The combination of wind?solar complementation and LED street lamp evoked a great challenge for the design of LED driver circuit. The DC/DC LED drive controller with simple switching tube cannot reach very high power， and can not realize the functon of output short circuit protection though it can meet the power supply requirements currently. In order to achieve output short circuit protection and high power， a 4?switch Buck?Boost DC / DC LED driver controller based on LT3791 was designed in this paper. This circuit can be powered by 12/24 V storage battery， whose output power can be up to 100 W， constant current precision can reach ± 6%， efficiency can be up to 98.5% and output can reach 50 V/2 A. This design was tested. It satisfied the design requirements and the night lighting needs in real life.

Keywords： energy saving and environmental protection； wind?solar complementation； LED； drive circuit

0 引 言

美觀的路燈給大家夜晚的生活帶來光明，并把城市的夜晚裝點得多姿多彩。但是路燈耗電量大，低壓輸電線路長導致輸電線路上的耗電也很大。而隨著能源危機日益臨近，新能源已經成為當今世界的主要能源之一。其太陽能和中風能是最常有的自然能源，夏天陽光照射強度高，而冬天風大，晴天陽光充足，然而陰雨天則風大，這給風光互補型路燈的產生創造了條件[1?2]。

LED路燈以定向發光、功率消耗低、驅動特性好、響應速度快、抗震能力高、使用壽命長、綠色環保等優勢逐漸走入人們的視野、成為目前世界上最具有替代傳統光源優勢的新一代節能光源。從而LED和風光互補系統的結合能夠實現真正意義上的節能環保。因此，風光互補型LED路燈將成為道路照明節能改造的最佳選擇。

LED雖然在節能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是溫度敏感的半導體器件，又具有非線性的伏安特性，因此在應用過程中必須使用特定的電源提供能夠使LED正常工作的額定電壓和電流，并對LED進行保護穩定其工作狀態[3]。而風光互補系統和LED的結合給LED驅動電路的設計帶來了巨大的挑戰。

1 風光互補型LED路燈總體結構

風光互補型LED路燈由以下幾部分組成：風能發電機、太陽能電池板、風光互補控制器、蓄電池、LED、LED驅動電源、燈桿，外形示意圖如圖1所示。風能發電機和太陽能電池板產生電能，控制器把調整后的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電。在需要時控制器把蓄電池的電能送往LED供電，在輸送過程中LED驅動電路經蓄電池的電壓進行升壓變換供給LED，使LED路燈正常工作[4?5]。功能框圖如圖2所示。

圖1 風光互補型LED路燈示意圖

圖2 風光互補型LED路燈功能模塊示意圖

2 LED路燈驅動電路設計

風光互補型LED路燈采用蓄電池供電，所以LED驅動電路一般輸入電壓為DC 12/24 V，采用升壓拓撲結構，輸出電壓可達幾十伏，而輸出電流一般比較大可達到1～2 A。這就給設計帶來了困難，如何實現升壓的同時實現恒流驅動就成為了風光互補LED路燈驅動電路設計的關鍵[6]。雖然采用單開關管DC/DC LED驅動控制器進行供電雖然能滿足要求，但是不能達到較高的功率，并且不能實現輸出短路保護功能。為了輸出短路保護功能并且達到較高的功率，本文設計了一種基于LT3791的4開關Buck?Boost DC/DC LED驅動控制器[7?8]。

2.1 LT3791簡介[7]

LT3791是美國凌力爾特公司生產的同步4開關buck?boost LED驅動控制器，38引腳SSOP封裝芯片，封裝結構如圖3所示。

圖3 LT3782封裝結構圖

LT3791可提供從5～100 W或更高的LED功率，其開關頻率可在200～700 kHz范圍內設定。 LED 的電流準度為±6%，可確保恒流照明。 LT3791 按照應用要求，可采用模擬或 PWM 調光。由于采用4開關管同步開關結構，效率可高達 98.5%，并且能實現輸出短路保護功能。其他特點包括輸入和輸出電流監視、輸入過壓保護，LED 開路保護等。

2.2 電源總體設計[7，9?10]

