無線LED照明驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計

唐嘉銘 ，鄭 陽，李 暉，李志芳

（1.福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.University of Florida，Gainesville，F(xiàn)L 32611）

無線LED照明驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計

唐嘉銘1，鄭 陽2，李 暉1，李志芳1

（1.福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.University of Florida，Gainesville，F(xiàn)L 32611）

本文主要提出以電磁耦合與電磁共振的方式，為LED提供無線驅(qū)動電能。采用高精度的正激變換恒流源驅(qū)動LED，并利用光電池進行光照強度采集反饋調(diào)整恒流源電流以控制LED發(fā)光強度，保證光照恒定。此外該系統(tǒng)還在電網(wǎng)輸入端增加有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），以減少該裝置作為非線性負載而引入電網(wǎng)的高次諧波。本文所述方案能有效地提高LED照明分布的靈活性，解決電力線布線的繁瑣，同時在高效管理光照能耗的情況下不影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，因此其具有深厚的實用價值和應(yīng)用潛力。

無線供電；高精度恒流源；諧波補償；LED照明

LED光源近十年來發(fā)展達到了新月異的程度，很快應(yīng)用到汽車、建筑物、醫(yī)療、景觀照明等終端市場，LED照明變得比傳統(tǒng)照明更加可靠及高效，在市場上也越來越普及。但LED的安裝使用卻受到輸電線鋪設(shè)的束縛，影響了其使用場合的靈活性；同時，由于LED本身，驅(qū)動源的高頻變壓器、功率開關(guān)管等非線性器件的存在，會導(dǎo)致引入電網(wǎng)中的諧波電流增大，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量[1]。而目前卻少見有同時考慮降低無線供電給電網(wǎng)帶來諧波影響的無線LED照明等成套的系統(tǒng)報道。因此本文給出了一套具有諧波補償功能的LED無線驅(qū)動方案。該方案能在方便LED靈活安裝的同時，根據(jù)光照的采集反饋來調(diào)節(jié)LED至合適亮度。這些對LED的普及，提高供電安全性和可靠性，高效節(jié)約電能都將十分有益。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要有：無線供電模塊、恒流驅(qū)動源模塊、有源電力濾波器（APF）模塊、控制電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中，逆變裝置、整流濾波2構(gòu)成無線供電模塊；正激變換電路、整流濾波3構(gòu)成恒流源驅(qū)動模塊。MCU通過光電池進行光照采集對輸出電流進行反饋調(diào)節(jié)以使輸出穩(wěn)壓、恒流。APF通過主控制器輸出電流來抵消由無線驅(qū)動模塊注入電網(wǎng)的電流諧波，以改善輸入端電能質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the system

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 無線供電系統(tǒng)設(shè)計

無線供電系統(tǒng)由控制端、發(fā)射端、負載整流電路組成，分別通過電磁耦合（近距離傳輸方式）和電磁共振（遠距離傳輸方式），實現(xiàn)無線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of wireless power supply system

發(fā)射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負責(zé)將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。近距離逆變頻率為200～500 kHz，通過電磁耦合的方式傳輸[2]，使用U形松耦合鐵氧體磁芯隔離實現(xiàn)無線供電[3]，如圖 3。

圖3 近距離傳輸Fig.3 Close transmission

遠距離逆變頻率為1 MHz，通過電磁共振的方式傳輸[4],采用空心變壓器耦合，將初級和次級分別纏繞在圓筒上，作為傳輸介質(zhì)，達到遠距離電能傳輸，如圖4所示。

圖4 遠距離傳輸Fig.4 Long-distance transmission

本系統(tǒng)通過智能切換傳輸方式，達到穩(wěn)定的高效傳輸電能。次級在初級等效電阻與距離的關(guān)系如圖5，z為阻抗，L為距離，只有在L0的位置等效阻抗為最小。根據(jù)此原理，當接收距離遠離L0時，阻抗增大，初級電流減小，通過霍爾電流傳感器采集初級輸入電流大小，判斷模式的切換。

圖5 次級在初級等效阻抗Fig.5 Primary-referred impedance

2.2 恒流源電路

恒流源系統(tǒng)主要由DC/DC正激變換電路[5]和MCU控制電路組成。正激變換電路為LED恒流驅(qū)動源，如圖6。逆變器輸出經(jīng)整流濾波后以芯片L7824ACV作穩(wěn)壓，為DC/DC變換電路提供+24 V輸入。該結(jié)構(gòu)的恒流源具有高精度輸出的特點，其輸出功率取決于變壓器參數(shù)的選擇，一般能達32 W以上，滿足大多數(shù)人LED照明應(yīng)用場合的功率要求[6]。

