基于故障檢測的路燈LED驅動(dòng)電源的研究

　　1. 引言

　　近年來(lái)，伴隨著(zhù)全球經(jīng)濟的持續增長(cháng)和人民生活水平的提高，煤、石油、天然氣等能源短缺問(wèn)題及全球溫室氣體排放量增加等環(huán)境問(wèn)題日益惡化。全球普遍面臨著(zhù)能源短缺和能源危機的嚴峻局勢，各國也都在尋求開(kāi)發(fā)新能源和提高能源利用率的措施。對于生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能等新能源由于其自身能量密度低、供能過(guò)程的間歇性、隨機性、不能大規模存儲等缺點(diǎn)，使得其開(kāi)發(fā)和利用的過(guò)程相當漫長(cháng)。故最有效的方法是提高現有能源的利用率。而電力能源的消耗占總能耗的40%左右，在我國，照明用電又占電力能耗的12%[1,2]。

　　所以發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)的意義深遠。

　　2. LED的故障分析

　　目前，街道照明用LED光源功率大多數處于100W-200W之間。由于LED單顆功率等級偏低，因此，需要通過(guò)串并聯(lián)組成LED陣列。但是由于LED 是一種新興的光源，在其實(shí)際的應用過(guò)程中還存在很多問(wèn)題。其中LED常見(jiàn)的失效情況是不亮，即LED通電流后不發(fā)光，此時(shí)可能是開(kāi)路故障或是短路故障。對于開(kāi)路故障，可能是LED封裝出現斷線(xiàn)或粘晶等缺陷。對于短路故障，可能是由于LED沒(méi)有流經(jīng)LED芯片，而是流經(jīng)“旁門(mén)左道”引起的。兩種故障的示意圖如圖1所示。對于LED不亮這種失效情況，最常見(jiàn)的是開(kāi)路故障。

　　由于在大功率照明應用中，并聯(lián)支路較多，為每一支路提供獨立的驅動(dòng)器固然可以實(shí)現各支路的獨立恒流，并且不會(huì )因為單顆LED出現短路故障而影響其他LED的正常工作。但是需要每路設置開(kāi)路保護。這樣每串LED都設有獨立驅動(dòng)器和開(kāi)路保護會(huì )使得LED驅動(dòng)器體積過(guò)大，成本過(guò)高，不利于安裝和使用。所以目前應用比較多的是采用總電流閉環(huán)控制的控制策略。

　　但是如果采用總電流閉環(huán)，一旦多并聯(lián)支路中有某一串LED開(kāi)路，則其他并聯(lián)支路中的供電電流勢必會(huì )增大，就會(huì )造成連鎖反應，會(huì )有并聯(lián)支路將會(huì )因為電流增大，陸續出現開(kāi)路故障，直至全部并聯(lián)支路開(kāi)路。如果某顆LED出現短路故障，那么流經(jīng)本串LED的電流會(huì )增加，進(jìn)而會(huì )導致其他LED因過(guò)流而損壞。

　　本文針對這一問(wèn)題對LED串并聯(lián)支路的開(kāi)路故障檢測和短路故障進(jìn)行了研究，提出了一種可及時(shí)識別開(kāi)路數，從而保證每一并聯(lián)支路電流維持不變的LED驅動(dòng)器結構。

　　3. 電路設計

　　如圖2所示是路燈LED恒流驅動(dòng)電源的原理示意圖。其中，LED陣列采用14串、8路并聯(lián)的形式。

　　驅動(dòng)器電路采用兩功率級結構。前級為功率因數校正環(huán)節，實(shí)現功率因數校正為后級的DC-DC變換器提供穩定母線(xiàn)。后級是諧振半橋DC-DC電流源變換器，控制器通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率調節，實(shí)現恒流驅動(dòng)?？刂?/p>

　　系統采用Infineon公司的XC822單片機作為控制芯片。

　　3.1 功率因數校正環(huán)節的設計

　　為提高LED驅動(dòng)電源的功率因數，在驅動(dòng)電源中加入功率因數校正電路。目前對于100W-150W的驅動(dòng)電源，臨界模式(CRM)的Boost電路因為其電路中器件的電壓電流應力小，且二極管沒(méi)有反向恢復問(wèn)題，控制電路設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的采用，其輸出為400V的穩壓值。

　　3.2 諧振直流變化器的設計

　　如圖2所示，后級是一個(gè)諧振直流變換器。它是由是由一個(gè)LC諧振逆變器與一個(gè)不控整流橋組成的。

　　由[3]可知，LED負載可以等效為二極管、電壓源及電阻串聯(lián)的負載形式。在此基礎上可以將LED負載陣列也可以等效為電壓源與電阻串聯(lián)形式，如圖3所示。其中Von為L(cháng)ED的閾值電壓，取值在3.1V-3.4V之間。Rs為L(cháng)ED伏安特性的斜率，取值約為0.77Ω，m為每串LED的個(gè)數，n為L(cháng)ED的串數。在本次設計m取14，n取8。

　　將LED負載陣列折算到整流橋的原邊，其等效電路圖如圖4所示，其中輸入電壓時(shí)一個(gè)在0和400V之間變化的方波信號，而折算到整流橋輸入側的LED的等效模型為一個(gè)在-mVon與mVon之間變化的方波信號和電阻串聯(lián)的模型。