基于LT3791設計的升壓電路如圖4所示。在升壓模式下，開關管Q1總是導通，Q2總是關閉。在每個周期開始時Q4先導通給電感L1充能。然后Q4關閉，Q3導通，經過電容C8濾波后輸出。在圖4中，電阻R7用來設定LT3791的開關頻率，這里選擇LT3791的開關頻率為300 kHz，參考表1選擇R7=84.5 kΩ。電路的輸出電流是通過R11來設定的，LT3791的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100 mV，這樣輸出電流就可以通過下式計算：Iout=[100R11]。

表1 LT3791開關頻率和電阻值的關系

LED驅動電路輸出電壓的紋波大小與輸出端的濾波電感及電容的取值有很大影響，電感和電容的取值越大，紋波就會越小。在輸出端加上濾波電感及電容后驅動電路的性能將更加優化。輸出濾波電感計算如下：

[L=UiDΔILfs] （1）

[D=1-UiUo] （2）

[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）

式中：D為占空比，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，Io為輸出電流，ΔL為電感取值的中間變量，fs為開關頻率。當輸入電壓為24 V，輸出電壓為50 V，頻率為300 kHz時，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本設計中取L=0.1 μH。

3 測試結果

為了驗證電路性能師傅達到要求，在此利用美國力科公司生產的lecroy 44Xs?A示波器對設計的電路進行輸出測試。當輸入電壓取24 V時所測得的輸出電壓值如圖5所示。圖5顯示輸出電壓為50.2 V能夠滿足要求。電路的輸出總電流應該達到2 A，但是由于LED采用四串并聯的形式，每串LED應該保持電流穩定在500 mA。 所以對每串電流進行測試。其中任意一串的測試結果如圖6所示。從圖中可看出，電流波動的最大值為520 mA，最小值為466 mA，有效值為503.4 mA，這足以證明輸出電流能夠穩定在500 mA左右使LED正常工作，從而說明了電路的輸出電流可以達到2 A。

圖5 輸出電壓波形

設計電路的成功與否在于能夠在風光互補LED路燈系統中得到實際應用，使風光互補系統與LED路燈巧妙結合起來。將結合后的樣品在道路上進行測試。經過檢測實際情況證實此風光互補LED路燈能夠滿足夜晚照明要求。測試如圖7所示。

4 結 語

本文設計一種可以使風光互補系統和LED路燈巧妙結合的LED驅動電路。

圖6 輸出電流波形

圖7 風光互補型LED路燈實際應用圖

電路在低輸入電壓情況下，輸出能達到50 V/2 A，能夠驅動100 W LED并使其正常工作，效率能夠達到98.5%，并且實現了輸出短路保護功能。并在實際路燈系統中測試，滿足夜晚的照明要求。在提倡節能環保的今天，風光互補型LED路燈已嶄露頭角，相信以后會成為節能路燈的主流產品。

參考文獻

[1] 肖貴賢， 汪有源. 風光互補發電系統的研究與應用[J].中國科技信息，2009（22）：20?21.

[2] 吳治堅.新能源和可再生能源的利用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 佩敏.白色LED驅動器的發展概況[J].今日電子，2002（11）：42?46.

[4] 朱芳，王培紅.風能與太陽能光伏互補發電應用及其優化[J].上海電力，2009（1）：23?26.

[5] 王宇.風光互補發電控制系統的研究與開發[D].天津：天津大學，2004.

[6] 計長安，張秀彬，趙興勇.基于模糊控制的風光互補能源系統[J].電工技術學報，2007，22（10）：178?184.

[7] 美國凌力爾特公司.LT3791器件手冊[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.

[8] 佚名.高效率的DC/DC轉換器技術[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.

[9] 周志敏，周紀海.開關電源設計實用技術設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10] HUANG Bruce.隔離式DC/ DC電源轉換器推陳出新[J].電子設計應用，2007（10）：107?109.

