LED路燈驅(qū)動(dòng)及智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　LED 被認(rèn)為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)， 目前已經(jīng)在城市景觀裝、交通信號(hào)與商業(yè)廣告上廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著制造工藝的不斷發(fā)展， 大功率高亮度LED 性能不斷提升，價(jià)格不斷下降， 目前達(dá)到同樣的明明效果，LED 的耗電量大約是白熾燈的1 /10，熒光燈的1 /2［2］。這些都使得其開始應(yīng)用于一般照明中， 而且很有發(fā)展前景，大有取代白熾燈和熒光燈這些傳統(tǒng)光源的趨勢(shì)，世博會(huì)上LED 燈的應(yīng)用可以說(shuō)代表著這個(gè)方向。LED 調(diào)光可以節(jié)能，高亮度白光LED 的驅(qū)動(dòng)和調(diào)光是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，本文在這方面進(jìn)行了些研究， 并設(shè)計(jì)了一款帶有功率因數(shù)校正的LED 路燈驅(qū)動(dòng)和智能調(diào)光系統(tǒng)。

　　2 LED 特性、驅(qū)動(dòng)要求及調(diào)光方式

　　LED 的理論光效為300lm /W.目前實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)260lm /W，市場(chǎng)化水平在120lm /W 以上。高亮度LED 的一般導(dǎo)通電壓約為3. 0 ~ 4. 3V，但其核心仍是PN 結(jié)，其伏安特性與普通二極管相同。當(dāng)加在LED 上電壓小于其導(dǎo)通電壓時(shí)，LED 上幾乎沒(méi)有電流通過(guò)。但當(dāng)LED 導(dǎo)通后，其正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化，很小的電壓波動(dòng)就會(huì)引起很大的電流變化。在導(dǎo)通區(qū)電壓從額定值的80% 上升到100% ，電流則從其額定值的0% 上升到100%.

　　圖1 LED 相對(duì)光通量與正向電流關(guān)系

　　圖1 是LED 相對(duì)光通量和其正向電流IF 的關(guān)系圖。圖中可以看出LED 的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系，因此可能通過(guò)控制LED 的正向電流來(lái)控制其發(fā)光亮度。LED 若采用恒壓源驅(qū)動(dòng)，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)動(dòng)只適用于要求不高的小功率的場(chǎng)合下。在要求高的場(chǎng)合和大功率的場(chǎng)合下LED 都要采用恒流驅(qū)動(dòng)。研究表明，LED 發(fā)光亮度隨工作時(shí)間下降，亮度下降后光效隨電流的增加而減少，LED 的亮度與驅(qū)動(dòng)電流成飽和關(guān)系。LED 的電流達(dá)到其額定電流的70% ~80% 后，很大比例的電流轉(zhuǎn)化成了熱能，因此LED的驅(qū)動(dòng)電流宜為工作電流額定電流的70% ~80%。在恒壓驅(qū)動(dòng)或PWM 調(diào)光中， 最大電流不宜超過(guò)最小電流的3 倍，否則的話沖擊電流會(huì)大大減少LED 的使用壽命［8］。目前來(lái)說(shuō)市場(chǎng)化單個(gè)LED的功率都不大，大都在10W 以下，實(shí)際用于照明是把多個(gè)LED 按一定方或串并聯(lián)之后形成LED 陣列。

