LED路灯电源及智能调光方案及对策

1、LED路灯电淵及智能调光披it案本文设廿的LED路灯驱动电路采用市电供电且不用电源变压器，驱动电路 体枳大为减少。驱动电路实观恒流驱动的同时带有PPC功能，符合当前绿色坏 保的要求；智能调光电路呆用PWM调光式，LED发岀较纯的白光，不产生色 偏。驱动电路是由H V9931控$ij « Buck - Boost - Buck电路，直接由市电哄电实 观恒流驱动目带有PPC功能；调光武釆用PWM调光，用TLS2561作为光強度 传感器，由PIC16C62控制产生PWM调光信号控制HV9931实现智能调光。实验结果说明该电路转换效率高，助率因数高，输人电流的THD小，白光 LED路灯光色纯

2、粹而且节能，很有市场前景而冃有进一步研究的价值。1引言LED被认为是绿色的第El代光源，是一种固体冷光源，具有高效、寿命长、 平安坏保、体枳小、响应速度快等诸多优点，目前已经在城市景观装、交通信 号与商业广告上广泛应用。近年来师着制造工艺的不Bi开展，大功率高亮度LED 性能不斷提开，价恪不斷下降，目前到这同样的明明效果，LED的科电量大约 是白炽灯的1/10,荧光灯的1/2魁些都使得其开场应用于一般照明中，而且 很有开展前景，大有蚁代白炽灯和荧光灯送些传统光源的趟卿，世博会上LED灯 的应用可以说代表着这个向。LED调光可以节能，高亮度白光LED的驱动和调 光是近年来研究的热点，本文在这面进

3、展了些研究，并设廿了一款带有助率因 数校正的LED路灯驱动和習能调光系貌。2 LED特性、驱动要来及坍光式LED的理论光效为3001m /W.目前实验室水平ii 2601m/W,市场化水平在 1201m/W以上。高亮度LED的一般导通电压约为3.0-4.3V,但其核心仍是PN 结，其伏安特性与普通二极菅一样。当加在LED ±电压小于其导通电压时，LED 上几平没有电流通ilo ffl当LED导通后，其正向电流価正向电压按指数观律变 化，很小的电压波动就会引起很大的电流变化。在导通区电压从額定值的80%上 廿到100%，电流那么从其額定值的0%上升到100%.12 LOOK- 0.6-

4、 0.4- 0.2-0凤昴，Q 耳 IQU 20()300400电腺唯向电流(mA)图1LED相对光通量与正向电潦关系图1是LED相对光通量和其正向电流IF的关系图。图中可以看岀LED的 光通量和其正向电流成正比的关系，因此可能通过控制LED的正向电潦来控制 其发光亮度。LED假设果用恒压源驱动，很小的电压变化将引起很大的电流变 化，因此恒压驱动只适用于要求不高的小功率的场合下。在要求高的场合和大功 率的场合下LED部要采用恒流驱动。研究说明，LED发光亮HBI作时同下降, 亮度下降后光效I®电流的增加而减少，LED的亮度与驱动电流成饱和关系。LED 的电流到达其額定电流的70% -

5、80%后，很大比例的电流转化成了热能，因此LED的驱动电流宜为工作电渣額定电渣的70%80%。在恒压驱动或PWM调光 中，最大电流不宜超il最小电流的3倍，否那么的站冲击电浦会大大减少LED 的使用寿命目前来说市场化单f LED的功率都不夫，大都在10W UT，实际 用干照明是把多个LED按一定或串并朕之后形成LED晖列。从图1也可得出，改变LED的电流即可改变LED的亮度。改变电流有两 种式，相应的LED调光也有两种式。一种是连续圳节LED中电流的大小来改变 LED的亮度，这种式称之为模IfliH光，通12 LED中的电流是连续的；另一种是 通改变LED流过电流的时间勻关斷的时间之比来改变L

