基于LED光源隧道照明调光系统的研究与设计

王 丽 王晓东，2 黄国勇，2 吴建德，2 范玉刚，2

(昆明理工大学信息工程与自动化学院1，云南 昆明 650500;云南省矿物管道输送工程技术研究中心2，云南 昆明 650500)

0 引言

随着我国经济的快速发展和交通建设步伐的逐步加快，隧道建设无论从数量上还是长度上都呈现出直线上升的趋势。隧道的照明不同于普通公路的照明，其不仅需要在晚上照明，白天的照明控制更加复杂［1］。在当今世界能源紧缺、经济危机、环保压力日益增加的情况下，如何在保证行车安全稳定的前提下降低隧道的运营费用，是一个亟待解决的问题。

目前，隧道中主要使用的照明工具是荧光灯和高压钠灯。荧光灯闪动频繁且含红外线和紫外线以及重金属汞，不环保;启动时它需要高压激活荧光粉，有一定的危险性;工作时其需要镇流器和启辉器相配合，功耗比较大且使用寿命不是很长。高压钠灯的噪声大、温升高;启动时间长且启动时要求电压波动不能过大;同时，整体光效比较低，造成能源浪费。

LED灯的发光效率高，大约是55～80 lm/W;灯具效率(有效光效)高，只需要荧光灯一半的功率就可以达到相同的亮度;使用寿命长;不含汞，无污染;色温范围广，显色指数高且没有紫外线辐射;调控方便，容易维护［2］。据统计，如果使用LED灯替代传统的照明设备，全球的照明能耗可降低50%以上。

PWM调光技术利用了数字脉冲以及反复开关大功率LED驱动器的方式。它充分利用人眼的视觉残留现象，高速率地进行零电流和满幅度电流的切换，从而调节大功率LED的亮度。PWM脉冲占空比改变了LED的有效平均电流，可实现高达3000∶1的调光范围。由于LED电流只有最大值和被关断2种状态，因此PWM调光技术能够避免在电流变化时发生LED色谱偏移。为此，本文设计了一种基于PWM的恒流可控电路驱动大功率LED的调光系统。

1 方案设计

由LED的发光原理可知，LED的发光亮度基本会随LED的电流变化而呈正向变化，控制大功率LED的发光亮度，实质上就是控制其输出光通量。被称为“绿色光源”的LED，正朝着大电流、高效率、亮度可调的方向发展［3］。目前，使用比较多的 LED 驱动器［4］有线性驱动器和开关驱动器2种。

1.1 恒电压源模式

恒电压源模式［5］包括工频变压器线性稳压源和高频变压器开关稳压源2种。工频变压器线性稳压源由50 Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。它的特点是实现电压调整功能的器件始终在线性放大区工作。这种稳压电源具有优良的动态响应特性，并且稳压效果较好，但同时也存在以下缺点:①输入采用50 Hz工频变压器，体积庞大;②电压调整器件(三极管)工作在线性放大区内，损耗大，效率低;③过载能力差、温升现象严重;④工频电压的波动也会导致LED灯发光亮度不稳定。

高频变压器开关稳压源由高频变压器、整流滤波电路和过流保护电路组成。这种稳压电源具有体积小、功耗低、稳压范围宽、安全可靠且对电网电压及频率的变化适应性强的优点，但是它的电源部分因工作在高电压、大电流的工作环境中，往往导致设备的故障率较高、维修难度较大，且LED灯发光亮度也不稳定。综上可知，这2种稳压源均不适用于隧道照明节能。

1.2 恒电流源模式

恒电流源［6］模式的驱动电路大多采用集成运放负反馈的控制方法，其恒流源的调整管普遍采用MOS晶体管。这种稳压电源的优点和高频变压器开关稳压源所具有的优点相类似，但LED灯的发光亮度稳定和输出电流恒定是恒电流源模式所独有的。

恒电流源控制电路可以自动限流，相比利用电阻达到的恒压限流控制方法，其可以很方便地实现限流和过流保护。同时因为控制电路中没有额外多加限流电阻，降低了电路损耗，提高了能量转换效率。恒电流源模式的控制电路符合大功率LED的伏安特性曲线，这就避免了由于电压波动造成的电流波动，从根本上保证了大功率LED灯串联时发光亮度的稳定性。对于并联方式的大功率LED灯，恒电流源模式尚不能确保其整个电路中LED灯发光亮度的一致性。针对这一情况，可以用多个恒电流源分别驱动各并联分支的LED灯，并且要求各分支的LED灯特性相同，以解决并联电路中发光亮度的一致性问题。