　　由于諧振電容的值對電路影響較小，取為100nF,為防止音頻的干擾[5]，設定開(kāi)管起始頻率為35kHz,設定LED正常工作時(shí)的電流為330mA。經(jīng)計算可以得到電感值為507uH。

　　進(jìn)而可以計算得出不同開(kāi)路數下,即當n變化時(shí)，

　　對應的不同的開(kāi)關(guān)頻率，如表1所示。

　　3.3 開(kāi)路故障檢測電路

　　圖5為本次設計的開(kāi)路故障檢測電路的原理圖，采用光耦TLP521作為隔離判斷電路，當次串LED正常工作時(shí)，開(kāi)路信號有送一個(gè)低電平信號到控制器的I/O口，當此串LED出現開(kāi)路故障時(shí)，便有一個(gè)高電平信號送到控制器的I/O口?？刂破魍ㄟ^(guò)檢測發(fā)生開(kāi)路的LED串的數目來(lái)調節開(kāi)關(guān)頻率，從而調節總電流的閉環(huán)值，正常工作的LED串自動(dòng)均流，保持每串LED的恒流驅動(dòng)。其中，各個(gè)參數的取值為：R=5Ω，R1=27Ω，R2=15KΩ,R3=7.5KΩ。

　　3.4 短路故障檢測電路

　　圖6所示的為短路故障檢測電路，即在開(kāi)關(guān)管Q2橋臂上并聯(lián)故障電流檢測電阻，當LED負載中出現短路故障時(shí)，此時(shí)電路中的電流就會(huì )迅速增大，若通過(guò)檢測電阻檢測到電流超過(guò)一定的值時(shí)，此時(shí)控制器就會(huì )將停止對LED負載的驅動(dòng)，以防止進(jìn)一步的損壞。

　　4. 仿真分析

　　基于以上對系統整體分析和設計，采用Saber仿真軟件對系統建立仿真模型，然后對仿真結果進(jìn)行仿真分析。

　　圖7是LED在滿(mǎn)載運行時(shí)其兩端的電壓波形及流過(guò)LED的電流的波形圖，從圖中可以看出在滿(mǎn)載運行時(shí)LED兩端的電壓基本穩定在47V。流過(guò)LED的平均電流為2.57A，基本可以滿(mǎn)足系統的要求。

　　圖8是諧振電流波形及整流橋輸入側的電壓波形，在0.4s時(shí)正常工作的LED串數由8串變?yōu)?串，從整流橋輸入側電壓的仿真波形中可以看出開(kāi)關(guān)頻率是增加的，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增加流經(jīng)諧振電路的電感電流是減小的。

　　圖9是流過(guò)LED負載的總電流動(dòng)態(tài)響應的仿真波形。在0.4s時(shí)正常工作的LED串的數目由8串變?yōu)?串，從圖中可以看出流過(guò)LED的閉環(huán)總電流值減小，從而保證流經(jīng)每串LED的電流是恒定的。圖10是LED負載兩端的電壓波形，可以看出當正常工作的LED串的數目發(fā)生變化時(shí)，LED負載兩端的電壓基本保持不變。

　　5. 實(shí)驗結果分析

　　根據前面對系統的分析和設計，搭建實(shí)驗樣機一臺。樣機實(shí)物圖如圖11所示。

　　圖12為8串LED正常工作時(shí)，LED負載兩端的電壓波形及流經(jīng)LED的總電流波形。圖13是只有4串正常工作時(shí)LED負載兩端的電壓波形及流經(jīng)LED的總電流波形，從圖中可以看出LED兩端的電壓基本不變，LED的總電流變小。

　　圖14和圖15是當8串LED正常工作時(shí)及只有4串LED正常工作時(shí)，流過(guò)某一串的LED的電流波形，從圖中可以看出雖然LED負載的并聯(lián)的支路數不同，但是流過(guò)每串的LED的電流值基本是維持在300mA不變，這就說(shuō)明該驅動(dòng)電源可以再不用的開(kāi)路數目下實(shí)現LED串的恒流驅動(dòng)，即實(shí)現了開(kāi)路保護功能。

　　6. 結論

　　本文提出了一種可自動(dòng)檢測開(kāi)路故障，并且具有短路保護功能的路燈LED驅動(dòng)電源方案。文中給出了電路參數的設計方法和過(guò)程，對控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。然后對系統進(jìn)行了仿真，并對仿真結果進(jìn)行了分析。最后112W搭建實(shí)驗樣機一臺。實(shí)驗結果表明，在某些并聯(lián)支路出現開(kāi)路的時(shí)候，驅動(dòng)器能夠自動(dòng)的修正閉環(huán)參考值，保證了單串并聯(lián)支路的電流的恒定。

　　參考文獻

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　　[3] Mineiro Sa, E. Low Cost Self-Oscillating ZVS-CV Driver for Power LEDs[C]. IEEE，Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC：4196 -4201.

　　[4] 孫明坤，羅全明. 串聯(lián)諧振恒流LED驅動(dòng)電源的分析及設計[J]. 電力電子技術(shù). 2010，44(8)：

　　[5] Xu Dianguo,Zhang Xiangjun, and Liu Huaiyuan. “Study of Digital LED Driving Technology based on Auto-identifying Open Strings in LED Array”. IECON 2011-37th Annual Conference IEEE Industrial Electronics Society, 7-10 Nov. 2011, Page(s): 2964 – 2968.