6、ED的亮度，LED潦过电 流时电流是恒定的，关斷时流il LED的电渣为零，逹种武林为PWM调光，它 是通11人服发觉不到的颐率快速的开关LED,开关颐应不小于100HZ.P?种调光式 当Sil LED中的平均电流一样时，其效果是一样的。由于LED在某一大小特定 的电流时会发岀最纯的白光，I®着电流偏离这个值，会有色偏。另外，LED的 响应时间只有几纳杪到几十细枚，很适合频繁开关的场合，所以LED调光HPWM 调光式好，此外这种式还有利于LED散热。3 LED驱动电路3.1 LED驱动电路分类U LED的驱动供电可将其驱动分为AC/DC塑DC /DC塑,而LED要求直 流供电,AC険

7、电时要把交流转化成直流后再驱动LED,所以我们只要研究DC/DC 型即可。DC/DC型的LED的驱动式可分为电阻限浦塑，缆性稳压电源塑，电容 电荷泵电路和电恳开关变换电路。电阻限爲将电bailed串连，通过电I®的分 压限流和驱动LED灯,这种式控制精度不能保证,同时有大量电功率浪费在电 01上，只在要求不高的低压场合下使用。线11稳压电比电皿限流里高一些, 但同样存在效率低的间题，实际中用的也不名。实际中用得多的是电荷泵电胳和 电感式开关变换电路。电荷泵电路利用电容对电荷的累枳效应肾存电能，把电容作用能量耦合元件，通过控JI电力电子器件高频的开关进展切换,在时鉀期的一局部时间it电

8、容 储能,在时钟期的剰余时同电容释放能量。这种式是通il电容的充电和放电时的 不同连接式得到不同的输岀电压。电感式开关变换电路Q称为开关电源，是通过 腔制功率开关管导通与关斷的时间关系来改变输岀电压的，电感和电容一般作为 滤波元件，使输出稳定。相比拥而言电荷泵型使用元件少，本技低，体枳小，ffl 其使用的开关元件多，效率相对低些，输岀电压在输人电压的1/3-3倍逆个变 化围，输岀助率较小，所以其多用在小功率场合下;而开关电源开关元件相对 较少，效率高，可实观大围的电压输岀，且输出电压连续可凋，聯岀功率大，因 此适用围更广，特别在助率场合下是首选。开关电源的扬扑很多，LED驱动电 路中用得多的有

9、Boost电路,Buck-Boost及Buck电路。3.2基于HV9931的LED胳灯驱动电路设计LED驱动的芯片目前已经有一些了。LED路灯相对来说助率较大，而目是 通过市电交流俱电的，规定，功率到这一定值时要有功率因数校正装置，此外设 廿的LED路灯要有调光功能以节能。基于上述考虑，这里选用Supertex公司的 HV9931作用驱动茜Jto HV9931是种的8引脚的PWM集成控初器，有如下功 能与特点：1聃岀电流恒定，适用于LED恒流驱动；2 允大围的8450V的夫围的直流输人电压，且有较大的降压比,因此用市电供駆动LED灯时可不用变压器；3有功率因数校正功能，能義得单位功率因数和低输

10、人 电流谐渋，到这观定，坏保；4）有PWM调光和模拥调光助能，驱动LED 时可便地实现调光腔制，袴合节能要求；5）振蒲器有固定频率和固定关斷 时间两种工作式。RcslQB IE 2 - I llbiu>|RTCflI调光住廿输入PWMD丘§CS2 vnn二盘>zS6I u>CSIRs2Rrd2+Rcs2图2基于HV9931的LED路灯驱动电路驱动电路如图2所示，为开关电源!6动式。主电路是一个单级单开关的非隔离恒流输岀W Buck-Boost-Buck电路。由LZ、D1. D5 fll Q1组成的Buck-Boost电路是输人级，工作于不连续导电模 式；由C1、Q1

11、、D2、D4 RL2组成的Buck电路是输岀级，工作在连续导电模 式下。两级共用一彳、功率开关管Q1,电容C1对输人级相当于负教，对输岀级 相当于直流电源。系统降压比为两级降压比之乘枳，这样由市电哄电不需要变EE 器就能实现较低的电压输出。开关Q1导通时，输人级Buck-Boos电流路径:整 流电压->D1->L1->Q1->Rs1, L1中电流线性增加，输岀级Buck电路电流路径 为：C1->Q1->Rs2->LED->L2, C1提哄能量；Q1关斷时，输人级电流路径：L1 ->C1->D5->D1, L1中的能量转到C1中，

