基于蓄電池供電的自適應LED照明系統

出處：xihuan168 發(fā)布于：2012-05-09 10:58:31

　　摘要：本文介紹了一種基于蓄電池供電的LED照明系統的電路設計。以Boost為功率電路拓撲結構，通過合理地安排LED陣列，提高了照明的可靠性。本電路設計可以同時對LED進行模擬調光和數字調光，并且本系統適用于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列、端電壓范圍從6-36V的蓄電池，從而使得對產品進行維護--需要更換LED或是需要更換蓄電池時，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統就能正常并穩(wěn)定地工作。

　　前言

　　由于具有高發(fā)光效率、高可靠性、長壽命等優(yōu)點，發(fā)光二極管（LED）在照明、信號顯示、顯像等領域應用越來越廣泛，被廣泛認為是一種取代白熾燈、熒光燈等傳統光源的新型光源。

　　驅動LED有多種方法，而簡單的方法就是將LED與限流電阻串聯，再以電壓源供電。這種驅動方式的優(yōu)點是電路簡單，但是也存在不少缺陷。首先是效率低，降壓電阻會消耗大量電能，甚至有可能超過LED所消耗的電能；其次是穩(wěn)定電壓能力極差，而LED的V-I曲線具有負溫度特性，隨著結溫的升高，流過LED的電流會越來越大。所以，如果驅動電流得不到控制，LED很容易被燒毀，即使沒有燒毀，壽命也會大大縮短。所以，驅動大功率LED時，電流控制是必需的。除此之外，LED光源的照度直接與電流相關，所以控制LED的驅動電流，其照度也將得到控制。

　　1 系統設計

　　系統的原理框圖如圖1所示。供電電源為鉛酸蓄電池，負載為LED組成的陣列，使用LTC3783作為控制器，實現PWM控制。本電路設計可以同時對LED進行模擬調光和數字調光。并且本系統對于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列、端電壓范圍從6-36v的蓄電池均能正常工作，從而使得在對產品進行維護--需要更換LED或需要更換蓄電池時，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統就能正常并穩(wěn)定地工作。

圖1 系統原理框圖

　　由于發(fā)熱量、散熱技術等多方面的限制，使得單顆LED的功率不能像傳統光源那樣做得很大，功率為1w的LED即為大功率LED了。實際應用中，通常使用多顆小功率LED組成的陣列來滿足較高的照度要求，并實現低成本，如圖2所示。

圖2 LED陣列示意圖

　　應用LED陣列還有另一個顯著優(yōu)點。我們知道LED可能會因某些故障發(fā)生短路和斷路。當某個串，聯支路中的LED發(fā)生短路時，該支路中其他的LED仍然能夠正常工作。盡管通過LED的電流可能上升，但是由于LED的數量較多，上升的電流不大，上升后的電流仍不會超出LED允許的工作范圍。當某個串聯支路中的LED發(fā)生斷路時，該串LED熄滅。

　　但由于陣列由多個LED串組成，其他LED串仍能工作，并分擔熄滅的LED串中的電流，但是由于LED的支路較多，上升的電流不大，上升后的電流仍不會超出LED允許的工作范圍。所以很明顯，LED陣列相對具有更高的穩(wěn)定性和可靠性心1.而且，對于特定數目的LED陣列，當使支路數目和支路中的LED數目相一致時，將更有利于提升LED組件工作的可靠性和穩(wěn)定性。

　　實驗中制作一個8串、每串20顆LED的陣列和一個12串、每串12顆LED的陣列。使用的LED為O.1w子彈頭形LED,額定正向壓降范圍為3.0-3.3v,額定正向電流范圍為10一30mA.實驗中將LED設計工作在20mA,這樣可以減小散熱量，并在LED出現短路故障時能夠有足夠的電流裕量。

　　1.2 B00st變換器及控制器改進

　　主電路示意圖如圖3所示。對于主電路，恒流控制的電流通過采樣電阻R將電流轉換成電壓，控制器通過開關管的開通與關斷，能夠實現恒定采樣電阻上的電壓，從而實現了恒定LED陣列的電流。如果能夠調節(jié)控制器恒定采樣電阻上的電壓值，則將實現LED的模擬調光?；谝陨纤悸?，對LTC3783進行應用改進，見圖4.

