基于蓄電池供電的自適應LED照明系統

本文介紹了一種基于蓄電池供電的LED照明系統的電路設計。以Boost為功率電路拓撲結構，通過(guò)合理地安排LED陣列，提高了照明的可靠性。本電路設計可以同時(shí)對LED進(jìn)行模擬調光和數字調光，并且本系統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，從而使得對產(chǎn)品進(jìn)行維護--需要更換LED或是需要更換蓄電池時(shí)，只要滿(mǎn)足上述要求，無(wú)需更換電路模塊，系統就能正常并穩定地工作。

前言

由于具有高發(fā)光效率、高可靠性、長(cháng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光二極管(LED)在照明、信號顯示、顯像等領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛，被廣泛認為是一種取代白熾燈、熒光燈等傳統光源的新型光源。

驅動(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(guò)LED所消耗的電能;其次是穩定電壓能力極差，而LED的V-I曲線(xiàn)具有負溫度特性，隨著(zhù)結溫的升高，流過(guò)LED的電流會(huì )越來(lái)越大。所以，如果驅動(dòng)電流得不到控制，LED很容易被燒毀，即使沒(méi)有燒毀，壽命也會(huì )大大縮短。所以，驅動(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的驅動(dòng)電流，其照度也將得到控制。

1 系統設計

系統的原理框圖如圖1所示。供電電源為鉛酸蓄電池，負載為L(cháng)ED組成的陣列，使用LTC3783作為控制器，實(shí)現PWM控制。本電路設計可以同時(shí)對LED進(jìn)行模擬調光和數字調光。并且本系統對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，從而使得在對產(chǎn)品進(jìn)行維護--需要更換LED或需要更換蓄電池時(shí)，只要滿(mǎn)足上述要求，無(wú)需更換電路模塊，系統就能正常并穩定地工作。

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)際應用中，通常使用多顆小功率LED組成的陣列來(lái)滿(mǎn)足較高的照度要求，并實(shí)現低成本，如圖2所示。

應用LED陣列還有另一個(gè)顯著(zhù)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(guò)LED的電流可能上升，但是由于LED的數量較多，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陣列相對具有更高的穩定性和可靠性心1.而且，對于特定數目的LED陣列，當使支路數目和支路中的LED數目相一致時(shí)，將更有利于提升LED組件工作的可靠性和穩定性。

實(shí)驗中制作一個(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)驗中將LED設計工作在20mA，這樣可以減小散熱量，并在LED出現短路故障時(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。對于主電路，恒流控制的電流通過(guò)采樣電阻R將電流轉換成電壓，控制器通過(guò)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，能夠實(shí)現恒定采樣電阻上的電壓，從而實(shí)現了恒定LED陣列的電流。如果能夠調節控制器恒定采樣電阻上的電壓值，則將實(shí)現LED的模擬調光?；谝陨纤悸?，對LTC3783進(jìn)行應用改進(jìn)，見(jiàn)圖4。

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

要實(shí)現恒定采樣電阻上的電壓目標值，只需調節可調電阻。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(guò)以上對控制器LTC3783進(jìn)行應用創(chuàng )新，實(shí)現了對LED進(jìn)行模擬調光，同時(shí)實(shí)現了在需要更換LED陣列時(shí)，只要功率不過(guò)大，均無(wú)需重新設計電路。

再結合控制器本身的特性，本電路設計還可以對LED進(jìn)行數字調光，對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。

變換器的設計應滿(mǎn)足以下要求：

(1)當以一個(gè)8串、每串20顆LED的陣列作為負載時(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)當以一個(gè)12串、每串12顆LED的陣列作為負載時(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

調試時(shí)，只需調節可調電阻R2便可實(shí)現恒定的電流目標值，占空比會(huì )由控制器自行調整。Boost電路中的電容大小決定了負載電壓紋波大小，具體電容值可根據設計需要自行選取。電路中的電感值決定了電流紋波，為了便于系統參數的設計，通常都是設計系統工作于電流連續模式。本系統考慮在極端情況下，調光至10mA電感電流仍然連續，取值如下：