LED雖然在節能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是溫度敏感的半導體器件，又具有非線性的伏安特性，因此在應用過程中必須使用特定的電源提供能夠使LED正常工作的額定電壓和電流，并對LED進行保護穩定其工作狀態[3]。而風光互補系統和LED的結合給LED驅動電路的設計帶來了巨大的挑戰。

1 風光互補型LED路燈總體結構

風光互補型LED路燈由以下幾部分組成：風能發電機、太陽能電池板、風光互補控制器、蓄電池、LED、LED驅動電源、燈桿，外形示意圖如圖1所示。風能發電機和太陽能電池板產生電能，控制器把調整后的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電。在需要時控制器把蓄電池的電能送往LED供電，在輸送過程中LED驅動電路經蓄電池的電壓進行升壓變換供給LED，使LED路燈正常工作[4?5]。功能框圖如圖2所示。

圖1 風光互補型LED路燈示意圖

圖2 風光互補型LED路燈功能模塊示意圖

2 LED路燈驅動電路設計

風光互補型LED路燈采用蓄電池供電，所以LED驅動電路一般輸入電壓為DC 12/24 V，采用升壓拓撲結構，輸出電壓可達幾十伏，而輸出電流一般比較大可達到1～2 A。這就給設計帶來了困難，如何實現升壓的同時實現恒流驅動就成為了風光互補LED路燈驅動電路設計的關鍵[6]。雖然采用單開關管DC/DC LED驅動控制器進行供電雖然能滿足要求，但是不能達到較高的功率，并且不能實現輸出短路保護功能。為了輸出短路保護功能并且達到較高的功率，本文設計了一種基于LT3791的4開關Buck?Boost DC/DC LED驅動控制器[7?8]。

2.1 LT3791簡介[7]

LT3791是美國凌力爾特公司生產的同步4開關buck?boost LED驅動控制器，38引腳SSOP封裝芯片，封裝結構如圖3所示。

圖3 LT3782封裝結構圖

LT3791可提供從5～100 W或更高的LED功率，其開關頻率可在200～700 kHz范圍內設定。 LED 的電流準度為±6%，可確保恒流照明。 LT3791 按照應用要求，可采用模擬或 PWM 調光。由于采用4開關管同步開關結構，效率可高達 98.5%，并且能實現輸出短路保護功能。其他特點包括輸入和輸出電流監視、輸入過壓保護，LED 開路保護等。

2.2 電源總體設計[7，9?10]

基于LT3791設計的升壓電路如圖4所示。在升壓模式下，開關管Q1總是導通，Q2總是關閉。在每個周期開始時Q4先導通給電感L1充能。然后Q4關閉，Q3導通，經過電容C8濾波后輸出。在圖4中，電阻R7用來設定LT3791的開關頻率，這里選擇LT3791的開關頻率為300 kHz，參考表1選擇R7=84.5 kΩ。電路的輸出電流是通過R11來設定的，LT3791的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100 mV，這樣輸出電流就可以通過下式計算：Iout=[100R11]。

表1 LT3791開關頻率和電阻值的關系

LED驅動電路輸出電壓的紋波大小與輸出端的濾波電感及電容的取值有很大影響，電感和電容的取值越大，紋波就會越小。在輸出端加上濾波電感及電容后驅動電路的性能將更加優化。輸出濾波電感計算如下：

[L=UiDΔILfs] （1）

[D=1-UiUo] （2）

[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）

式中：D為占空比，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，Io為輸出電流，ΔL為電感取值的中間變量，fs為開關頻率。當輸入電壓為24 V，輸出電壓為50 V，頻率為300 kHz時，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本設計中取L=0.1 μH。

3 測試結果

為了驗證電路性能師傅達到要求，在此利用美國力科公司生產的lecroy 44Xs?A示波器對設計的電路進行輸出測試。當輸入電壓取24 V時所測得的輸出電壓值如圖5所示。圖5顯示輸出電壓為50.2 V能夠滿足要求。電路的輸出總電流應該達到2 A，但是由于LED采用四串并聯的形式，每串LED應該保持電流穩定在500 mA。 所以對每串電流進行測試。其中任意一串的測試結果如圖6所示。從圖中可看出，電流波動的最大值為520 mA，最小值為466 mA，有效值為503.4 mA，這足以證明輸出電流能夠穩定在500 mA左右使LED正常工作，從而說明了電路的輸出電流可以達到2 A。

