风光互补型LED路灯驱动电路设计

付贤松 桑若愚 牛萍娟 杨赫博 李洪超

（1.天津工业大学电气工程与自动化学院 天津 300387 2.天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387 3.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387）

1 引言

在我们的日常生活中路灯是很常见的，城市中美丽的夜景灯光装饰也丰富多彩。然而，传统灯泡的功耗很大，而且传统路灯较长的低压输电线路使传输线上的损失也很大。人类的生存和发展受到了过度使用能源、资源争夺和环境污染问题所造成的能源短缺的严重威胁，所以目前新能源已经广泛使用。其中太阳能和风能是最常见的新型可再生能源和清洁能源。在白天阳光较充足而风比较小，在夜里没有阳光，由于地表的温差大，风力增强；夏天阳光强烈，风比较小，而冬天阳光较弱，风较强。这种时间上的互补成为风光互补发电系统的一个非常好的资源条件[1,2]。

由于高功率白光LED照明的高效，节能，环保，寿命长等优点，在能源和环境问题越来越严重得今天引起了人们的关注。这些众多的优势使LED灯在二十一世纪成为最有前途的光源。风光互补LED路灯使用太阳能和风能，和传统路灯相比不排放污染物到空气中，不消耗非可再生能源。随着时间的推移，可以节省大量的电力成本，对环境的保护是不言而喻的。

LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是温度敏感的半导体器件，又具有非线性的伏安特性，因此在应用过程中必须使用特定的电源提供能够使LED正常工作的额定电压和电流，并对LED进行保护稳定其工作状态[3]。而风光互补系统和LED的结合给LED驱动电路的设计带来了巨大的挑战。

2 风光互补型LED路灯总体结构

风光互补型LED路灯由以下几部分组成：风能发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池、LED路灯、LED驱动电源、卸荷电路组成，其功能框图如图1所示。

图1 风光互补型LED路灯功能模块示意图Fig.1 Function module diagram of wind-solar LED street lamp

从图中可以看出，风能发电机和太阳能电池板产生电能，控制器把产生的电能进行调整，调整后的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电。在需要时，控制器把蓄电池的电能送往LED供电，在输送过程中 LED驱动电路经蓄电池的电压进行升压变换供给LED，使LED路灯正常工作[4,5]。缷荷电路起到保护电路的作用，当蓄电池过充或风速过高时就会对风机进行刹车。

3 LED路灯DC-DC驱动电路设计

LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可以通过控制 LED的正向电流来控制其发光亮度。LED若采用恒压源驱动，较小的电压变化会引起较大的电流变化，所以恒压驱动只适用于要求不高的小功率的场合下，在要求高的场合或大功率的场合下 LED都要采用恒流驱动。风光互补型 LED路灯采用蓄电池供电，LED驱动电路一般输入电压为DC 12/24V，采用升压拓扑结构，输出电压可达几十伏，而输出电流一般达到 1～2A。这就给设计带来了困难，如何实现升压的同时实现恒流驱动就成为了风光互补LED路灯驱动电路设计的关键[6]。

目前 LED驱动电路应用得较多的是电荷泵电路和 DC-DC开关变换电路。电荷泵电路利用电容对电荷的累积效应储存电能，把电容作为能量耦合元件，通过控制电力电子器件高频的开关进行切换。DC-DC开关变换电路又称为开关电源，是通过控制功率开关管导通与关断的时间关系来改变输出电压的，电感和电容一般作为滤波元件。相比较而言电荷泵型使用元件少，成本低，体积小，效率相对低些，输出电压可变化范围不大，输出功率较小，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，可实现大范围的电压输出，且输出电压连续可调，输出功率大，因此适用范围更广，特别在中大功率场合下是首选。本文所设计的驱动电路是基于LT3755的Buck-Boost DC-DC LED驱动控制器[7,8]。

3.1 LT3755简介

LT3755是美国凌力尔特公司生产的 DC-DC LED驱动控制器，16引脚 MSOP封装芯片，封装结构如图2所示。该芯片的开关频率在 100kHz～1MHz之间可编程，输入电压范围从4.5V到40V。输出电压最高为75V，带输出开路和输入过压保护，带有PWM调光和模拟调光[7]。

图2 LT3755封装结构图Fig.2 Package structure diagram of LT3755

从图中可以看出，1引脚是 PWM信号输出引脚；2引脚是输出电压反馈引脚，该引脚参考电压为1.25V，通过反馈电阻可以设定最大输出电压值；3和4引脚是输出电流检测引脚，以实现恒流驱动，两引脚直接的参考电压为100mV；6引脚是模拟调光引脚；7引脚是2V参考电压输出引脚；8引脚是PWM信号输入引脚；10引脚是软启动引脚；11引脚用来设定开关频率；12引脚是低电压关断引脚，当该引脚的电压大于0.4V时，芯片才开始工作；14引脚连接输入电源；15引脚用来反馈场效应管的输出电流；16引脚用来驱动场效应管的栅极。

3.2 电源总体设计

通过分析 LT3755的数据手册，本论文设计了如图3所示的驱动电路原理图。由蓄电池给LT3755供电，LT3755产生的振荡输出驱动 N沟道场效应管Q1，场效应管输出经肖特基二极管VD1整流后，由电容C4、C5滤波输出[7-9]。

