風光互補型LED路燈驅動電路設計

付賢松 桑若愚 牛萍娟 楊赫博 李洪超

（1.天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津 300387 2.天津工業大學電子與信息工程學院 天津 300387 3.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

1 引言

在我們的日常生活中路燈是很常見的，城市中美麗的夜景燈光裝飾也豐富多彩。然而，傳統燈泡的功耗很大，而且傳統路燈較長的低壓輸電線路使傳輸線上的損失也很大。人類的生存和發展受到了過度使用能源、資源爭奪和環境污染問題所造成的能源短缺的嚴重威脅，所以目前新能源已經廣泛使用。其中太陽能和風能是最常見的新型可再生能源和清潔能源。在白天陽光較充足而風比較小，在夜里沒有陽光，由于地表的溫差大，風力增強；夏天陽光強烈，風比較小，而冬天陽光較弱，風較強。這種時間上的互補成為風光互補發電系統的一個非常好的資源條件[1,2]。

由于高功率白光LED照明的高效，節能，環保，壽命長等優點，在能源和環境問題越來越嚴重得今天引起了人們的關注。這些眾多的優勢使LED燈在二十一世紀成為最有前途的光源。風光互補LED路燈使用太陽能和風能，和傳統路燈相比不排放污染物到空氣中，不消耗非可再生能源。隨著時間的推移，可以節省大量的電力成本，對環境的保護是不言而喻的。

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。

2 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路燈、LED驅動電源、卸荷電路組成，其功能框圖如圖1所示。

圖1 風光互補型LED路燈功能模塊示意圖Fig.1 Function module diagram of wind-solar LED street lamp

從圖中可以看出，風能發電機和太陽能電池板產生電能，控制器把產生的電能進行調整，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]。缷荷電路起到保護電路的作用，當蓄電池過充或風速過高時就會對風機進行剎車。

3 LED路燈DC-DC驅動電路設計

LED的光通量和其正向電流成正比的關系，因此可以通過控制 LED的正向電流來控制其發光亮度。LED若采用恒壓源驅動，較小的電壓變化會引起較大的電流變化，所以恒壓驅動只適用于要求不高的小功率的場合下，在要求高的場合或大功率的場合下 LED都要采用恒流驅動。風光互補型 LED路燈采用蓄電池供電，LED驅動電路一般輸入電壓為DC 12/24V，采用升壓拓撲結構，輸出電壓可達幾十伏，而輸出電流一般達到 1～2A。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]。

目前 LED驅動電路應用得較多的是電荷泵電路和 DC-DC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，把電容作為能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關進行切換。DC-DC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。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，效率相對低些，輸出電壓可變化范圍不大，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。本文所設計的驅動電路是基于LT3755的Buck-Boost DC-DC LED驅動控制器[7,8]。

3.1 LT3755簡介

LT3755是美國凌力爾特公司生產的 DC-DC LED驅動控制器，16引腳 MSOP封裝芯片，封裝結構如圖2所示。該芯片的開關頻率在 100kHz～1MHz之間可編程，輸入電壓范圍從4.5V到40V。輸出電壓最高為75V，帶輸出開路和輸入過壓保護，帶有PWM調光和模擬調光[7]。

圖2 LT3755封裝結構圖Fig.2 Package structure diagram of LT3755

從圖中可以看出，1引腳是 PWM信號輸出引腳；2引腳是輸出電壓反饋引腳，該引腳參考電壓為1.25V，通過反饋電阻可以設定最大輸出電壓值；3和4引腳是輸出電流檢測引腳，以實現恒流驅動，兩引腳直接的參考電壓為100mV；6引腳是模擬調光引腳；7引腳是2V參考電壓輸出引腳；8引腳是PWM信號輸入引腳；10引腳是軟啟動引腳；11引腳用來設定開關頻率；12引腳是低電壓關斷引腳，當該引腳的電壓大于0.4V時，芯片才開始工作；14引腳連接輸入電源；15引腳用來反饋場效應管的輸出電流；16引腳用來驅動場效應管的柵極。

3.2 電源總體設計

通過分析 LT3755的數據手冊，本論文設計了如圖3所示的驅動電路原理圖。由蓄電池給LT3755供電，LT3755產生的振蕩輸出驅動 N溝道場效應管Q1，場效應管輸出經肖特基二極管VD1整流后，由電容C4、C5濾波輸出[7-9]。

圖3 基于LT3755的DC-DC驅動電路原理圖Fig.3 DC-DC drive circuit schematics based on LT3755

上圖的電路中Rx1是光敏電阻，由Vref引腳輸出的 2V參考電壓經 R8和 Rx1分壓之后輸入到 CTRL引腳。當CTRL引腳的電壓低于100mV的時候，芯片不工作，當CTRL引腳的電壓在100mV到1.2V之間的時候，LED電流和CTRL引腳的電壓相關，當CTRL引腳的電壓大于等于1.2V的時候，電路的輸出電流是通過設定電阻 R4的阻值來設定的，LT3755的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100mV,這樣輸出電流可以通過下式計算：Iout=100mV/R4。本設計的輸出電流為1.4A，所以R4=100mV/1.4A≈70mΩ。

