基于蓄電池供電的自適應(yīng)LED照明系統(tǒng)

本文介紹了一種基于蓄電池供電的LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。以Boost為功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過合理地安排LED陣列，提高了照明的可靠性。本電路設(shè)計(jì)可以同時(shí)對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光，并且本系統(tǒng)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)--需要更換LED或是需要更換蓄電池時(shí)，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統(tǒng)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(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光二極管(LED)在照明、信號(hào)顯示、顯像等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，被廣泛認(rèn)為是一種取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的新型光源。

驅(qū)動(dòng)LED有多種方法，而最簡(jiǎn)單的方法就是將LED與限流電阻串聯(lián)，再以電壓源供電。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但是也存在不少缺陷。首先是效率低，降壓電阻會(huì)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(fù)溫度特性，隨著結(jié)溫的升高，流過LED的電流會(huì)越來越大。所以，如果驅(qū)動(dòng)電流得不到控制，LED很容易被燒毀，即使沒有燒毀，壽命也會(huì)大大縮短。所以，驅(qū)動(dòng)大功率LED時(shí)，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(guān)，所以控制LED的驅(qū)動(dòng)電流，其照度也將得到控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。供電電源為鉛酸蓄電池，負(fù)載為L(zhǎng)ED組成的陣列，使用LTC3783作為控制器，實(shí)現(xiàn)PWM控制。本電路設(shè)計(jì)可以同時(shí)對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。并且本系統(tǒng)對(duì)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)--需要更換LED或需要更換蓄電池時(shí)，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統(tǒng)就能正常并穩(wěn)定地工作。

由于發(fā)熱量、散熱技術(shù)等多方面的限制，使得單顆LED的功率不能像傳統(tǒng)光源那樣做得很大，功率為1w的LED即為大功率LED了。實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)低成本，如圖2所示。

應(yīng)用LED陣列還有另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。我們知道LED可能會(huì)因某些故障發(fā)生短路和斷路。當(dāng)某個(gè)串，聯(lián)支路中的LED發(fā)生短路時(shí)，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(shù)量較多，上升的電流不大，上升后的電流仍不會(huì)超出LED允許的工作范圍。當(dāng)某個(gè)串聯(lián)支路中的LED發(fā)生斷路時(shí)，該串LED熄滅。

但由于陣列由多個(gè)LED串組成，其他LED串仍能工作，并分擔(dān)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(huì)超出LED允許的工作范圍。所以很明顯，LED陣列相對(duì)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性心1.而且，對(duì)于特定數(shù)目的LED陣列，當(dāng)使支路數(shù)目和支路中的LED數(shù)目相一致時(shí)，將更有利于提升LED組件工作的可靠性和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)中制作一個(gè)8串、每串20顆LED的陣列和一個(gè)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(shí)驗(yàn)中將LED設(shè)計(jì)工作在20mA，這樣可以減小散熱量，并在LED出現(xiàn)短路故障時(shí)能夠有足夠的電流裕量。

1.2 B00st變換器及控制器改進(jìn)

主電路示意圖如圖3所示。對(duì)于主電路，恒流控制的電流通過采樣電阻R將電流轉(zhuǎn)換成電壓，控制器通過開關(guān)管的開通與關(guān)斷，能夠?qū)崿F(xiàn)恒定采樣電阻上的電壓，從而實(shí)現(xiàn)了恒定LED陣列的電流。如果能夠調(diào)節(jié)控制器恒定采樣電阻上的電壓值，則將實(shí)現(xiàn)LED的模擬調(diào)光。基于以上思路，對(duì)LTC3783進(jìn)行應(yīng)用改進(jìn)，見圖4。

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

要實(shí)現(xiàn)恒定采樣電阻上的電壓目標(biāo)值，只需調(diào)節(jié)可調(diào)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(duì)控制器LTC3783進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)光，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在需要更換LED陣列時(shí)，只要功率不過大，均無需重新設(shè)計(jì)電路。

再結(jié)合控制器本身的特性，本電路設(shè)計(jì)還可以對(duì)LED進(jìn)行數(shù)字調(diào)光，對(duì)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(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：

(1)當(dāng)以一個(gè)8串、每串20顆LED的陣列作為負(fù)載時(shí)：

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(dāng)以12V蓄電池供電時(shí)：

電壓變比M：5-5.5

占空比D：0.800-0.818

當(dāng)以24V蓄電池供電時(shí)：

電壓變比M：2.5~2.75

占空比D：O.600-O.636

(2)當(dāng)以一個(gè)12串、每串12顆LED的陣列作為負(fù)載時(shí)：

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(dāng)以12v蓄電池供電時(shí)：

電壓變比M：3-3.3

占空比D：0.667-0.697

當(dāng)以24v蓄電池供電時(shí)：

電壓變比M：1.5~1.65

占空比D：0.333~0.394

調(diào)試時(shí)，只需調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2便可實(shí)現(xiàn)恒定的電流目標(biāo)值，占空比會(huì)由控制器自行調(diào)整。Boost電路中的電容大小決定了負(fù)載電壓紋波大小，具體電容值可根據(jù)設(shè)計(jì)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(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，通常都是設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作于電流連續(xù)模式。本系統(tǒng)考慮在極端情況下，調(diào)光至10mA電感電流仍然連續(xù)，取值如下：