基于蓄電池供電的自適應LED照明系統(tǒng)

本文介紹了一種基于蓄電池供電的LED照明系統(tǒng)的電路設計。以Boost為功率電路拓撲結構，通過合理地安排LED陣列，提高了照明的可靠性。本電路設計可以同時對LED進行模擬調光和數(shù)字調光，并且本系統(tǒng)適用于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列、端電壓范圍從6-36V的蓄電池，從而使得對產品進行維護--需要更換LED或是需要更換蓄電池時，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統(tǒng)就能正常并穩(wěn)定地工作。

前言

由于具有高發(fā)光效率、高可靠性、長壽命等優(yōu)點，發(fā)光二極管(LED)在照明、信號顯示、顯像等領域應用越來越廣泛，被廣泛認為是一種取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的新型光源。

驅動LED有多種方法，而最簡單的方法就是將LED與限流電阻串聯(lián)，再以電壓源供電。這種驅動方式的優(yōu)點是電路簡單，但是也存在不少缺陷。首先是效率低，降壓電阻會消耗大量電能，甚至有可能超過LED所消耗的電能;其次是穩(wěn)定電壓能力極差，而LED的V-I曲線具有負溫度特性，隨著結溫的升高，流過LED的電流會越來越大。所以，如果驅動電流得不到控制，LED很容易被燒毀，即使沒有燒毀，壽命也會大大縮短。所以，驅動大功率LED時，電流控制是必需的。除此之外，LED光源的照度直接與電流相關，所以控制LED的驅動電流，其照度也將得到控制。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。供電電源為鉛酸蓄電池，負載為LED組成的陣列，使用LTC3783作為控制器，實現(xiàn)PWM控制。本電路設計可以同時對LED進行模擬調光和數(shù)字調光。并且本系統(tǒng)對于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列、端電壓范圍從6-36v的蓄電池均能正常工作，從而使得在對產品進行維護--需要更換LED或需要更換蓄電池時，只要滿足上述要求，無需更換電路模塊，系統(tǒng)就能正常并穩(wěn)定地工作。

由于發(fā)熱量、散熱技術等多方面的限制，使得單顆LED的功率不能像傳統(tǒng)光源那樣做得很大，功率為1w的LED即為大功率LED了。實際應用中，通常使用多顆小功率LED組成的陣列來滿足較高的照度要求，并實現(xiàn)低成本，如圖2所示。

應用LED陣列還有另一個顯著優(yōu)點。我們知道LED可能會因某些故障發(fā)生短路和斷路。當某個串，聯(lián)支路中的LED發(fā)生短路時，該支路中其他的LED仍然能夠正常工作。盡管通過LED的電流可能上升，但是由于LED的數(shù)量較多，上升的電流不大，上升后的電流仍不會超出LED允許的工作范圍。當某個串聯(lián)支路中的LED發(fā)生斷路時，該串LED熄滅。

但由于陣列由多個LED串組成，其他LED串仍能工作，并分擔熄滅的LED串中的電流，但是由于LED的支路較多，上升的電流不大，上升后的電流仍不會超出LED允許的工作范圍。所以很明顯，LED陣列相對具有更高的穩(wěn)定性和可靠性心1.而且，對于特定數(shù)目的LED陣列，當使支路數(shù)目和支路中的LED數(shù)目相一致時，將更有利于提升LED組件工作的可靠性和穩(wěn)定性。

實驗中制作一個8串、每串20顆LED的陣列和一個12串、每串12顆LED的陣列。使用的LED為O.1w子彈頭形LED，額定正向壓降范圍為3.0-3.3v，額定正向電流范圍為10一30mA.實驗中將LED設計工作在20mA，這樣可以減小散熱量，并在LED出現(xiàn)短路故障時能夠有足夠的電流裕量。

1.2 B00st變換器及控制器改進

主電路示意圖如圖3所示。對于主電路，恒流控制的電流通過采樣電阻R將電流轉換成電壓，控制器通過開關管的開通與關斷，能夠實現(xiàn)恒定采樣電阻上的電壓，從而實現(xiàn)了恒定LED陣列的電流。如果能夠調節(jié)控制器恒定采樣電阻上的電壓值，則將實現(xiàn)LED的模擬調光?；谝陨纤悸?，對LTC3783進行應用改進，見圖4。

圖4中將采樣電阻端接控制器的FBN負反饋端，而非接采樣sense端。將參考電平Vref經分壓接入FBP正反饋端，再以可調電阻R2替代定值電阻。

要實現(xiàn)恒定采樣電阻上的電壓目標值，只需調節(jié)可調電阻。所恒定的LED電流值由所恒定的采樣電阻上的電壓值所確定。即：

通過以上對控制器LTC3783進行應用創(chuàng)新，實現(xiàn)了對LED進行模擬調光，同時實現(xiàn)了在需要更換LED陣列時，只要功率不過大，均無需重新設計電路。

再結合控制器本身的特性，本電路設計還可以對LED進行數(shù)字調光，對于功率從幾瓦到幾十瓦的LED陣列和端電壓范圍從6-36V的蓄電池均能正常工作。

變換器的設計應滿足以下要求：

(1)當以一個8串、每串20顆LED的陣列作為負載時：

輸出電壓Vo：60~66V

輸出電流Io：0.16A(恒定電流值)

工作頻率f：45kHz

當以12V蓄電池供電時：

電壓變比M：5-5.5

占空比D：0.800-0.818

當以24V蓄電池供電時：

電壓變比M：2.5~2.75

占空比D：O.600-O.636

(2)當以一個12串、每串12顆LED的陣列作為負載時：

輸出電壓Vo：36-39.6V

輸出電流Io：0.24A(恒定電流值)

工作頻率f：45kHz

當以12v蓄電池供電時：

電壓變比M：3-3.3

占空比D：0.667-0.697

當以24v蓄電池供電時：

電壓變比M：1.5~1.65

占空比D：0.333~0.394

調試時，只需調節(jié)可調電阻R2便可實現(xiàn)恒定的電流目標值，占空比會由控制器自行調整。Boost電路中的電容大小決定了負載電壓紋波大小，具體電容值可根據(jù)設計需要自行選取。電路中的電感值決定了電流紋波，為了便于系統(tǒng)參數(shù)的設計，通常都是設計系統(tǒng)工作于電流連續(xù)模式。本系統(tǒng)考慮在極端情況下，調光至10mA電感電流仍然連續(xù)，取值如下：