12、由于D1存在，L1电渣不能反向，L1 电流降为0后电潦断续；输岀级电流ffig： L2->D4->LED,由于参数设置不同, L2中电流不仅不会变为0,而且波动相比照01小。电路工作于峰值电流模式下，振蒲器使GATE输岀高电平，使Q1通导通; CS1和CS2端子分别是H V9931部的两个电压比Ifl器的反向输人端，两个比81 器的同向输人常在芯片部接地，电路通HCS1 fll CS2端子同时检测输人电流和 输出电流，CS1是输人电流信号检测端子，CS2输出电流信号检测常子，这两 个常子只要有一个常子上的电压比地IK, GATE端子就输岀低电平，Q1就关斷。 VDD是茹片的基准电压

13、输岀引脚，Rs1、Rcs 1和Rrefl可编程设定L1中的最大 障值电流,Rs2、Rcs2 fll Rref2可编程设定输岀电流。在交流电的期可认为占 空比和开关颐不变，故输人电流晔值包络线为正弦波，平均电流为正弦波，可实 瑞助率因数校正。C2为綸人电容，用作高频旁路，假设用大电容期么电路丧失功率因数校正 助能。RT对应着部振蒲器，有两种接法，分别设定恒定工作颐和恒定的关斷时 间，图中呆用的是恒定的关斷时间的接法。PWMD引挪为数字调光信号输人引 «,该引脚为高电平时电路正常工作，该引脚为低电平时GATE引聊始终输岀IK 电平，开关管Q1 Bi,驱动电路不工作。4智能调光装置设廿的系

14、筑假设能根襦环境光照的强弱来改变自身亮®, 9么会相应的节 能，符合当前低碳生活的要求。坏境光线最差时，设it系统调光信的PWM占空 比接ifiioo% 为不致使温度上升过高，留一定裕量时使LED最亮满足照 度要求；肖坏境光照变化时会根据外部光照的強弱自动改变调光信号的PWM 的占空比，使LED相应的略一些，但照U满足要求；另外，在深夜人比1A少时 可适当降低亮度。实现这一要求要有一个好的光強度传感器。光敏电皿线性度差，颛率响应低， 光啟三檢管灵融度高，但温度特性和线性度差系筑设it选用TLS2561作为光电強 度传感器o TLS2561接近人眼对亮度的反响,能直接将光強度信号转化成

15、数字信 号输岀，有可编程中斷功能和标准的I2C接口，能便地与单片机相连。单片机选 用攒芯公司的PIC16C62.fi种单片机性能樽定,带有PWM输岀，能便地实现I2C 总线通信。光强度传感器TLS2561将光信号转換成数字侑号传送至单片机,经 单片机处理产生调光的PWM信号，调光PWM信号送至H V9931的PWMD端， 以实现PWM调光。调光局部如图3所示。ISL25&SDA>SB A|« 02尸IIVWSCLVSCI图3调光系境框图系统连设廿还考虑到的泪度的影响。LED在一样电流下，师着PN结温度 的升高光通量将降IK,同时还会影响LED使用寿金。所以系貌中还参UD

16、Wa® 传感器，富度信号同样送至PIC16C62处理,也会影晌到其输岀的PWM调光信 号的占空比。这个不是本设廿的主要间题，不详细表这。5实验结果系统设廿功率为72W,采用72个1W的高亮® LED fl g 24个串朕后再并 朕而成。输岀最大光强时设计PWM调光信号占空比为90% ,此时测得LED中 总电流平均值为932mA； LED驱动电路工作时开关管工作除率为100kHz,驱动 电路效率为75% ,输人电流THD小于20%，功率因数大于0.9,光电转换效 率约95lm/W；圳光用PWM信号额率为120Hz,比不用智能调光电路时约节能 9%.图4给出了调光PWM占空比为50%时LE