大功率太陽能LED路燈恒流驅動電源設計

楊秀增　楊仁桓

摘 要： 針對大功率恒流電源驅動技術在太陽能LED照明路燈中的應用，介紹了大功率LED恒流驅動電源設計方法。并給出Boost開關電源工作原理及其驅動電源元件參數的計算方法。對設計的電源進行效率測試，當升壓比為1.4時，轉換效率為92%。測試結果表明，該LED路燈恒流驅動電源具有較高的轉換效率，有一定的實用價值。

關鍵詞： 太陽能路燈； LED； 恒流驅動電源； 開關電源； XL6006

中圖分類號： TN86?34； TK513 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0168?03

Abstract： Aiming at the application of the high?power constant current driving technology in solar LED street light， a design method of the high?power LED constant driving power supply is introduced. The working principle of Boost switching power supply and element parameter calculation method of its driving power supply are given. The efficiency of the designed power supply was tested. Its conversion efficiency is 92% while the step?up ratio is 1.4. The test results show that the constant current driving power supply of the LED street lamp has high conversion efficiency and a certain practical value.

Keywords： solar street lamp； LED； constant current driving power supply； switching power supply； XL6006

0 引 言

太陽能是人們公認的清潔能量[1]。隨著太陽能光伏發電技術發展和大功率LED生產工藝水平的提高，光伏太陽能LED路燈[2]作為一種高效、環保、節能、綠色照明[3]，在照明領域中得到推廣與應用[4]。LED是一種半導體發光器件，其壽命極易受到溫度影響[5]。為了延長太陽能LED路燈的使用壽命，要采用恒流驅動電源[6]來驅動太陽能LED燈。

針對大功率的恒流驅動技術在太陽能LED路燈中應用，本文介紹了大功率LED恒流驅動電源設計方法與技術。本LED路燈恒流驅動電源具有轉換效率高，成本低廉等特點。

1 Boost開關電源工作原理

太陽能路燈采用的大功率LED燈，一般是由小功率的LED燈串聯而成；因此，在太陽能LED路燈照明系統中，需要一個升壓式開關電源（DC/DC變換電路[5]）來驅動大功率LED照明燈。升壓式開關電源的原理圖[5]如圖1所示，其中：L為功率電感；A1和A2構成PWM調制電路；D為續流二極管；C為濾波電容；RL為電源的負載。圖2（a）為當T閉合時的等效電路，圖2（b）為當T 斷開時等效電路。在圖2中，當電路工作在穩態時，電感器上的電流的變化量相等， 根據電路知識可得到如下等式：

[UiTON=（Uo-Ui）TOFF] （1）

式中：TON為開關閉合時間；TOFF為開關斷開時間，令D1=[TONTS]，D2=[TOFFTS]；TS為開關周期，利用D1+D2=1關系式，可得到輸出電壓與輸入電壓的關系：

[UoUi=11-D1=1D2] （2）

分析可知電感紋波電流、開關頻率和電感之間的關系為：

[ΔiL1=1LfsUiD1] （3）

式中，電感器的紋波電流大小與輸入電壓Ui和占空比D1成正比，與電感量L和開關頻率fs成反比，它是選定電感量的重要的理論依據。

當轉換器工作在穩態時，得電感上的平均輸入電流如下：

[ILA=Io（1-D1）] （4）

式中：ILA電感上的平均輸入電流；Io為平均輸出電流。

2 太陽能LED路燈恒流驅動電源設計

2.1 電路原理圖

圖3為LED路燈用的恒流驅動開關電源的電路圖。由圖3可知，本設計主要由XL6006芯片、微控制器、儲電池和一些外圍元件構成。XL6006是一塊高效升壓型開關型恒流驅動芯片，其內部集成了功率開關管，具有電源轉換率高和外圍元件少等優點，是理想的LED恒流驅動芯片。L為大功率儲能電感器，D1為開關電源的續流二極管，當XL6006內部的功率開關管閉合時，XL6006第3引腳接地，二極管D1反偏截止，電感器中的電流線性增大，電感器儲能；當XL6006內部的功率開關管斷開時，XL6006第3引腳懸空，二極管D1正偏導通，電感器中的電流流向負載LED。ST15W401為一片單片機，內部集成了A/D轉換器和PWM控制器，R1和R2為分壓電路，儲電池的電壓通過分壓電路分壓之后，輸到單片機的第1腳。RS為電流取樣電阻， D3和RF為開關電源的功率控制路，控制太陽能路燈恒流驅動電源輸出功率。