圖3主電路示意圖

圖4控制電路示意圖

　　圖4中將采樣電阻端接控制器的FBN負反饋端，而非接采樣sense端。將參考電平Vref經分壓接入FBP正反饋端，再以可調電阻R2替代定值電阻。

　　要實現恒定采樣電阻上的電壓目標值，只需調節(jié)可調電阻。所恒定的LED電流值由所恒定的采樣電阻上的電壓值所確定。即：

　　通過以上對控制器LTC3783進行應用創(chuàng)新，實現了對LED進行模擬調光，同時實現了在需要更換LED陣列時，只要功率不過大，均無需重新設計電路。

　　再結合控制器本身的特性，本電路設計還可以對LED進行數字調光，對于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列和端電壓范圍從6-36V的蓄電池均能正常工作。

　　變換器的設計應滿足以下要求：

　?。?）當以一個8串、每串20顆LED的陣列作為負載時：

　　輸出電壓Vo:60~66V

　　輸出電流Io:0.16A（恒定電流值）

　　工作頻率f:45kHz

　　當以12V蓄電池供電時：

　　電壓變比M:5-5.5

　　占空比D:0.800-0.818

　　當以24V蓄電池供電時：

　　電壓變比M:2.5~2.75

　　占空比D:O.600-O.636

　　（2）當以一個12串、每串12顆LED的陣列作為負載時：

　　輸出電壓Vo:36-39.6V

　　輸出電流Io:0.24A（恒定電流值）

　　工作頻率f:45kHz

　　當以12v蓄電池供電時：

　　電壓變比M:3-3.3

　　占空比D:0.667-0.697

　　當以24v蓄電池供電時：

　　電壓變比M:1.5~1.65

　　占空比D:0.333~0.394

　　調試時，只需調節(jié)可調電阻R2便可實現恒定的電流目標值，占空比會由控制器自行調整。Boost電路中的電容大小決定了負載電壓紋波大小，具體電容值可根據設計需要自行選取。電路中的電感值決定了電流紋波，為了便于系統參數的設計，通常都是設計系統工作于電流連續(xù)模式。本系統考慮在極端情況下，調光至10mA電感電流仍然連續(xù)，取值如下：

　　考慮一定的裕量，終選取電感量為1.5mH.如果電感量選取過小，易導致當負載功率較大時，設計電路輸出功率不足，無法使負載正常工作。

　　1.3恒流控制

　　實際上，變換器的輸出電流不是完全恒定不變的，而是具有一定的紋波，如圖5所示。MOS管開通時輸出電流上升，關斷時下降。這里的控制策略就是當輸出電流達到設定上，將MOS管關斷，使得電流下降，直到下一個LTC3783控制器內部的觸發(fā)脈沖（頻率即為45kHz）到來時產生驅動信號將它再次開啟。具體所設置的電流可通過調節(jié)可調電阻實現。

　　由于直接對輸出電流進行采樣形成反饋，所以不論LED的V-I特性發(fā)生什么變化，都能由反饋形成調整，維持輸出電流不變。

圖5控制策略的示意圖

　　2實驗結果

　　圖6（a）中的上波形是輸出電壓，下波形是開關管驅動波形，圖6（b）是與之相對應的采樣電阻輸出電壓波形，該波形中的尖刺是寄生電感和電容等引起的噪聲。圖6中兩組波形是以12V蓄電池供電，以一個8串、每串20顆LED的陣列為負載的實驗波形。

圖6變換器的輸出波形

　　從圖6（a）中所測得的數據，可以算出占空比為：

　　與前面計算的理論值：占空比D:O.800~0.818相吻合。經實驗，12V蓄電池供電下，以一個12串、每串12顆LED的陣列為負載，和以端電壓為24V蓄電池對以上兩種LED陣列進行供電時，占空比均與前面的理論分析值一致，并且能穩(wěn)定地工作。

　　因此證明了本系統對于大功率范圍內的LED陣列，使用端電壓范圍從6-36V的蓄電池均能正常工作。而且，在對產品進行維護--需要更換LED或需要更換蓄電池時，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統就能正常并穩(wěn)定地工作。

　　3結論

　　Boost電路不但能夠升壓，而且拓撲本身所需元器件少，有利于提高效率，非常適合需要以蓄電池對LED供電的應用。通過對控制器LTC3783應用創(chuàng)新，實現了對LED進行模擬調光和數字調光。并且所設計的系統對于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列、端電壓范圍從6-36V的蓄電池均能正常工作，而且對產品進行維護--需要更換LED或是在需要更換蓄電池時，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統就能正常并穩(wěn)定地工作。