電梯專用LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

付道軍，付 河

(廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

電梯系統(tǒng)是一個(gè)與人身安全息息相關(guān)的特種設(shè)備，有其特殊的電氣復(fù)雜性，應(yīng)急照明為其重要組成部分，保障電梯應(yīng)急照明系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。傳統(tǒng)的應(yīng)急照明基本使用白熾燈，但其有一些弊端，比如電量消耗大、能效低、照度低、使用壽命短等。隨著LED性能的提升，LED因其環(huán)保、節(jié)能、抗震、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，逐漸替代白熾燈作為電梯應(yīng)急照明，較好地克服了白熾燈的這些弊端。由于LED對(duì)電源有較高的要求，選擇穩(wěn)定可靠，持久耐用的應(yīng)急照明方案并優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電源，不但可以減少應(yīng)急照明系統(tǒng)的維護(hù)，更重要的是可以提高電梯系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性，具有保障電梯安全運(yùn)行具有重大意義。

1 LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源的工作原理

根據(jù)應(yīng)急備用電源的基本工作原理,LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)滿足以下工作要求：在有市電時(shí)，直接由市電供電，用AC/DC驅(qū)動(dòng)控制電路轉(zhuǎn)換提供低壓直流電源，主要為正常檢修時(shí)LED燈具供電，以及給系統(tǒng)自帶的備用電池充電；在發(fā)生故障時(shí)，或者市電停電時(shí)為應(yīng)急備用電池為用電設(shè)備供電，包括LED應(yīng)急燈的驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)此工作原理，LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源由四部分組成(如圖1所示)。

圖1 LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of the drive power supply for LED emergency lighting

圖1中，深色的四個(gè)模塊是LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源基本功能模塊。其中，AC/DC恒壓驅(qū)動(dòng)電路是用于市電給蓄電池充電，同時(shí)還為其他直流用電設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)電源。輸入電源選擇輔助回路是控制在有市電時(shí)蓄電池沒有輸出，只有在應(yīng)急狀態(tài)下蓄電池才有電壓輸出。LED應(yīng)急驅(qū)動(dòng)電路是用于驅(qū)動(dòng)LED應(yīng)急燈。由于LED需要特定的驅(qū)動(dòng)電源來提供穩(wěn)定的電流電壓才能可靠的正常工作，所以對(duì)于LED應(yīng)急燈的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。另外，蓄電池是一個(gè)集成部件，與電路設(shè)計(jì)無關(guān)。因此電路設(shè)計(jì)主要AC/DC恒壓驅(qū)動(dòng)電路，輸入電源選擇輔助回路，及LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電路由三個(gè)模塊來組成。下面將主要介紹這三個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。

2 LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)

本部分圍繞LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源的三個(gè)電路設(shè)計(jì)部分展開，即AC/DC恒壓驅(qū)動(dòng)電路、輸入電源選擇輔助回路、LED驅(qū)動(dòng)電路。其中AC/DC恒壓驅(qū)動(dòng)電路和輸入電源選擇輔助回路一起為L(zhǎng)ED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電路提供一個(gè)穩(wěn)定的直流輸入電壓源，LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電路將輸入的電源經(jīng)恒流穩(wěn)壓控制后直接驅(qū)動(dòng)LED應(yīng)急燈。在應(yīng)急狀態(tài)下，由蓄電池給LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電路供電。將重點(diǎn)介紹較特殊應(yīng)用的蓄電池作為輸入電源的LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 AC/DC恒壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源被譽(yù)為高效、節(jié)能電源，是目前能量變換中效率最高的,而且體積小、重量輕。應(yīng)急備用電源中用開關(guān)電源是符合電梯應(yīng)用環(huán)境的最佳方式。需要的是從AC220V電壓轉(zhuǎn)換為DC12V電壓，所以選擇Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源電路。

圖2是Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源原理示意框圖。

圖2 Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理框圖Fig.2 Buck topology block diagram

其中，脈寬調(diào)制器使用SANKEN芯片A6051，是內(nèi)置MOSFET的電源驅(qū)動(dòng)IC，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。恒壓反饋電路設(shè)計(jì)采用常用的LM258運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。電壓采樣基準(zhǔn)電壓由TL431提供2.5V的基準(zhǔn)電源電壓。輸出端電壓電流的取樣電壓和TL431的基準(zhǔn)電壓比較，經(jīng)過運(yùn)算放大器LM258的P1腳輸出一個(gè)調(diào)節(jié)電壓電流，達(dá)到恒壓DC12V輸出的效果，可以給蓄電池充電。

2.2 輸入電源選擇輔助回路的設(shè)計(jì)