　　從圖1 也可得出， 改變LED 的電流即可改變LED 的亮度。改變電流有兩種方式，相應(yīng)的LED 調(diào)光也有兩種方式。一種是連續(xù)調(diào)節(jié)LED 中電流的大小來(lái)改變LED 的亮度，這種方式稱之為模擬調(diào)光，通過(guò)LED 中的電流是連續(xù)的； 另一種是通改變LED流過(guò)電流的時(shí)間與關(guān)斷的時(shí)間之比來(lái)改變LED 的亮度，LED 流過(guò)電流時(shí)電流是恒定的， 關(guān)斷時(shí)流過(guò)LED 的電流為零，這種方式稱為PWM 調(diào)光，它是通過(guò)人眼察覺不到的頻率快速的開關(guān)LED，開關(guān)頻應(yīng)不小于100Hz.兩種調(diào)光方式當(dāng)流過(guò)LED 中的平均電流相同時(shí)，其效果是一樣的。由于LED 在某一大小特定的電流時(shí)會(huì)發(fā)出最純的白光，隨著電流偏離這個(gè)值，會(huì)有色偏。另外，LED 的響應(yīng)時(shí)間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關(guān)的場(chǎng)合，所以LED 調(diào)光以PWM 調(diào)光方式好，此外這種方式還有利于LED 散熱。

　　3 LED 驅(qū)動(dòng)電路

　　3. 1 LED 驅(qū)動(dòng)電路分類

　　從LED 的驅(qū)動(dòng)供電可將其驅(qū)動(dòng)分為AC /DC 型和DC /DC 型，而LED 要求直流供電，AC 供電時(shí)要把交流轉(zhuǎn)化成直流后再驅(qū)動(dòng)LED，所以我們只要研究DC /DC 型即可。DC /DC 型的LED 的驅(qū)動(dòng)方式可分為電阻限流型，線性穩(wěn)壓電源型，電容電荷泵電路和電感開關(guān)變換電路。電阻限流將電阻和LED 串連，通過(guò)電阻的分壓限流和驅(qū)動(dòng)LED 燈，這種方式控制精度不能保證，同時(shí)有大量電功率浪費(fèi)在電阻上，只在要求不高的低壓場(chǎng)合下使用。線性穩(wěn)壓電源精度比電阻限流型高一些，但同樣存在效率低的問(wèn)題，實(shí)際中用的也不多。實(shí)際中用得多的是電荷泵電路和電感式開關(guān)變換電路。

　　電荷泵電路利用電容對(duì)電荷的累積效應(yīng)儲(chǔ)存電能，把電容作用能量耦合元件，通過(guò)控制電力電子器件高頻的開關(guān)進(jìn)行切換，在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)讓電容儲(chǔ)能，在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)電容釋放能量。這種方式是通過(guò)電容的充電和放電時(shí)的不同連接方式得到不同的輸出電壓。電感式開關(guān)變換電路又稱為開關(guān)電源，是通過(guò)控制功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間關(guān)系來(lái)改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件，使輸出穩(wěn)定。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，但其使用的開關(guān)元件多，效率相對(duì)低些，輸出電壓在輸入電壓的1 /3 ~ 3 倍這個(gè)變化范圍，輸出功率較小，所以其多用在小功率場(chǎng)合下； 而開關(guān)電源開關(guān)元件相對(duì)較少，效率高，可實(shí)現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場(chǎng)合下是首選。開關(guān)電源的拓?fù)浜芏啵琇ED 驅(qū)動(dòng)電路中用得多的有Boost 電路，Buck-Boost及Buck 電路。

　　3. 2 基于HV9931 的LED 路燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　LED 驅(qū)動(dòng)的芯片目前已經(jīng)有一些了。LED 路燈相對(duì)來(lái)說(shuō)功率較大，而且是通過(guò)市電交流供電的，國(guó)家規(guī)定，功率達(dá)到一定值時(shí)要有功率因數(shù)校正裝置，此外設(shè)計(jì)的LED 路燈要有調(diào)光功能以節(jié)能?；谏鲜隹紤]， 這里選用Supertex 公司的HV9931 作用驅(qū)動(dòng)芯片。HV9931 是種的8 引腳的PWM 集成控制器，有如下功能與特點(diǎn)： （ 1） 輸出電流恒定，適用于LED 恒流驅(qū)動(dòng)； （ 2 ） 允許大范圍的8 ~ 450V的大范圍的直流輸入電壓，且有較大的降壓比，因此用市電供驅(qū)動(dòng)LED 燈時(shí)可不用變壓器； （ 3） 有功率因數(shù)校正功能，能獲得單位功率因數(shù)和低輸入電流諧波，達(dá)到國(guó)家規(guī)定，環(huán)保； （ 4） 有PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光功能，驅(qū)動(dòng)LED 時(shí)可方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，符合節(jié)能要求； （ 5） 振蕩器有固定頻率和固定關(guān)斷時(shí)間兩種工作方式。

