LED路燈驅動(dòng)及智能調光系統設計與實(shí)現

　　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。

　　圖2 基于HV9931 的LED 路燈驅動(dòng)電路

　　驅動(dòng)電路如圖2 所示，為開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)方式。

　　主電路是一個(gè)單級單開(kāi)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，工作于不連續導電模式； 由C1、Q1、D2、D4 及L2 組成的Buck 電路是輸出級，工作在連續導電模式下。兩級共用一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管Q1， 電容C1 對輸入級相當于負載，對輸出級相當于直流電源。系統降壓比為兩級降壓比之乘積，這樣由市電供電不需要變壓器就能實(shí)現較低的電壓輸出。開(kāi)關(guān)Q1 導通時(shí)， 輸入級Buck-Boos 電流路徑： 整流電壓→D1→L1→Q1→Rs1，L1中電流線(xiàn)性增加， 輸出級Buck 電路電流路徑為：

　　C1→Q1→Rs2→LED→L2，C1 提供能量； Q1 關(guān)斷時(shí)，輸入級電流路徑： L1→C1→D5→D1，L1 中的能量轉到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； 輸出級電流路徑： L2→D4→LED，由于參數設置不同，L2 中電流不僅不會(huì )變?yōu)?，而且波動(dòng)相對比較小。

　　電路工作于峰值電流模式下， 振蕩器使GATE輸出高電平， 使Q1 通導通； CS1 和CS2 端子分別是HV9931 內部的兩個(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部接地，電路通過(guò)CS1 和CS2 端子同時(shí)檢測輸入電流和輸出電流，CS1 是輸入電流信號檢測端子，CS2 輸出電流信號檢測端子，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是芯片的基準電壓輸出引腳，Rs1、Rcs1 和Rref1 可編程設定L1 中的最大峰值電流， Rs2、Rcs2 和Rref2 可編程設定輸出電流。在交流電的周期內可認為占空比和開(kāi)關(guān)頻不變，故輸入電流峰值包絡(luò )線(xiàn)為正弦波，平均電流為正弦波，可實(shí)瑞功率因數校正。

　　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校正功能。RT 對應著(zhù)內部振蕩器，有兩種接法，分別設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 引腳為數字調光信號輸入引腳，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(kāi)關(guān)管Q1 斷，驅動(dòng)電路不工作。

　　4 智能調光裝置

　　設計的系統若能根據環(huán)境光照的強弱來(lái)改變自身亮度，則會(huì )相應的節能，符合當前低碳生活的要求。環(huán)境光線(xiàn)最差時(shí)，設計系統調光信的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(mǎn)足照度要求； 當環(huán)境光照變化時(shí)會(huì )根據外部光照的強弱自動(dòng)改變調光信號的PWM 的占空比，使LED 相應的暗一些，但照度滿(mǎn)足要求； 另外，在深夜人比較少時(shí)可適當降低亮度。

　　實(shí)現這一要求要有一個(gè)好的光強度傳感器。光敏電阻線(xiàn)性度差，頻率響應低，光敏三極管靈敏度高，但溫度特性和線(xiàn)性度差系統設計選用TLS2561作為光電強度傳感器。TLS2561 接近人眼對亮度的反應，能直接將光強度信號轉化成數字信號輸出，有可編程中斷功能和標準的I2C 接口，能方便地與單片機相連。單片機選用微芯公司的PIC16C62.這種單片機性能穩定，帶有PWM 輸出，能方便地實(shí)現I2C 總線(xiàn)通信。光強度傳感器TLS2561 將光信號轉換成數字信號傳送至單片機，經(jīng)單片機處理產(chǎn)生調光的PWM信號，調光PWM 信號送至HV9931 的PWMD 端，以實(shí)現PWM 調光。調光部分如圖3 所示。

　　圖3 調光系統框圖

　　系統還設計還考慮到的溫度的影響。LED 在相同電流下， 隨著(zhù)PN 結溫度的升高光通量將降低，同時(shí)還會(huì )影響LED 使用壽命。所以系統中還加入的溫度傳感器， 溫度信號同樣送至PIC16C62 處理，也會(huì )影響到其輸出的PWM 調光信號的占空比。這個(gè)不是本設計的主要問(wèn)題，不詳細敘述。

　　5 實(shí)驗結果

　　系統設計功率為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。輸出最大光強時(shí)設計PWM 調光信號占空比為90% ，此時(shí)測得LED中總電流平均值為932mA; LED 驅動(dòng)電路工作時(shí)開(kāi)關(guān)管工作頻率為100kHz，驅動(dòng)電路效率為75% ，輸入電流THD 小于20% ，功率因數大于0. 9，光電轉換效率約95lm /W; 調光用PWM 信號頻率為120Hz，比不用智能調光電路時(shí)約節能9%.圖4 給出了調光PWM 占空比為50% 時(shí)LED 中的電流波形。

　　圖4 調光PWM 占空比為50% 時(shí)LED 中的電流波形

　　6 結論

　　本文設計的LED 路燈驅動(dòng)電路采用市電供電且不用電源變壓器，驅動(dòng)電路體積大為減少。驅動(dòng)電路實(shí)現恒流驅動(dòng)的同時(shí)帶有PFC 功能，符合當前綠色環(huán)保的要求，而且驅動(dòng)電路轉換效率高，電路較新穎； 智能調光電路采用PWM 調光方式，LED 發(fā)出較純的白光，不產(chǎn)生色偏。智能調光電路節能效果較為顯著(zhù)。設計的實(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)和驅動(dòng)調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。