LED路燈驅(qū)動及智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動電路是由HV9931 控制的Buck - Boost - Buck 電路，直接由市電供電實現(xiàn)恒流驅(qū)動且?guī)в蠵FC 功能; 調(diào)光方式采用PWM 調(diào)光，用TLS2561 作為光強度傳感器，由PIC16C62 控制產(chǎn)生PWM 調(diào)光信號控制HV9931 實現(xiàn)智能調(diào)光。

實驗結(jié)果表明該電路轉(zhuǎn)換效率高，功率因數(shù)高，輸入電流的THD 小，白光LED 路燈光色純正而且節(jié)能，很有市場前景而且有進一步研究的價值。

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、安全環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點， 目前已經(jīng)在城市景觀裝、交通信號與商業(yè)廣告上廣泛應(yīng)用。近年來隨著制造工藝的不斷發(fā)展， 大功率高亮度LED 性能不斷提升，價格不斷下降， 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].這些都使得其開始應(yīng)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(tǒng)光源的趨勢，世博會上LED 燈的應(yīng)用可以說代表著這個方向。LED 調(diào)光可以節(jié)能，高亮度白光LED 的驅(qū)動和調(diào)光是近年來研究的熱點，本文在這方面進行了些研究， 并設(shè)計了一款帶有功率因數(shù)校正的LED 路燈驅(qū)動和智能調(diào)光系統(tǒng)。

2 LED 特性、驅(qū)動要求及調(diào)光方式

LED 的理論光效為300lm /W.目前實驗室水平達260lm /W,市場化水平在120lm /W 以上。高亮度LED 的一般導(dǎo)通電壓約為3. 0 ~ 4. 3V,但其核心仍是PN 結(jié)，其伏安特性與普通二極管相同。當(dāng)加在LED 上電壓小于其導(dǎo)通電壓時，LED 上幾乎沒有電流通過。但當(dāng)LED 導(dǎo)通后，其正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化，很小的電壓波動就會引起很大的電流變化。在導(dǎo)通區(qū)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，因此可能通過控制LED 的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED 若采用恒壓源驅(qū)動，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)動只適用于要求不高的小功率的場合下。在要求高的場合和大功率的場合下LED 都要采用恒流驅(qū)動。研究表明，LED 發(fā)光亮度隨工作時間下降，亮度下降后光效隨電流的增加而減少，LED 的亮度與驅(qū)動電流成飽和關(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(zhuǎn)化成了熱能，因此LED的驅(qū)動電流宜為工作電流額定電流的70% ~80%。在恒壓驅(qū)動或PWM 調(diào)光中， 最大電流不宜超過最小電流的3 倍，否則的話沖擊電流會大大減少LED 的使用壽命[8].目前來說市場化單個LED的功率都不大，大都在10W 以下，實際用于照明是把多個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(yīng)的LED 調(diào)光也有兩種方式。一種是連續(xù)調(diào)節(jié)LED 中電流的大小來改變LED 的亮度，這種方式稱之為模擬調(diào)光，通過LED 中的電流是連續(xù)的; 另一種是通改變LED流過電流的時間與關(guān)斷的時間之比來改變LED 的亮度，LED 流過電流時電流是恒定的， 關(guān)斷時流過LED 的電流為零，這種方式稱為PWM 調(diào)光，它是通過人眼察覺不到的頻率快速的開關(guān)LED,開關(guān)頻應(yīng)不小于100Hz.兩種調(diào)光方式當(dāng)流過LED 中的平均電流相同時，其效果是一樣的。由于LED 在某一大小特定的電流時會發(fā)出最純的白光，隨著電流偏離這個值，會有色偏。另外，LED 的響應(yīng)時間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關(guān)的場合，所以LED 調(diào)光以PWM 調(diào)光方式好，此外這種方式還有利于LED 散熱。

3 LED 驅(qū)動電路

3. 1 LED 驅(qū)動電路分類

從LED 的驅(qū)動供電可將其驅(qū)動分為AC /DC 型和DC /DC 型，而LED 要求直流供電，AC 供電時要把交流轉(zhuǎn)化成直流后再驅(qū)動LED,所以我們只要研究DC /DC 型即可。DC /DC 型的LED 的驅(qū)動方式可分為電阻限流型，線性穩(wěn)壓電源型，電容電荷泵電路和電感開關(guān)變換電路。電阻限流將電阻和LED 串連，通過電阻的分壓限流和驅(qū)動LED 燈，這種方式控制精度不能保證，同時有大量電功率浪費在電阻上，只在要求不高的低壓場合下使用。線性穩(wěn)壓電源精度比電阻限流型高一些，但同樣存在效率低的問題，實際中用的也不多。實際中用得多的是電荷泵電路和電感式開關(guān)變換電路。

電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應(yīng)儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關(guān)進行切換，在時鐘周期的一部分時間內(nèi)讓電容儲能，在時鐘周期的剩余時間內(nèi)電容釋放能量。這種方式是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓。電感式開關(guān)變換電路又稱為開關(guān)電源，是通過控制功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時間關(guān)系來改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件，使輸出穩(wěn)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 倍這個變化范圍，輸出功率較小，所以其多用在小功率場合下; 而開關(guān)電源開關(guān)元件相對較少，效率高，可實現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。開關(guān)電源的拓撲很多，LED 驅(qū)動電路中用得多的有Boost 電路，Buck-Boost及Buck 電路。

3. 2 基于HV9931 的LED 路燈驅(qū)動電路設(shè)計

LED 驅(qū)動的芯片目前已經(jīng)有一些了。LED 路燈相對來說功率較大，而且是通過市電交流供電的，國家規(guī)定，功率達到一定值時要有功率因數(shù)校正裝置，此外設(shè)計的LED 路燈要有調(diào)光功能以節(jié)能?；谏鲜隹紤]， 這里選用Supertex 公司的HV9931 作用驅(qū)動芯片。HV9931 是種的8 引腳的PWM 集成控制器，有如下功能與特點： ( 1) 輸出電流恒定，適用于LED 恒流驅(qū)動; ( 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(qū)動LED 燈時可不用變壓器; ( 3) 有功率因數(shù)校正功能，能獲得單位功率因數(shù)和低輸入電流諧波，達到國家規(guī)定，環(huán)保; ( 4) 有PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光功能，驅(qū)動LED 時可方便地實現(xiàn)調(diào)光控制，符合節(jié)能要求; ( 5) 振蕩器有固定頻率和固定關(guān)斷時間兩種工作方式。