圖5 輸出電壓波形

設計電路的成功與否在于能夠在風光互補LED路燈系統中得到實際應用，使風光互補系統與LED路燈巧妙結合起來。將結合后的樣品在道路上進行測試。經過檢測實際情況證實此風光互補LED路燈能夠滿足夜晚照明要求。測試如圖7所示。

4 結 語

本文設計一種可以使風光互補系統和LED路燈巧妙結合的LED驅動電路。

圖6 輸出電流波形

圖7 風光互補型LED路燈實際應用圖

電路在低輸入電壓情況下，輸出能達到50 V/2 A，能夠驅動100 W LED并使其正常工作，效率能夠達到98.5%，并且實現了輸出短路保護功能。并在實際路燈系統中測試，滿足夜晚的照明要求。在提倡節能環保的今天，風光互補型LED路燈已嶄露頭角，相信以后會成為節能路燈的主流產品。

參考文獻

[1] 肖貴賢， 汪有源. 風光互補發電系統的研究與應用[J].中國科技信息，2009（22）：20?21.

[2] 吳治堅.新能源和可再生能源的利用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 佩敏.白色LED驅動器的發展概況[J].今日電子，2002（11）：42?46.

[4] 朱芳，王培紅.風能與太陽能光伏互補發電應用及其優化[J].上海電力，2009（1）：23?26.

[5] 王宇.風光互補發電控制系統的研究與開發[D].天津：天津大學，2004.

[6] 計長安，張秀彬，趙興勇.基于模糊控制的風光互補能源系統[J].電工技術學報，2007，22（10）：178?184.

[7] 美國凌力爾特公司.LT3791器件手冊[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.

[8] 佚名.高效率的DC/DC轉換器技術[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.

[9] 周志敏，周紀海.開關電源設計實用技術設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10] HUANG Bruce.隔離式DC/ DC電源轉換器推陳出新[J].電子設計應用，2007（10）：107?109.

LED雖然在節能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是溫度敏感的半導體器件，又具有非線性的伏安特性，因此在應用過程中必須使用特定的電源提供能夠使LED正常工作的額定電壓和電流，并對LED進行保護穩定其工作狀態[3]。而風光互補系統和LED的結合給LED驅動電路的設計帶來了巨大的挑戰。

1 風光互補型LED路燈總體結構

風光互補型LED路燈由以下幾部分組成：風能發電機、太陽能電池板、風光互補控制器、蓄電池、LED、LED驅動電源、燈桿，外形示意圖如圖1所示。風能發電機和太陽能電池板產生電能，控制器把調整后的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電。在需要時控制器把蓄電池的電能送往LED供電，在輸送過程中LED驅動電路經蓄電池的電壓進行升壓變換供給LED，使LED路燈正常工作[4?5]。功能框圖如圖2所示。

圖1 風光互補型LED路燈示意圖

圖2 風光互補型LED路燈功能模塊示意圖

2 LED路燈驅動電路設計

風光互補型LED路燈采用蓄電池供電，所以LED驅動電路一般輸入電壓為DC 12/24 V，采用升壓拓撲結構，輸出電壓可達幾十伏，而輸出電流一般比較大可達到1～2 A。這就給設計帶來了困難，如何實現升壓的同時實現恒流驅動就成為了風光互補LED路燈驅動電路設計的關鍵[6]。雖然采用單開關管DC/DC LED驅動控制器進行供電雖然能滿足要求，但是不能達到較高的功率，并且不能實現輸出短路保護功能。為了輸出短路保護功能并且達到較高的功率，本文設計了一種基于LT3791的4開關Buck?Boost DC/DC LED驅動控制器[7?8]。

2.1 LT3791簡介[7]

LT3791是美國凌力爾特公司生產的同步4開關buck?boost LED驅動控制器，38引腳SSOP封裝芯片，封裝結構如圖3所示。

圖3 LT3782封裝結構圖

LT3791可提供從5～100 W或更高的LED功率，其開關頻率可在200～700 kHz范圍內設定。 LED 的電流準度為±6%，可確保恒流照明。 LT3791 按照應用要求，可采用模擬或 PWM 調光。由于采用4開關管同步開關結構，效率可高達 98.5%，并且能實現輸出短路保護功能。其他特點包括輸入和輸出電流監視、輸入過壓保護，LED 開路保護等。