該電路采用TL494作恒流控制芯片，開關(guān)頻率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）設(shè)定，通過電位器 R4調(diào)節(jié)死區(qū)時間，其電流輸出誤差可＜1%。圖6中，RS為電流取樣電阻；R3為反饋電壓采樣電阻，用來限制最大輸出電壓。當輸出電流變化時，引腳2（1IN-）的電位也隨之變化，通過TL494內(nèi)部誤差放大比較以后改變PWM驅(qū)動信號的占空比，實現(xiàn)輸出電流的負反饋調(diào)整。單片機通過A/D采集光電池電壓，進行判斷后輸出PWM經(jīng)過低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準電壓來改變輸出電流大小，達到自動調(diào)節(jié)LED發(fā)光強度的目的，其中運放作的電壓跟隨器起隔離和增強驅(qū)動能力的作用。調(diào)節(jié)R2可改變基準電壓與輸出電流的比例關(guān)系。L1、D3為磁泄放繞組，以防止變壓器初級線圈磁飽和，使在開關(guān)管關(guān)斷期間能為初級線圈提供磁復(fù)位。由于TL494驅(qū)動能力有限，所以通過三極管推挽輸出，增加TL494驅(qū)動能力。

表1為以輸出16 W為例的DC/DC變換電路實物測試結(jié)果，證明了該恒流源能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率和高精度的電流輸出。

圖6 LED恒流驅(qū)動電路Fig.6 LEDs’constant current driver

表1 恒流源測試結(jié)果Tab.1 Test result of the constant current driver

2.3 諧波補償系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

諧波補償系統(tǒng)硬件主要由有源電力濾波器（APF）完成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。本文采用TMS320F2812型號的數(shù)字信號處理器（DSP）作為核心控制和信號處理單元。調(diào)理電路主要有電流/電壓傳感器信號放大、整流，抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負載端三相電流，通過信號調(diào)理電路送入DSP經(jīng)A/D采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅(qū)動逆變器對諧波電流作相應(yīng)的抵消,以電流傳感器2采樣輸出的補償電流作反饋調(diào)節(jié)。逆變器直流母線電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器變換供給DSP的內(nèi)部A/D采集，通過算法控制其直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。三相電壓信號的過零點作為過零觸發(fā)信號，作為每個周期軟件處理清零和起始信號[7]。

圖7 諧波補償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of harmonics compensation system hardware

2.3.2 諧波電流萃取算法

1）三相瞬時無功功率原理

該補償系統(tǒng)軟件部分主要包括諧波電流萃取算法，采用目前常用的三相瞬時無功功率理論（亦稱ip-iq算法）[8]-[9]。該檢測法通過某一轉(zhuǎn)移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip和iq電流分量有機地結(jié)合起來，并以此為出發(fā)點可以分別得到三相電流諧波和無功電流，其表達式為：

通過低通濾波器（LPF）可將對應(yīng)基波電流的分量分離出來，由于 ipf，iqf，可由基波分量 iaf，ibf，icf變換得到，因而 ipf，iqf，經(jīng)反變換即可得到三相電流中的 iaf，ibf，icf即：

當要求同時檢測出諧波和無功電流時，只需忽略計算ip的通道，由ipf計算出被檢測電流的基波有功分量iapf，ibpf，icpf，即：

將 ia，ib，ic與 iapf，ibpf，icpf相減，即可得出 ia，ib，ic的諧波分量波和基波無功分量。

2）仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

該系統(tǒng)沒有電線的限制，LED可以在無線供電接受范圍內(nèi)任意安裝，并通過光電傳感器自動感光來調(diào)節(jié)LED亮度。同時利用有源電力濾波器諧波補償技術(shù)，設(shè)計出與無線驅(qū)動模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統(tǒng)運作中的高次電流諧波，降低輸電網(wǎng)的總諧波失真。本設(shè)計可以應(yīng)用到家居、車載、場景或景觀LED照明中，有效地提高照明分布的靈活性，節(jié)約電能和減小光污染，并改善電能質(zhì)量，有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖8 三相瞬時無功功率算法消除諧波Fig.8 Harmonic elimination with three_phase instantaneous reactive power theory

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Drive system design of wireless LED lighting

TANG Jia-ming1， ZHENG Yang2， LI Hui1， LI Zhi-fang1
（1.College of Photonic and Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China；2.University of Florida， Gainesville， FL 32611， America）

This paper mainly introduces a LED drive system with wireless power supply in electromagnet coupling or electromagnetic resonance mode.The high-precision current source is adopted to drive LED （s） whose luminous intensity is controlled by source current according to light intensity feedback via photocell， so as to ensure stable illumination.What’s more， the system also increases active power filter （APF） beside grid input， which may prevent harmonics produced by this nonlinear device from injecting electric network.The program presented can effectively improve the flexibility of LED lighting distribution，and solve the trouble of cable wiring.It may provide efficient management of light energy without affecting power quality of the grid.So that it has profound practical value and application potential.

wireless power supply； high-precision constant current source； harmonics compensation； LED lighting

TN702

A

1674-6236（2014）15-0105-04

2014-05-05 稿件編號：201405029

國家自然科學(xué)基金（61178089，81201124）；福建省科技廳重點項目（2011Y0019）

唐嘉銘(1989—)，男，廣東江門人，碩士研究生。研究方向：光聲成像系統(tǒng)電路設(shè)計、開關(guān)電源設(shè)計。