　　圖2 基于HV9931 的LED 路燈驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示，為開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)方式。

　　主電路是一個(gè)單級(jí)單開關(guān)的非隔離恒流輸出的Buck-Boost-Buck 電路。由L1、C1、D1、D5 和Q1組成的Buck-Boost 電路是輸入級(jí)，工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式； 由C1、Q1、D2、D4 及L2 組成的Buck 電路是輸出級(jí)，工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下。兩級(jí)共用一個(gè)功率開關(guān)管Q1， 電容C1 對(duì)輸入級(jí)相當(dāng)于負(fù)載，對(duì)輸出級(jí)相當(dāng)于直流電源。系統(tǒng)降壓比為兩級(jí)降壓比之乘積，這樣由市電供電不需要變壓器就能實(shí)現(xiàn)較低的電壓輸出。開關(guān)Q1 導(dǎo)通時(shí)， 輸入級(jí)Buck-Boos 電流路徑： 整流電壓→D1→L1→Q1→Rs1，L1中電流線性增加， 輸出級(jí)Buck 電路電流路徑為：

　　C1→Q1→Rs2→LED→L2，C1 提供能量； Q1 關(guān)斷時(shí)，輸入級(jí)電流路徑： L1→C1→D5→D1，L1 中的能量轉(zhuǎn)到C1 中，由于D1 存在，L1 電流不能反向，L1 電流降為0 后電流斷續(xù)； 輸出級(jí)電流路徑： L2→D4→LED，由于參數(shù)設(shè)置不同，L2 中電流不僅不會(huì)變?yōu)?，而且波動(dòng)相對(duì)比較小。

　　電路工作于峰值電流模式下， 振蕩器使GATE輸出高電平， 使Q1 通導(dǎo)通； CS1 和CS2 端子分別是HV9931 內(nèi)部的兩個(gè)電壓比較器的反向輸入端，兩個(gè)比較器的同向輸入端在芯片內(nèi)部接地，電路通過(guò)CS1 和CS2 端子同時(shí)檢測(cè)輸入電流和輸出電流，CS1 是輸入電流信號(hào)檢測(cè)端子，CS2 輸出電流信號(hào)檢測(cè)端子，這兩個(gè)端子只要有一個(gè)端子上的電壓比地低，GATE 端子就輸出低電平，Q1 就關(guān)斷。VDD是芯片的基準(zhǔn)電壓輸出引腳，Rs1、Rcs1 和Rref1 可編程設(shè)定L1 中的最大峰值電流， Rs2、Rcs2 和Rref2 可編程設(shè)定輸出電流。在交流電的周期內(nèi)可認(rèn)為占空比和開關(guān)頻不變，故輸入電流峰值包絡(luò)線為正弦波，平均電流為正弦波，可實(shí)瑞功率因數(shù)校正。

　　C2 為輸入電容，用作高頻旁路，若用大電容則電路喪失功率因數(shù)校正功能。RT 對(duì)應(yīng)著內(nèi)部振蕩器，有兩種接法，分別設(shè)定恒定工作頻和恒定的關(guān)斷時(shí)間，圖中采用的是恒定的關(guān)斷時(shí)間的接法。PWMD 引腳為數(shù)字調(diào)光信號(hào)輸入引腳，該引腳為高電平時(shí)電路正常工作，該引腳為低電平時(shí)GATE 引腳始終輸出低電平，開關(guān)管Q1 斷，驅(qū)動(dòng)電路不工作。