综上所述，恒电流源模式在能量转换效率、散热、做功、发光亮度稳定性、过压过流过温保护等方面都优于恒电压源模式。

2 LED调光系统的软硬件设计

2.1 硬件部分的设计

本设计硬件部分［7－8］主要由控制电路PWM产生电路和LED供电电路2大部分组成，如图1所示。

图1 硬件部分设计Fig.1 Design of the hardware

PWM产生电路部分的PWM由STC12C5620AD单片机产生，STC12C5620AD内置4路8位PWM模块和8路10位A/D。由于MCU的I/O口驱动负载能力只有几毫安，因此必须对MCU产生的PWM脉冲进行功率放大。

恒电流源驱动的主要难点在于如何使纹波减小。由分析可知，要使纹波尽可能变小，就需要运算放大器的电源以及输入端信号稳定。因此，本文采用独立电源供电，以保证放大电路有稳定的电源电压，进而保证其输出较小的纹波电流。

考虑到大功率LED的驱动电源和MCU的供电电源采用的不是同一个电源，为了避免LED驱动电源对控制部分产生干扰或其他影响，在对PWM放大后加入了高速光耦隔离放大电路，以保证输出的PWM具有足够的驱动功率和较强的外界抗干扰能力。本设计采用高速光耦TLP250。

电源部分由三部分组成，即 MCU供电电源、TLP250供电电源和大功率LED恒流驱动电路。

第一部分是MCU供电电源，用来为MCU供电。由于MCU的功耗低，在设计中采用LM7805加上散热片可提供将近2 A的电流，从而组成线性电源，如图2所示。

图2 MCU 5V供电电源Fig.2 MCU 5V power supply

第二部分是TLP250供电电源。TLP250能提供的最大电流为1.5 A。考虑到每路PWM的独立可靠工作性，该部分电源由4个LM7818构成4个独立的18 V电源，能稳定持续地对4路PWM信号进行隔离放大，以驱动后级电路中的场效应管MOSFET。TLP250供电电源如图3所示。

图3 TLP250供电电源Fig.3 TLP250 power supply

第三部分是大功率LED恒流驱动电路。220 VAC通过单相桥式半控整流模块输出稳定可调的直流，该模块具有过压过流保护引脚。开关电源主电路部分主要是由一个用PWM控制的MOSFET功率开关管构成。此外，电路中加入了电流采样部分电路，电流采样部分电路的输出端直接和MCU的A/D采样端连接，通过MCU内部的程序即可控制PWM脉冲的占空比，从而达到恒流控制的目的。同时，电路中也加入了过压保护电路，当过压保护电路检测到输出端电压高于设定值时，立即输出高电平封锁整流模块，使输出电压为0 V，从而达到过压保护的目的。过压保护电路采用纯硬件电路实现，实时性好、稳定性高，同时也减轻了MCU的负荷。大功率LED恒流驱动电路如图4所示。

图4 大功率LED恒流驱动电路Fig.4 Constant current drive circuit for large power LED

设计中加入了DS1302时钟芯片，可实现对LED的分时控制。白天灯开到最大亮度，晚上则根据不同时段车流量的多少，对LED亮度进行调节。

2.2 软件部分的设计

软件部分设计［9－10］主要采用 C 语言编写，通过Keil uvision4软件实现程序的编写，并利用STC ISP在线调试工具对程序进行调试。单片机的主程序流程图如图5所示。

单片机主要通过A/D采样和时间的读取进行控制。当MCU读取A/D采样值后，与程序中预先设定的值进行比较。如果采样值偏大，则立即减小1%占空比的导通时间;如果采样值偏小，则立即增大1%占空比的导通时间，即实现对MCU的PWM脉冲占空比的控制，从而达到输出恒定电流控制LED亮度的目的。

图5 主程序流程图Fig.5 Flowchart of the main program

PWM占空比调节过程如图6所示。

图6 PWM占空比调节流程图Fig.6 Flowchart of PWM duty cycle adjustment

3 试验结果

本设计中，当负载为5个大功率LED时，更改程序中的PWM占空比，所得到的LED亮度和电流值如图7所示。

图7 不同占空比对应的LED亮度和电流Fig.7 Different duty cycle vs.LED brightness and current

当负载分别采用3、4、5个5 W大功率LED串联时，系统能快速调整PWM占空比，使输出电流调整至亮度最佳电流(1.45 A左右)。不同负载下PWM的占空比示意图如图8所示。

图8 不同负载下PWM的占空比Fig.8 The PWM duty factors under different load

当改变系统的实时时钟时，MCU可以快速根据已设定值改变PWM的输出值，从而改变大功率LED的亮度。

4 结束语

本文在组成Buck型开关转换的基础上，设计了一种基于微控制器的大功率LED驱动电路。该电路可对电流进行采样反馈，并对微控制器的PWM脉冲进行控制，以达到恒流输出的目的，降低了开关损耗，效率高且输出波形稳定;只要简单修改程序，就可以增加或者减少大功率LED的数量，抗干扰能力强;可以直接驱动LED发光，便于实际工程中的控制。该电路还能够减小电源电压波动和环境温度等其他因素对输出电流以及对LED参数离散性的影响，从而使电流保持恒定。

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