2.2 電源總體設計[7，9?10]

基于LT3791設計的升壓電路如圖4所示。在升壓模式下，開關管Q1總是導通，Q2總是關閉。在每個周期開始時Q4先導通給電感L1充能。然后Q4關閉，Q3導通，經過電容C8濾波后輸出。在圖4中，電阻R7用來設定LT3791的開關頻率，這里選擇LT3791的開關頻率為300 kHz，參考表1選擇R7=84.5 kΩ。電路的輸出電流是通過R11來設定的，LT3791的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100 mV，這樣輸出電流就可以通過下式計算：Iout=[100R11]。

表1 LT3791開關頻率和電阻值的關系

LED驅動電路輸出電壓的紋波大小與輸出端的濾波電感及電容的取值有很大影響，電感和電容的取值越大，紋波就會越小。在輸出端加上濾波電感及電容后驅動電路的性能將更加優化。輸出濾波電感計算如下：

[L=UiDΔILfs] （1）

[D=1-UiUo] （2）

[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）

式中：D為占空比，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，Io為輸出電流，ΔL為電感取值的中間變量，fs為開關頻率。當輸入電壓為24 V，輸出電壓為50 V，頻率為300 kHz時，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本設計中取L=0.1 μH。

3 測試結果

為了驗證電路性能師傅達到要求，在此利用美國力科公司生產的lecroy 44Xs?A示波器對設計的電路進行輸出測試。當輸入電壓取24 V時所測得的輸出電壓值如圖5所示。圖5顯示輸出電壓為50.2 V能夠滿足要求。電路的輸出總電流應該達到2 A，但是由于LED采用四串并聯的形式，每串LED應該保持電流穩定在500 mA。 所以對每串電流進行測試。其中任意一串的測試結果如圖6所示。從圖中可看出，電流波動的最大值為520 mA，最小值為466 mA，有效值為503.4 mA，這足以證明輸出電流能夠穩定在500 mA左右使LED正常工作，從而說明了電路的輸出電流可以達到2 A。

圖5 輸出電壓波形

設計電路的成功與否在于能夠在風光互補LED路燈系統中得到實際應用，使風光互補系統與LED路燈巧妙結合起來。將結合后的樣品在道路上進行測試。經過檢測實際情況證實此風光互補LED路燈能夠滿足夜晚照明要求。測試如圖7所示。

4 結 語

本文設計一種可以使風光互補系統和LED路燈巧妙結合的LED驅動電路。

圖6 輸出電流波形

圖7 風光互補型LED路燈實際應用圖

電路在低輸入電壓情況下，輸出能達到50 V/2 A，能夠驅動100 W LED并使其正常工作，效率能夠達到98.5%，并且實現了輸出短路保護功能。并在實際路燈系統中測試，滿足夜晚的照明要求。在提倡節能環保的今天，風光互補型LED路燈已嶄露頭角，相信以后會成為節能路燈的主流產品。

參考文獻

[1] 肖貴賢， 汪有源. 風光互補發電系統的研究與應用[J].中國科技信息，2009（22）：20?21.

[2] 吳治堅.新能源和可再生能源的利用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 佩敏.白色LED驅動器的發展概況[J].今日電子，2002（11）：42?46.

[4] 朱芳，王培紅.風能與太陽能光伏互補發電應用及其優化[J].上海電力，2009（1）：23?26.

[5] 王宇.風光互補發電控制系統的研究與開發[D].天津：天津大學，2004.

[6] 計長安，張秀彬，趙興勇.基于模糊控制的風光互補能源系統[J].電工技術學報，2007，22（10）：178?184.

[7] 美國凌力爾特公司.LT3791器件手冊[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.

[8] 佚名.高效率的DC/DC轉換器技術[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.

[9] 周志敏，周紀海.開關電源設計實用技術設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10] HUANG Bruce.隔離式DC/ DC電源轉換器推陳出新[J].電子設計應用，2007（10）：107?109.