一种高性能可智能控制型LED路灯驱动电源的设计

2015-03-22 20:33:57来源: 互联网
 引言

  由于具有高光效、长寿命、灯具效率高、环保和易于调光控制等优点,半导体照明是目前被各国公认为最有发展前景的高效照明产业,被称作继白炽灯、荧光灯后照明光源的又一次革命[1]。我国推出的“十城万盏”计划[2],使LED路灯得到了越来越多的应用。但是,LED路灯在取代传统路灯的道路上还有许多亟待解决的难题,主要包括光学设计、散热以及驱动电源等问题,同时智能控制和无线通信也成为LED路灯的研究重点。

  本文采用多级驱动方案,使驱动具有较高的功率因数和效率,并解决了传统方案驱动器件多、成本高、体积大的缺陷。易于调光控制也是LED照明的一大优点,设计中采用了可调光的模块,使得驱动电源具有智能控制的接口,便于在此基础上开发LED路灯智能照明控制系统

  1 系统结构

  本系统采用3级驱动电路结构,系统结构图如图1,前级是功率因数校正电路,主要作用是采用谐波抑制技术限制谐波的含量。中间级是谐振电路,完成隔离和降压功能,保证电路具有较高的转换效率。最后一级为恒流输出电路,为LED提供恒定的电流,同时具有调光控制功能,通过智能控制系统来调节LED的亮度。

  2 驱动电路原理及实现

  2.1 电路的设计

  为了提高电能的利用率,现在一般的开关电源都需要在前级加入功率因数校正()电路[3],其中升压PFC有源功率因数校正是最具成本效益的方法。本文采用PI公司推出的PFS708EG专用芯片,该芯片具有极高的集成度,集成了一个连续导通模式(CCM)升压PFC控制器、极驱动器、超低反向恢复二极管和高压功率,采用了创新的恒定伏秒/安秒控制方法,可极大减少元器件数量、降低装配成本和布板尺寸[4]。图2所示为PFS708EG的典型应用图。

  本设计采用一种恒定的安培-秒导通时间和恒定的伏-秒关断时间控制方法,该方法可以调节输出电压和整形输入电流以使其符合谐波电流限值(高功率因数)。即控制开关电流在导通时间内具有恒定的安培-秒从而使平均输入电流跟随输入电压,同时保持由升压电感器的电磁特性所决定的恒定的伏-秒平衡,从而调节输出的电压和功率。如下所示,设置关断时间(toff)的恒定伏-秒为:

  上式表明,输入电流iIN正比于输入电压VIN,因此满足了对于功率因数校正的基本要求。
  由上述原理可知,在升压电路中电感L1用于当导通时储存能量,而对于本设计中的连续导通模式,当关断时只有一部分储存的能量被传递到输出电路。设计中所需的最小电感值的计算方式如下:

 

  其中VO端的输出电压,VIN端瞬时输入电压,VMIN(PK)是低线路输入电压峰值,△I为纹波电流的峰峰值,FS为电路的开关频率,D为占空比。图中C2为PFC端输出电容,作为能量储存器为输出电压滤波,决定了输出电压的纹波,输出电容既要满足保持时间所需的电容值,也要求满足输出纹波的要求,其计算方式如下面两式所示,选取计算所得的较高电容值作为输出电容值。

  2.2 谐振电路设计

  谐振电路是路灯驱动电路的核心部分,谐振电路是在传统串联和并联LC谐振电路的基础上产生的,它实现了软开关,具有较高的功率密度和效率。本设计采用PI公司生产的LCS702HG控制芯片,它集成了LLC控制器、上管和下管驱动器以及两个半桥,此控制器通过改变频率,使得MOSFET在零电压时切换,消除了损耗,提高了效率,其高度的集成度减少外部元器件多达30个,降低了成本且减小了PCB面积[5]。其电路设计如图3所示。
  转换器要求在开关半周期之间具有固定的死区时间。如图3所示,连接于DT/BF引脚、VREF引脚和接地引脚之间的电阻分压器用于设定死区时间,最大启动频率以及脉冲阈值频率。FB引脚是反馈回路的频率控制输入端。频率与反馈引脚电流成正比。引脚HB的输出通过一个谐振电容C2驱动输出变压器T1,该电容用于确定工作纹波电流和在故障条件下能够承受的高电压。  变压器T1的漏感设计为50μH,这样和谐振电容C2一起确定了初级串联谐振频率,如下式所示:

  其中fR为串联谐振频率,LL为变压器漏感,CR为谐振电容器的值。

  为实现最低成本和最小尺寸,采用~250KHz的额定工作频率,这样可以使用较低成本的陶瓷电容来代替点解电容,延长驱动电路的寿命。

  2.3 恒流输出电路设计

  由的发光原理可知,更适合采用恒流输出的方式[6]。本设计采用TI公司的LM3406HV作为控制芯片,LM3406HV采用受控导通时间结构,该结构可以确保无论输入及输出电压如何变动,开关频率都恒定不变,因此LM3406HV的输出电流极为准确,瞬态响应也极快。LM3406HV支持调光,可以使用专用逻辑引脚或者开关电源来实现[7]。图4是LM3406HV的典型应用图。

  如图4所示,导通时间ton可通过外部电阻Ron、输入电压VIN和输出电压VO设置,导通时间由以下公式确定:

  DIM引脚是一个调光输入引脚,当输入为低电平(小于0.8V)时将会禁止内部,同时关断流向的电流。调光频率和占空比由LED电流上升时间和下降时间以及激活DIM引脚的延迟所限制,在一般情况下,调光频率应该比稳态开关频率低至少一个数量级以防止混叠。

  3 实验结果

  设计一个输入电压范围为90VAC~265VAC,输出功率为150W,输出为5路输出,电流为0.7A的测试样机。测试样机的主要技术参数为:1)电路L1=1.80mH,C1=120μF;2)谐振电路谐振电容CR=6.2nF,RFMAX=36.5kΩ,RBURST=5.11KΩ;3)恒流电流RON=143KΩ,CIN=4.7μF,RSNS=0.29Ω,L1=33μH。
  3.1 功率校正因数测试结果与分析

  图5是在输入50Hz交流正弦波电源,负载为50%和100%的情况下,PF值随输入电压的变化曲线,由图可知,在220VAC范围内,PF值都可以达到0.9以上,在满载的情况下更是基本达到0.98。可见本设计具有较高的功率校正因数,极大地提高了路灯的性能。

  3.2 驱动电路效率的测试结果和分析

  图6是前两级(谐振电路)的效率曲线,如图所示,在输入电压范围内,在50%和100%负载下,效率都达到0.9以上。同时在正常工作电压下,即48V的情况下,恒流模块的效率达到了0.96,也达到了较优的性能。由上述可知本设计具有较高的效率,减少了电路的损耗。

  3.3 智能控制调光测试结果与分析

  通过外围检测电路和智能控制核心对驱动电路输入信号,如下图所示,图7(a)所示为调光占空比为10%时一路的状态,图7(b)是调光占空比为50%一路LED的状态。由此可见,该可实现调光的功能。

  4 结论

  智能化和网络化控制路灯是未来路灯控制的发展方向和必然趋势。所以本文提出了一种高性能多路输出的可调光的大功率LED路灯驱动电路,以适用于需要智能化和网络化控制的LED路灯控制系统

  参考文献:
  [1]程伊炳,金尚忠. 基于多路输出的高效LED驱动器的分析和仿真[J]. 照明工程学报,2013,4(2):66 - 70
  [2]叶峰. LED在道路照明中的应用现状与趋势[J]. 照明工程学报,2012,4(2):29-32
  [3]梁国辉,谢谦,王曾等. 基于谐振的多路输出LED路灯恒流驱动电路[J]. 微电子学,2011,10(5):668 - 671
  [4]Power Integration. Application Note AN-53 [R]. March 2011
  [5]Power Integration. Application Note AN-55 [R]. September 2011
  [6]莫蒂尔. LED照明应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社,2011
  


关键字:控制型  LED路灯  驱动电源

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0322/article_25944.html
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