2.2 電路參數的計算

在計算PWM占空比D1時，按輸入電壓為12.5 V，輸出電壓為24 V計算，所以根據式（2）可以計算此驅動電源的占空比D1為：

[D1=Uo-UiUo=24-12.524≈0.479] （5）

在計算電感器的平均電流ILA時，按輸出的電流為1 A計算，根據式（4）可計算出電感器的平均電流（單位為A）：

[ILA=Io1-D1=11-0.479≈1.9] （6）

在設計電路時，為了讓變轉換器工作在CCM模式下，電感器的電流的變化量不大于電感器平均電流的50%，在此設計中，電感器最大電流變化量按40%計算（單位為A）：

[ΔIL=ILA×0.4=1.9×0.4≈0.77] （7）

因此，可計算出電感器的峰值電流（單位為A）：

[Ipeak=ILA+ΔIL=1.9+0.77=2.67] （8）

因為 XL6006的開關頻率fs為180 kHz，根據式（3）可以計算出轉換器的電感值（單位為μH）：

[L=1ΔiL1fsUiD1=12.5×0.4790.77×180×103≈43.2] （9）

根據以上的電感的計算結果，本設計選用47 μH， 5 A的電感器。

3 設計實例樣機的試制及性能指標的測試

為了驗證設計的正確性，根據以上的電路圖和計算出來的元件參數值試制一臺樣機，并對樣機進行測試。在測試時，選用臺灣晶元大功率LED燈珠進行實驗，把6顆5 W的LED燈珠串聯成30 W的大功率LED燈，并把這些LED燈貼在一個大散熱器上進行實驗。調節輸入電壓值，用萬用表測量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率，計算轉換效率，并用表格記錄下每次測量結果，如表1所示。

由表1可以看出，當輸入電壓在11 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在87%左右；當輸入電壓在12 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在89%左右；當輸入電壓在13 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在90%左右；當輸入電壓在14 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在91%左右。由此可見，本恒流轉換器具有較高的轉換效率。為了進一步地了解Boost 升壓型開關電源的升壓比與轉換效率的關系，用數值計算方法擬合升壓比和效率數據，擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出，升壓比和效率成反比關系。從圖可以看出，當升壓比為1.4時，其轉換效率約為92%，當升壓比為1.5時，其轉換效率約為91%，當升壓比為2時，其轉換效率約為87%，通過計算，由此可見，在設計Boost恒流驅動電源時，為了得到較高的轉換效率，升壓比控制在2倍以內。

4 結 論

太陽能LED恒流驅動電源，是光伏太陽能LED路燈照明系統的關鍵部件，其設計質量，直接影響LED路燈的使用壽命。針對Boost恒流驅動技術在太陽能LED路燈中應用，本文介紹太陽能LED路燈恒流驅動開關電源設計方法，并通過實例參數試制一臺實驗樣機，用數值計算方法擬合了樣機升壓比和效率數據，當升壓比為1.4時，其轉換效率約為92%，當升壓比為1.5時，其轉換效率約為91%，當升壓比為2時，其轉換效率約為87%。測試表明，該恒流驅動的設計方法可行，能為設計大功率LED太陽能路燈恒流驅動電源提供一個參考。

參考文獻

[1] 楊秀增，楊仁桓.基于斜率法的太陽能電池串聯電阻測量方法[J].實驗技術與管理，2016，33（2）：42?44.

[2] 曹衛鋒，段現星，胡智宏.大功率太陽能LED路燈控制系統設計[J].電源技術，2013，37（9）：1608?1610.

[3] 劉桂濤，白敬中.太陽能LED路燈在道路照明中的應用[J].孝感學院學報，2009，29（6）：74?76.

[4] 肖海明，陳立，章小印.智能式LED太陽能路燈控制器的設計[J].現代電子技術，2015，38（1）：153?156.

[5] 李文昌，向本才，于敦山.新型LED照明恒流驅動電路[J].微電子學，2014，44（4）：499?502.

[6] 張準，陳曉冰.大功率LED恒流驅動電源設計[J].現代電子技術，2012，35（6）：164?170.