所以當外界比較明亮的時候，光敏電阻分得的電壓很低，CTRL引腳的電壓低于100mV，芯片不工作。當外界逐漸變暗，光敏電阻分得的電壓逐漸增大，當CTRL引腳的電壓高于100mV是，芯片開始工作，并且LED的亮度逐漸增大，當CTRL引腳的電壓大于等于 1.2V的時候，LED中的電流基本穩定在1.4A，亮度達到最大，這樣就實現了自動開關和調光功能。

根據數據手冊的Output Voltage Programming，輸出電壓最大值Vout表達式如下所示

這樣就可以通過設定最大輸出電壓來實現輸出開路保護功能。在本設計中取最大輸出電壓為30V。在本設計電路中，R2就是公式中的 RF1，R3就是公式中的RF2，從而可通過輸出電壓確定R2和R3的比值，如果 R3選擇 1MΩ，那么 R4就確定了，即 R4為43.2kΩ。

根據數據手冊中的Soft-Start and Shutdown，確定芯片軟啟動時間t的公式，如下式所示

軟啟動是輸出電壓從零變到所需要的輸出電壓的時間。這個公式中的C就是電路中的C3。本設計電路的軟啟動時間是 0.2ms，從而確定 C3的值為1 000pF。

電路的最大輸入電流 IIn(PEAK)可以通過下式計算

根據數據手冊中的Sense Resistor Selection，得到

RSENSE,BOOST就是本設計電路中的 R1，從而通過計算得出R1為12mΩ左右。

在Programming the Switching Frequency中分析并確定R7。開關管開關頻率和R7關系如表1所示。

表1 開關管開關頻率和R7關系表Tab.1 Relationship between switch frequency and R7relation table

本設計電路中，頻率選擇為400kHz，根據上表選擇合適的R7為26.7kΩ。

根據以上電路的電路設計與優化，基于LT3755的1.4A 40W的DC-DC驅動電路中各元器件參數如圖3所示。

4 測試結果

設計并制作了PCB板并完成了實物焊接。制作的PCB電路板和搭建的實驗平臺如圖4所示。此次測試由直流電源供電，輸入電壓為16V，負載采用貝奇CH8711可編程直流電子負載。

圖4 PCB電路板和搭建的實驗平臺Fig.4 The PCB crrcuit board and the test platform

輸出電流和紋波測試使用電流探頭將電流轉換為電壓之后用示波器進行測試。

在沒有遮擋光敏電阻并且外界比較亮的時候的測試，其輸出電流如圖5所示。

圖5 沒遮擋光敏電阻時沒有輸出Fig.5 There is no output without shielding photoresistor

從圖中可以看出，此時沒有輸出電流。由于沒有遮擋光敏電阻時，光敏電阻的阻值比較小，分得的電壓小于100mV，所以此時芯片不工作，從而沒有輸出電流。

將光敏電阻遮擋之后芯片開始工作，說明自動開關功能成功，開始正常測試，我們將分別測試沒有輸出濾波電感的測試板和增加輸出濾波電感的測試板。

沒有輸出濾波電感 PCB測試板的輸出電流的測試結果如圖6所示。

圖6 沒有輸出濾波電感時的輸出電流Fig.6 The output current waveform without output filter inductor

從圖中可以看出，輸出電流的最大值大約為1.43A，最小值大約為1.39A，紋波電流約為0.02A。

帶有輸出濾波電感 PCB測試板的輸出電流的測試結果如圖7所示。

圖7 帶有輸出濾波電感時的輸出電流Fig.7 The output current waveform with the output filter inductor

從圖中可以看出，輸出電流的最大值大約為1.415A，最小值大約為 1.395A，紋波電流約為0.01A。

測試結果表明，驅動電源帶有輸出短路保護功能，輸出電流能夠穩定在1.4A左右，效率能夠達到95.4%，通過增加輸出濾波電感輸出紋波電流從0.02A減小到了 0.01A。以上測試結果基本滿足預期，此電路已達到設計要求。

5 結論

本文設計一款可以使風光互補系統和 LED路燈巧妙結合的LED驅動電路。電路在低輸入電壓的情況下，輸出電流能達到1.4A，單路能夠驅動40W LED正常工作，效率能夠達到95.4%，通過增加輸出濾波電感輸出紋波電流從0.02A減小到了0.01A，并且實現了自動開關功能。在提倡節能環保的今天，風光互補型LED路燈已嶄露頭角，隨著風光互補路燈系統技術逐漸完善，風光互補路燈將成為路燈的主流。

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