詳解LED設計原理及調光電路設計 —電路圖天天讀（244）

　　隨著(zhù)LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)步，高亮度（HB） LED廣泛用于各種照明設備，其光輸出量（發(fā)光效率）通常以流明/瓦為單位計量，已經(jīng)超過(guò)了熒光燈的發(fā)光效率。

　　1 概述

　　高 亮度（HB） LED目前已廣泛用于各種照明設備，其光輸出量（發(fā)光效率）通常以流明/瓦為單位計量，已經(jīng)超過(guò)了熒光燈的發(fā)光效率。而采用高容量、單節Li+電池驅動(dòng)高 效率LED光源時(shí)，由于電池電壓僅為3V至4V，需要解決電源轉換問(wèn)題?？煽啃约鞍踩匦允沟肏B LED成為電池備份照明系統（應急照明等）的優(yōu)選方案。

　　隨著(zhù)LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)步，目前最高容量的鋰離子（Li+）電池能量密度可以 達到 750kJ/kg左右；鎳氫（NiMH）電池的能量密度略低一些，大約為200kJ/kg （而汽油的能量密度為44MJ/kg）。單節Li+電池的端電壓約為3.7V，要想直接驅動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED，則需把多節電池串聯(lián)在一起，但這會(huì )帶來(lái)功率 分配等設計問(wèn)題，用戶(hù)也往往首選單節電池供電的方案。

　　2 采用連續boost模式驅動(dòng)LED燈串

　　以常見(jiàn)的boost配置拓撲為例，例如：標準的MAX16834 HB LED驅動(dòng)器評估板（EV） MAX16834EVKIT （圖1）。

　　為了向開(kāi)關(guān)MOSFET提供足夠的柵極驅動(dòng)電壓，MAX16834要求工作電壓至少為4.5V，以便MOSFET進(jìn)入低阻導通狀態(tài)。對于采用n溝道FET工作在boost模式的HB LED驅動(dòng)器，這者要求很常見(jiàn)。

　　單節Li+電池的驅動(dòng)電壓可能低至3V，無(wú)法支持電路中FET及其它電路的正常工作。這就需要將電池電壓提升到較高電壓，器件即可正常工作。

　　圖2:HB LED 驅動(dòng)器和升壓轉換器

　　為了消除電池放電期間對電壓的影響或電池阻抗的升高，可采用大電流、低電壓電源代替電池，從而使輸入電壓保持基本穩定，通過(guò)改變LED 驅動(dòng)電流改變系統負載。

　　LED 調光能以?xún)煞N方式進(jìn)行：模擬調光和脈沖寬度調制（PWM） 調光。模擬調光簡(jiǎn)單地調節LED 串的 DC 電流， 以改變 LED 的光輸出， 而 PWM 調光則 改變 LED 串中恒定電流的占空比，以有效改變 LED 串中的平均電流，以此實(shí)現調光。盡管模擬調光的簡(jiǎn)單性富有吸引力， 但是這種方式對很多應用不合適， 因為 模擬調光僅在 10:1 的亮度調節時(shí)， 就損失超過(guò)25%的準確度， 而且這種調光方式使 LED 產(chǎn)生色彩失真。 相比之下， PWM 調光可以在準確度沒(méi)有任何顯著(zhù)損 失的情況下，產(chǎn)生 3000:1 以及更高的調光比 （在 100Hz 時(shí)），而且 LED色彩沒(méi)有改變。

　　圖3：用于汽車(chē)前燈、具備25:1的內部 PWM 調光、效率為94%的升壓模式 LED 驅動(dòng)器

　　3 LED 路燈控制器系統結構

　　LED 路燈控制系統結構框圖如圖4所示，本系統中關(guān)鍵部件是控制器，控制器的功能主要有：

圖4 控制器結構框圖

　?。?）白天對太陽(yáng)能電池板的電壓和電流進(jìn)行檢測，通過(guò) MPPT 算法追蹤太陽(yáng)能電池板最大輸出功率點(diǎn)， 使太陽(yáng)能電池板以最大輸出功率給蓄電池充電， 并控制太陽(yáng)能電池對蓄電池進(jìn)行充電的方式;（2）控制光電互補自動(dòng)轉換， 晚上控制蓄電池放電， 驅動(dòng) LED 負載照明;當在太陽(yáng)光照不足或陰雨天氣， 蓄電池放電電壓達最低電壓時(shí)，能自動(dòng)切換到市電供 LED 路燈點(diǎn)亮;（3）對蓄電池實(shí)行過(guò)放電保護 、過(guò)充電保護、短路保護、反接保護和極性保護;（4）控制 LED燈的開(kāi)關(guān)，通過(guò)對外環(huán)境監測，可以控制 LED 燈開(kāi)燈、關(guān)燈時(shí)間。

　　4 充電電路及輸出控制

　　4.1 充電電路

　　充電電路用來(lái)調節充電電流與電壓， 使太陽(yáng)能電池板穩定地對蓄電池充電。 由于每天在各個(gè)時(shí)段太陽(yáng)能電池板所轉換的太陽(yáng)輻射能不同， 使得太陽(yáng)能電池輸出 的電流和電壓各不相同，這就需要通過(guò)必要的充電電路來(lái)控制。本電路就是用 TL494 實(shí)現的電壓型脈寬調制（PWM）控制電路，電路圖如圖5所示。

圖5 充電電路

　　編輯點(diǎn)評：本文所采用最新技術(shù)、高容量Li+電池提供照明解決方案，避免多級電源轉換而導致的效率低下問(wèn)題，有助于延長(cháng)電池使用壽命。通過(guò)對LED 路燈系統設計和實(shí)際測試觀(guān)察，其結果基本符合設計要求。
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