LED路燈驅(qū)動(dòng)及智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

實(shí)驗(yàn)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(chǎng)前景而且有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

1 引言

LED 被認(rèn)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(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)， 目前已經(jīng)在城市景觀裝、交通信號(hào)與商業(yè)廣告上廣泛應(yīng)用。近年來(lái)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(jià)格不斷下降， 目前達(dá)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(shì)，世博會(huì)上LED 燈的應(yīng)用可以說(shuō)代表著這個(gè)方向。LED 調(diào)光可以節(jié)能，高亮度白光LED 的驅(qū)動(dòng)和調(diào)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(shè)計(jì)了一款帶有功率因數(shù)校正的LED 路燈驅(qū)動(dòng)和智能調(diào)光系統(tǒng)。

2 LED 特性、驅(qū)動(dòng)要求及調(diào)光方式

LED 的理論光效為300lm /W.目前實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)260lm /W,市場(chǎng)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(shí)，LED 上幾乎沒(méi)有電流通過(guò)。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(dòng)就會(huì)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(duì)光通量與正向電流關(guān)系

圖1 是LED 相對(duì)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(qū)動(dòng)，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)電流成飽和關(guān)系。LED 的電流達(dá)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(dòng)電流宜為工作電流額定電流的70% ~80%。在恒壓驅(qū)動(dòng)或PWM 調(diào)光中， 最大電流不宜超過(guò)最小電流的3 倍，否則的話沖擊電流會(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(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(lái)改變LED 的亮度，這種方式稱之為模擬調(diào)光，通過(guò)LED 中的電流是連續(xù)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，這種方式稱為PWM 調(diào)光，它是通過(guò)人眼察覺(jué)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(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，隨著電流偏離這個(gè)值，會(huì)有色偏。另外，LED 的響應(yīng)時(shí)間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關(guān)的場(chǎng)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(dòng)電路

3. 1 LED 驅(qū)動(dòng)電路分類

從LED 的驅(qū)動(dòng)供電可將其驅(qū)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(zhuǎn)化成直流后再驅(qū)動(dòng)LED,所以我們只要研究DC /DC 型即可。DC /DC 型的LED 的驅(qū)動(dòng)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(guò)電阻的分壓限流和驅(qū)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(fèi)在電阻上，只在要求不高的低壓場(chǎng)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(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關(guān)變換電路。

電荷泵電路利用電容對(duì)電荷的累積效應(yīng)儲(chǔ)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關(guān)進(jìn)行切換，在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)讓電容儲(chǔ)能，在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)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。電感式開關(guān)變換電路又稱為開關(guān)電源，是通過(guò)控制功率開關(guān)管導(dǎo)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(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(duì)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; 而開關(guān)電源開關(guān)元件相對(duì)較少，效率高，可實(shí)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(chǎng)合下是首選。開關(guān)電源的拓?fù)浜芏?，LED 驅(qū)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED 驅(qū)動(dòng)的芯片目前已經(jīng)有一些了。LED 路燈相對(duì)來(lái)說(shuō)功率較大，而且是通過(guò)市電交流供電的，國(guó)家規(guī)定，功率達(dá)到一定值時(shí)要有功率因數(shù)校正裝置，此外設(shè)計(jì)的LED 路燈要有調(diào)光功能以節(jié)能。基于上述考慮， 這里選用Supertex 公司的HV9931 作用驅(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)LED 燈時(shí)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(dá)到國(guó)家規(guī)定，環(huán)保; ( 4) 有PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光功能，驅(qū)動(dòng)LED 時(shí)可方便地實(shí)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(shí)間兩種工作方式。