LED路燈驅動(dòng)及智能調光系統設計

驅動(dòng)電路是由HV9931 控制的Buck - Boost - Buck 電路，直接由市電供電實(shí)現恒流驅動(dòng)且帶有PFC 功能; 調光方式采用PWM 調光，用TLS2561 作為光強度傳感器，由PIC16C62 控制產(chǎn)生PWM 調光信號控制HV9931 實(shí)現智能調光。

實(shí)驗結果表明該電路轉換效率高，功率因數高，輸入電流的THD 小，白光LED 路燈光色純正而且節能，很有市場(chǎng)前景而且有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

1 引言

LED 被認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(cháng)、安全環(huán)保、體積小、響應速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)， 目前已經(jīng)在城市景觀(guān)裝、交通信號與商業(yè)廣告上廣泛應用。近年來(lái)隨著(zhù)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(kāi)始應用于一般照明中， 而且很有發(fā)展前景，大有取代白熾燈和熒光燈這些傳統光源的趨勢，世博會(huì )上LED 燈的應用可以說(shuō)代表著(zhù)這個(gè)方向。LED 調光可以節能，高亮度白光LED 的驅動(dòng)和調光是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，本文在這方面進(jìn)行了些研究， 并設計了一款帶有功率因數校正的LED 路燈驅動(dòng)和智能調光系統。

2 LED 特性、驅動(dòng)要求及調光方式

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

圖1 LED 相對光通量與正向電流關(guān)系

圖1 是LED 相對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 若采用恒壓源驅動(dòng)，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅動(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 的亮度與驅動(dòng)電流成飽和關(guān)系。LED 的電流達到其額定電流的70% ~80% 后，很大比例的電流轉化成了熱能，因此LED的驅動(dòng)電流宜為工作電流額定電流的70% ~80%。在恒壓驅動(dòng)或PWM 調光中， 最大電流不宜超過(guò)最小電流的3 倍，否則的話(huà)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，相應的LED 調光也有兩種方式。一種是連續調節LED 中電流的大小來(lái)改變LED 的亮度，這種方式稱(chēng)之為模擬調光，通過(guò)LED 中的電流是連續的; 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(chēng)為PWM 調光，它是通過(guò)人眼察覺(jué)不到的頻率快速的開(kāi)關(guān)LED,開(kāi)關(guān)頻應不小于100Hz.兩種調光方式當流過(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(zhù)電流偏離這個(gè)值，會(huì )有色偏。另外，LED 的響應時(shí)間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合，所以L(fǎng)ED 調光以PWM 調光方式好，此外這種方式還有利于LED 散熱。

3 LED 驅動(dòng)電路

3. 1 LED 驅動(dòng)電路分類(lèi)

從LED 的驅動(dòng)供電可將其驅動(dòng)分為AC /DC 型和DC /DC 型，而LED 要求直流供電，AC 供電時(shí)要把交流轉化成直流后再驅動(dòng)LED,所以我們只要研究DC /DC 型即可。DC /DC 型的LED 的驅動(dòng)方式可分為電阻限流型，線(xiàn)性穩壓電源型，電容電荷泵電路和電感開(kāi)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)有大量電功率浪費在電阻上，只在要求不高的低壓場(chǎng)合下使用。線(xiàn)性穩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(kāi)關(guān)變換電路。

電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應儲存電能，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(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間內讓電容儲能，在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內電容釋放能量。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(kāi)關(guān)變換電路又稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源，是通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管導通與關(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(kāi)關(guān)元件多，效率相對低些，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(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)元件相對較少，效率高，可實(shí)現大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續可調，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(kāi)關(guān)電源的拓撲很多，LED 驅動(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 路燈驅動(dòng)電路設計

LED 驅動(dòng)的芯片目前已經(jīng)有一些了。LED 路燈相對來(lái)說(shuō)功率較大，而且是通過(guò)市電交流供電的，國家規定，功率達到一定值時(shí)要有功率因數校正裝置，此外設計的LED 路燈要有調光功能以節能?；谏鲜隹紤]， 這里選用Supertex 公司的HV9931 作用驅動(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，因此用市電供驅動(dòng)LED 燈時(shí)可不用變壓器; ( 3) 有功率因數校正功能，能獲得單位功率因數和低輸入電流諧波，達到國家規定，環(huán)保; ( 4) 有PWM 調光和模擬調光功能，驅動(dòng)LED 時(shí)可方便地實(shí)現調光控制，符合節能要求; ( 5) 振蕩器有固定頻率和固定關(guān)斷時(shí)間兩種工作方式。