图3 基于LT3755的DC-DC驱动电路原理图Fig.3 DC-DC drive circuit schematics based on LT3755

上图的电路中Rx1是光敏电阻，由Vref引脚输出的 2V参考电压经 R8和 Rx1分压之后输入到 CTRL引脚。当CTRL引脚的电压低于100mV的时候，芯片不工作，当CTRL引脚的电压在100mV到1.2V之间的时候，LED电流和CTRL引脚的电压相关，当CTRL引脚的电压大于等于1.2V的时候，电路的输出电流是通过设定电阻 R4的阻值来设定的，LT3755的ISP和ISN引脚之间的参考电压为100mV,这样输出电流可以通过下式计算：Iout=100mV/R4。本设计的输出电流为1.4A，所以R4=100mV/1.4A≈70mΩ。

所以当外界比较明亮的时候，光敏电阻分得的电压很低，CTRL引脚的电压低于100mV，芯片不工作。当外界逐渐变暗，光敏电阻分得的电压逐渐增大，当CTRL引脚的电压高于100mV是，芯片开始工作，并且LED的亮度逐渐增大，当CTRL引脚的电压大于等于 1.2V的时候，LED中的电流基本稳定在1.4A，亮度达到最大，这样就实现了自动开关和调光功能。

根据数据手册的Output Voltage Programming，输出电压最大值Vout表达式如下所示

这样就可以通过设定最大输出电压来实现输出开路保护功能。在本设计中取最大输出电压为30V。在本设计电路中，R2就是公式中的 RF1，R3就是公式中的RF2，从而可通过输出电压确定R2和R3的比值，如果 R3选择 1MΩ，那么 R4就确定了，即 R4为43.2kΩ。

根据数据手册中的Soft-Start and Shutdown，确定芯片软启动时间t的公式，如下式所示

软启动是输出电压从零变到所需要的输出电压的时间。这个公式中的C就是电路中的C3。本设计电路的软启动时间是 0.2ms，从而确定 C3的值为1 000pF。

电路的最大输入电流 IIn(PEAK)可以通过下式计算

根据数据手册中的Sense Resistor Selection，得到

RSENSE,BOOST就是本设计电路中的 R1，从而通过计算得出R1为12mΩ左右。

在Programming the Switching Frequency中分析并确定R7。开关管开关频率和R7关系如表1所示。

表1 开关管开关频率和R7关系表Tab.1 Relationship between switch frequency and R7relation table

本设计电路中，频率选择为400kHz，根据上表选择合适的R7为26.7kΩ。

根据以上电路的电路设计与优化，基于LT3755的1.4A 40W的DC-DC驱动电路中各元器件参数如图3所示。

4 测试结果

设计并制作了PCB板并完成了实物焊接。制作的PCB电路板和搭建的实验平台如图4所示。此次测试由直流电源供电，输入电压为16V，负载采用贝奇CH8711可编程直流电子负载。

图4 PCB电路板和搭建的实验平台Fig.4 The PCB crrcuit board and the test platform

输出电流和纹波测试使用电流探头将电流转换为电压之后用示波器进行测试。

在没有遮挡光敏电阻并且外界比较亮的时候的测试，其输出电流如图5所示。

图5 没遮挡光敏电阻时没有输出Fig.5 There is no output without shielding photoresistor

从图中可以看出，此时没有输出电流。由于没有遮挡光敏电阻时，光敏电阻的阻值比较小，分得的电压小于100mV，所以此时芯片不工作，从而没有输出电流。

将光敏电阻遮挡之后芯片开始工作，说明自动开关功能成功，开始正常测试，我们将分别测试没有输出滤波电感的测试板和增加输出滤波电感的测试板。

没有输出滤波电感 PCB测试板的输出电流的测试结果如图6所示。

图6 没有输出滤波电感时的输出电流Fig.6 The output current waveform without output filter inductor

从图中可以看出，输出电流的最大值大约为1.43A，最小值大约为1.39A，纹波电流约为0.02A。

带有输出滤波电感 PCB测试板的输出电流的测试结果如图7所示。

图7 带有输出滤波电感时的输出电流Fig.7 The output current waveform with the output filter inductor

从图中可以看出，输出电流的最大值大约为1.415A，最小值大约为 1.395A，纹波电流约为0.01A。

测试结果表明，驱动电源带有输出短路保护功能，输出电流能够稳定在1.4A左右，效率能够达到95.4%，通过增加输出滤波电感输出纹波电流从0.02A减小到了 0.01A。以上测试结果基本满足预期，此电路已达到设计要求。

5 结论

本文设计一款可以使风光互补系统和 LED路灯巧妙结合的LED驱动电路。电路在低输入电压的情况下，输出电流能达到1.4A，单路能够驱动40W LED正常工作，效率能够达到95.4%，通过增加输出滤波电感输出纹波电流从0.02A减小到了0.01A，并且实现了自动开关功能。在提倡节能环保的今天，风光互补型LED路灯已崭露头角，随着风光互补路灯系统技术逐渐完善，风光互补路灯将成为路灯的主流。

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