LED應(yīng)急照明電源應(yīng)用方式，在有市電時(shí)，用市電通過應(yīng)急備用電源恒壓恒流供電，照明以及給蓄電池充電。在市電停電或有故障時(shí)，由應(yīng)急備用電源中自帶的蓄電池供電。要完成這兩種輸入電源的選擇，就需要一個(gè)輸入電源選擇輔助電路。 輸入電源選擇輔助回路設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。

12V蓄電池輸出的控制是通過繼電器來實(shí)現(xiàn)的，接繼電器的常閉開關(guān),通過三極管來控制。市電正常供電時(shí)，三極管導(dǎo)通，使繼電器常閉觸頭斷開，繼電器斷開，故此時(shí)，12V蓄電池?zé)o輸出。市電沒有電壓輸入時(shí)，控制三極管不工作,使繼電器閉合，接通蓄電池輸出電路，實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓的輸出。只要備用電池有電，就可以保證DC12V持續(xù)穩(wěn)定的輸出。給LED驅(qū)動(dòng)電路提供持續(xù)的電壓。

圖3 輔助回路設(shè)計(jì)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of auxiliary circuit design

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

LED正向伏安特性非常陡，需要穩(wěn)定的電流，否則電壓波動(dòng)稍增，電流就會(huì)增大到將LED燒毀的程度。因此要讓LED燈能可靠的工作，必須要配置恒流穩(wěn)壓的電源來驅(qū)動(dòng)。

2.3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路方案的選擇

本LED驅(qū)動(dòng)電路選擇開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路作為驅(qū)動(dòng)方案。一般來看，LED恒流驅(qū)動(dòng)方案有鎮(zhèn)流電阻、線性恒流驅(qū)動(dòng)、開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)等。

鎮(zhèn)流電阻方案，原理是電路串聯(lián)限流電阻，此電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低，缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度不高、電阻發(fā)熱消耗功率、導(dǎo)致用電效率低。線性恒流驅(qū)動(dòng)電路，利用電子技術(shù)常見的電流負(fù)反饋原理，設(shè)計(jì)出恒流驅(qū)動(dòng)電路，輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負(fù)載電壓之和，電路才能正確地工作。這兩種驅(qū)動(dòng)技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。開關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的，可以達(dá)到90%以上。使用開關(guān)電源方案設(shè)計(jì)的恒流穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)LED是一個(gè)較好思路。恒流源可以避免因輸入電壓的波動(dòng)使輸出電流波動(dòng)，這也使得LED的亮度始終保持不變。

本LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源中是以備用蓄電池作為應(yīng)急LED燈驅(qū)動(dòng)電源的輸入電源，所以要選擇DC/DC的開關(guān)電源。 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)三種基本拓?fù)洹２贿^也有專家認(rèn)為最基本的拓?fù)涫莃uck和boost，其他均由此演變而來。

Buck電路是用于降壓電路。Boost電路是用于升壓電路。Buck-Boost電路用于升降壓電路。其輸出平均電壓Vo=DVs/(1-D)大于或小于輸入電壓Vs，極性相反，電感傳輸。是反激變換器的原型。

根據(jù)LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品在電梯系統(tǒng)中應(yīng)用的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)具有自動(dòng)升降壓功能的電路。以適應(yīng)，在電池電壓充足時(shí)，或負(fù)載LED額定電壓低于電池輸出電壓時(shí)，自動(dòng)降壓恒流驅(qū)動(dòng)輸出；在電池電壓變低或需要驅(qū)動(dòng)的LED燈負(fù)載額定電壓高壓電池輸出電壓情況下，自動(dòng)升壓恒流驅(qū)動(dòng)輸出。這里就應(yīng)用不常見的升降壓電路單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。

2.3.2 LED驅(qū)動(dòng)電路所選拓?fù)潆娐吩碚f明

下面對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路所選拓?fù)洹味顺跫?jí)電感變換器的電路工作原理進(jìn)行分析介紹。

單端初級(jí)電感變換器(Single Ended Primary Inductor Converter，簡(jiǎn)稱SEPIC)電路的效率通常可達(dá)90%以上。此外，在傳統(tǒng)的Buck，Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只能實(shí)現(xiàn)單一的升壓或降壓。而SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)降壓，又可實(shí)現(xiàn)升壓。SEPIC由兩個(gè)松耦合的電感替代了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單一電感。通過纏繞在同一磁芯上的兩個(gè)耦合電感，在適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比下，可在理論上使輸入電流的紋波電流降為零，進(jìn)而大大削減輸入的電磁干擾，提高轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。

