LED电源驱动电路系统设计

2014-12-18王军勇刘兴晟杜祥武

电子科技 2014年11期

王军勇，张力，刘兴晟，李慧，杜祥武

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

近年来，世界经济形势和能源发展格局发生了较大变化，各国都关心着能源问题，担心常规能源的大量使用会威胁到人类的生存环境。为贯彻可持续发展，许多国家在新能源的开发利用上投入了大量的人力物力［1］，21世纪将进入以LED为代表的新照明时代。由于在不同地域条件下，太阳能和风力资源分布各不相同。为取得最大的风光利用率，采用了风光互补系统，实现由风光互补发电作为LED驱动电路的输入。然而目前驱动电路的性能多数均不稳定，LED驱动电源仍存在转换效率差、功率因数低、输出电流稳定性不好、寿命不能与LED相匹配等问题，已成为制约LED照明装置进一步推广应用的瓶颈。本文设计的基于LF－F301的LED驱动电路改善了这些不足，其是基于风光互补发电系统改进而成的，在整个系统中，风力发电机和光伏系统所产生的电能提供给LED路灯使用，不足部分由工频电网提供，电路与工频电网长期相连，并通过优化开关组合的方式［2］，使其能够应用在更多的场合。

1 驱动电路设计

1.1 LED驱动条件

LED节能灯的快速发展，使得LED驱动电路的设计更加严格［3］，整个电路不仅要安全低功耗，还应该具有恒流特性，即电源电压变动幅度＜15%时，输出电流的变化幅度不超过10%，这样才能保证LED驱动电路较高的能量利用效率［4］。

1.2 驱动电路特点

此驱动电路使用恒流电源驱动方法，专为T10 LED灯设计，不仅可应用在闹市区，工业园区和大学校园，也可应用在孤岛，乡村等偏远地区，市场应用前景广阔［5］。同时整个电路采用了特殊的开关控制方式，使其具有高效率，节能环保等方面的优势。经过研究和物理电路测量，驱动电路具有以下特点:工作频率50～60 Hz;功率24 W;宽输入电压AC 110～265 V/50～60 Hz;输出电流0.24A;输出电压:36 V≤Uout≤0.6 Uin;体积为175 mm×18 mm×11 mm;直流50 V～80 V。这些参数确保了LED驱动电路使用时安全稳定，使其具有恒流精度高，电磁兼容性较好的特征［6］。

1.3 驱动电路电路设计

驱动电路原理图如图1所示，通过桥式整流器，电流直接被送到LED负载的正极，然后通过负极，经由变压器到达晶体管Q1，最后又通过桥式整流器，这就是该负载电路电流的主要回路。当没有负载时，R17就充当保护电路的负载，保证电路不会短路。C1在这里起到滤波以及平衡负载两端电压的作用。D1为蓄流二极管，保证变压器正常工作。电路图的下半部分，是由两个芯片和Q1组成的反馈调节电路。Q1能根据U1的变化情况，向变压器发出高频电流。当负载电流过载时，电流会通过R7和R8到达U2，使得U2右边的二极管发热，导致U2左边的电压降低，同时反馈到U1，U1通过调节电压和频率控制电路，从而使系统电路输出恒定电流。

图1 LED驱动电路设计图

2 LF－F301驱动电路原理分析

2.1 工作模块

如图2所示，此电路通过变压器输出适当的电流，当有LED负载时，电路中通入适当的电流和频率使LED正常工作;当没有负载时，变压器中仍然残留有能量，需要释放。此时由R17等构成的回路，可以慢慢地释放变压器中的电能。但当电流突然减小时，变压器中会产生感应电动势，由此会产生较高的反向电压，可能会击穿器件。为了克服这个问题，在线圈的两端并联一个续流二极管D1，同时在电路输出端串联R15，并且在 R15两端并联 R2，R3，R4，R6。R15有降压作用，并且能为反馈电路提供电压。由于R15承受的功率较大，容易烧坏，所以预备一个由R2，R3，R4和R6的并联等效电阻，这样每个电阻承受的功率变小，在增加使用寿命的同时，能够减少维修费用。

图2 工作模块

2.2 采样模块

如图3所示，采样电流经过传感器U2将电流信号转换成电压信号，并输出到芯片U1的2号引脚。

图3 取样模块

2.3 控制模块

如图4所示，电路通过T1、D7获取稳定的22 V电压，供给芯片工作，芯片通过2号引脚进行取样输入，C4对电路的频率和电压进行控制。

图4 控制模块

3 蓄电池保护电路设计

合理的蓄电池充放电，不仅可以延长蓄电池寿命，且能提升整个电路系统的稳定性［7］。因此需要设计保护电路，以保证蓄电池能在一定的电压范围内进行充放电。本项目使用3级级联的12 V铅酸蓄电池。由于过充电路与过放电路有相似性，本文只给出蓄电池的过放电路，如图5所示。电源电压正常时，调节电位器RP1使放大器的同相输入端的电位略高于反相输入端的电位，此时放大器输出低电平，VT截止，电路正常工作。当电源电压＜10.5 V时，反相输入端的电位大于同相输入端的电位，放大器会输出高电平，调节RP2，使VT导通，此时负载与电源断开。

图5 蓄电池保护电路

4 电路开关设计

光控开关的基本原理是光敏效应，当光照达到一定值时，开关开通，否则自动关断。时控开关按设定的时间开启或关断电路。然而在灯光控制领域应用光控开关时，即使感光头放在较为合适的位置，在早晨和傍晚采集到的光照强度也是不稳定的。若把光控开关和时控开关的输出端串联在一起［1］，光传感器测得外界环境的光照强度，定时器给出所需设定的时间范围，便能更好地控制电路的关断，不仅节约电能，还延长了LED 灯的使用寿命［8］。

4.1 光控模块

其由光电转换模块和光敏电阻组成。光电转换由比较器来实现。当光敏探头感应的光照强度不强时，比较器会输出高电位，否则输出低电位。具体电路如图6所示。R1分担电路电压，依照外界环境条件，选择适当的电阻R2，控制比较器中正相输入的电压值，使其作为比较器工作的参考电压;R3起到保护光敏电阻以及分压的作用。光敏电阻的阻值随着外界光强的变化而变化，这样就可将光信号变换成电压信号，以此作为信号电压连接到比较器的反相输入端。比较两个输入端的电压大小。若信号电压较小，比较器输出高电平，否则比较器输出低电平。从而实现在明亮条件下输出低电平，在黑暗条件下输出高电平的设计要求。