　　4 智能調(diào)光裝置

　　設(shè)計(jì)的系統(tǒng)若能根據(jù)環(huán)境光照的強(qiáng)弱來(lái)改變自身亮度，則會(huì)相應(yīng)的節(jié)能，符合當(dāng)前低碳生活的要求。環(huán)境光線最差時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)光信的PWM 占空比接近100% （ 為不致使溫度上升過(guò)高，留一定裕量） 時(shí)使LED 最亮滿足照度要求； 當(dāng)環(huán)境光照變化時(shí)會(huì)根據(jù)外部光照的強(qiáng)弱自動(dòng)改變調(diào)光信號(hào)的PWM 的占空比，使LED 相應(yīng)的暗一些，但照度滿足要求； 另外，在深夜人比較少時(shí)可適當(dāng)降低亮度。

　　實(shí)現(xiàn)這一要求要有一個(gè)好的光強(qiáng)度傳感器。光敏電阻線性度差，頻率響應(yīng)低，光敏三極管靈敏度高，但溫度特性和線性度差系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用TLS2561作為光電強(qiáng)度傳感器。TLS2561 接近人眼對(duì)亮度的反應(yīng)，能直接將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出，有可編程中斷功能和標(biāo)準(zhǔn)的I2C 接口，能方便地與單片機(jī)相連。單片機(jī)選用微芯公司的PIC16C62.這種單片機(jī)性能穩(wěn)定，帶有PWM 輸出，能方便地實(shí)現(xiàn)I2C 總線通信。光強(qiáng)度傳感器TLS2561 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號(hào)，調(diào)光PWM 信號(hào)送至HV9931 的PWMD 端，以實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)光。調(diào)光部分如圖3 所示。

　　圖3 調(diào)光系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)還設(shè)計(jì)還考慮到的溫度的影響。LED 在相同電流下， 隨著PN 結(jié)溫度的升高光通量將降低，同時(shí)還會(huì)影響LED 使用壽命。所以系統(tǒng)中還加入的溫度傳感器， 溫度信號(hào)同樣送至PIC16C62 處理，也會(huì)影響到其輸出的PWM 調(diào)光信號(hào)的占空比。這個(gè)不是本設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題，不詳細(xì)敘述。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率為72W，采用72 個(gè)1W 的高亮度LED 燈每24 個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)而成。輸出最大光強(qiáng)時(shí)設(shè)計(jì)PWM 調(diào)光信號(hào)占空比為90% ，此時(shí)測(cè)得LED中總電流平均值為932mA; LED 驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)開關(guān)管工作頻率為100kHz，驅(qū)動(dòng)電路效率為75% ，輸入電流THD 小于20% ，功率因數(shù)大于0. 9，光電轉(zhuǎn)換效率約95lm /W; 調(diào)光用PWM 信號(hào)頻率為120Hz，比不用智能調(diào)光電路時(shí)約節(jié)能9%.圖4 給出了調(diào)光PWM 占空比為50% 時(shí)LED 中的電流波形。

　　圖4 調(diào)光PWM 占空比為50% 時(shí)LED 中的電流波形

　　6 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的LED 路燈驅(qū)動(dòng)電路采用市電供電且不用電源變壓器，驅(qū)動(dòng)電路體積大為減少。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)的同時(shí)帶有PFC 功能，符合當(dāng)前綠色環(huán)保的要求，而且驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換效率高，電路較新穎； 智能調(diào)光電路采用PWM 調(diào)光方式，LED 發(fā)出較純的白光，不產(chǎn)生色偏。智能調(diào)光電路節(jié)能效果較為顯著。設(shè)計(jì)的實(shí)際電路有較好的前景與市場(chǎng)，不足之處在于成本略高，但隨LED 制造工藝的不斷改進(jìn)和驅(qū)動(dòng)調(diào)光電路研究的不斷深入相信這個(gè)問(wèn)題會(huì)得到很好的解決。