SEPIC 的電氣原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 SEPIC topology

通常稱之為升降壓變換器 SEPIC 的簡(jiǎn)單原理如圖1所示： SEPIC 設(shè)計(jì)中具有原邊電感(L1)、副邊電感(L2)和位于兩個(gè)電感之間的串聯(lián)電容(Cp)，某種程度上，可以把SEPIC 設(shè)計(jì)看作是具有隔直流電容(消除輸入電壓)的BOOST 調(diào)節(jié)器，允許輸出電壓高于或低于輸入電壓。然而，為了復(fù)位隔直流電容，允許能量傳遞到輸出端，在副邊放置了另一個(gè)電感L2。

對(duì)電路進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)Cp 上的直流電壓等于輸入電壓，當(dāng)MOSFET(圖中用SW代替)導(dǎo)通時(shí)，Vin 為L(zhǎng)1 充電、Cp 為L(zhǎng)2 充電。由于Cp上的電壓等于輸入電壓，導(dǎo)通期間每個(gè)電感電壓相同。關(guān)閉期間，每個(gè)電感的放電電壓相同——輸出電壓加上D1 的導(dǎo)通電壓。由于L1 和L2 具有相同的充、放電電壓，它們可以具有相同的電感量和紋波電流，但二者的平均電流相差較大。

MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，D1 反偏，只有輸出電容Cout支持輸出電流(Iout)；MOSFET斷開時(shí)，L1 的電感電流流過Cp，與L2 電流合并，為輸出電容充電并支持Iout。通過對(duì)方程式進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)電路中L2 的電流用于支持Iout，L1 的電流重新為輸出電容充電，補(bǔ)充能量。即L2 的平均電流等于Iout，而L1 的平均電流等于Iout×Vout/Vin。由SEPIC 的原理可推出基本關(guān)系式：Vout/Vin=D/(1-D)。式中D為占空比，且忽略SW 及D1 等的壓降。

電路是可升降壓的DC/DC直流開關(guān)變換電路，通過控制開關(guān)管S的PWM信號(hào)中的占空比，便可達(dá)到升降壓的目的。

2.3.3 LED驅(qū)動(dòng)電路所選拓?fù)涞碾娐吩O(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示，是一個(gè)典型的SEPIC BUCK-Boost 恒流LED驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)IC選擇XL6005，60V，4A的開關(guān)控制芯片。

圖5 SEPIC拓?fù)銵ED驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.5 SEPIC LED drive circuit

VIN是恒流驅(qū)動(dòng)電路的電源輸入端，輸入電壓范圍8V～30V。VOUT+，VOUT-接LED應(yīng)急燈。R1，RCS1，RCS2，組成了一個(gè)輸出電流調(diào)節(jié)電路。

輸出電流調(diào)節(jié)電阻：

(1)

(2)

公式(1)、(2)計(jì)算得出：

由于當(dāng)前電梯系統(tǒng)中配備的LED應(yīng)急燈大多是3W～5W的。在應(yīng)急狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電流選擇為350mA。電阻選擇RCS1=1.21R±1%，RCS2=1.3R±1%，輸出電流就很精確了，可以驅(qū)動(dòng)6串LED燈珠。滿足了12V應(yīng)急備用電池輸入，可以驅(qū)動(dòng)1～6個(gè)LED應(yīng)急燈，應(yīng)急驅(qū)動(dòng)電流350mA。至此，整個(gè)應(yīng)急驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)完成。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了這款電源設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定，能夠適應(yīng)不同種電梯或不同公司配備不同功率的LED應(yīng)急燈的驅(qū)動(dòng)需要。

3 結(jié)論

本文介紹了電梯專用LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案。電梯專用LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)部分由三大模塊構(gòu)成，AC/DC穩(wěn)壓電路，輸入電源選擇回路和LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。其中輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭的LED應(yīng)急照明驅(qū)動(dòng)電路，選擇非常見的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)結(jié)構(gòu)的電路，詳細(xì)介紹了SEPIC變換器的工作原理、元件選擇的依據(jù)，以及一些常用芯片的典型應(yīng)用電路。電路具有實(shí)用、節(jié)能、長(zhǎng)壽、電路合理、安裝方便、可靠性高等特點(diǎn)。

致謝：感謝LED特種燈具及智能照明監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目的支持，感謝羅婉霞女士的耐心指導(dǎo)。

[1] 吳玉香，尚俊，羅婉霞，等. 一種LED智能控制模塊的設(shè)計(jì)[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2014，25(2).

[2] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[3] 陳傳虞.LED驅(qū)動(dòng)芯片工作原理與電路設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，2011.

[4] 劉樹林，高衛(wèi)斌，尹衛(wèi)平. 低頻電子線路[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5] 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華. LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003.