詳解無線LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　LED 光源近十年來發(fā)展達(dá)到了新月異的程度，很快應(yīng)用到汽車、建筑物、醫(yī)療、景觀照明等終端市場(chǎng)，LED 照明變得比傳統(tǒng)照明更加可靠及高效， 在市場(chǎng)上也越來越普及。但LED 的安裝使用卻受到輸電線鋪設(shè)的束縛，影響了其使用場(chǎng)合的靈活性；同時(shí)，由于LED 本身，驅(qū)動(dòng)源的高頻變壓器、功率開關(guān)管等非線性器件的存在，會(huì)導(dǎo)致引入電網(wǎng)中的諧波電流增大，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。而目前卻少見有同時(shí)考慮降低無線供電給電網(wǎng)帶來諧波影響的無線LED 照明等成套的系統(tǒng)報(bào)道。因此本文給出了一套具有諧波補(bǔ)償功能的LED 無線驅(qū)動(dòng)方案。該方案能在方便LED 靈活安裝的同時(shí)，根據(jù)光照的采集反饋來調(diào)節(jié)LED 至合適亮度。這些對(duì)LED 的普及，提高供電安全性和可靠性，高效節(jié)約電能都將十分有益。

　　1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要有：無線供電模塊、恒流驅(qū)動(dòng)源模塊、有源電力濾波器（APF）模塊、控制電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。其中，逆變裝置、整流濾波2 構(gòu)成無線供電模塊；正激變換電路、整流濾波3 構(gòu)成恒流源驅(qū)動(dòng)模塊。MCU 通過光電池進(jìn)行光照采集對(duì)輸出電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)以使輸出穩(wěn)壓、恒流。APF通過主控制器輸出電流來抵消由無線驅(qū)動(dòng)模塊注入電網(wǎng)的電流諧波，以改善輸入端電能質(zhì)量。

　　圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

　　2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　2.1 無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　無線供電系統(tǒng)由控制端、發(fā)射端、負(fù)載整流電路組成，分別通過電磁耦合（近距離傳輸方式）和電磁共振（遠(yuǎn)距離傳輸方式），實(shí)現(xiàn)無線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

　　圖2 無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　發(fā)射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負(fù)責(zé)將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。近距離逆變頻率為200~500 kHz，通過電磁耦合的方式傳輸，使用U 形松耦合鐵氧體磁芯隔離實(shí)現(xiàn)無線供電，如圖3。

　　圖3 近距離傳輸

　　遠(yuǎn)距離逆變頻率為1 MHz，通過電磁共振的方式傳輸，采用空心變壓器耦合， 將初級(jí)和次級(jí)分別纏繞在圓筒上，作為傳輸介質(zhì)，達(dá)到遠(yuǎn)距離電能傳輸，如圖4 所示。

　　圖4 遠(yuǎn)距離傳輸

　　本系統(tǒng)通過智能切換傳輸方式，達(dá)到穩(wěn)定的高效傳輸電能。次級(jí)在初級(jí)等效電阻與距離的關(guān)系如圖5，z 為阻抗，L 為距離，只有在L0 的位置等效阻抗為最小。根據(jù)此原理，當(dāng)接收距離遠(yuǎn)離L0 時(shí)，阻抗增大，初級(jí)電流減小，通過霍爾電流傳感器采集初級(jí)輸入電流大小，判斷模式的切換。

　　圖5 次級(jí)在初級(jí)等效阻抗

　　2.2 恒流源電路

　　恒流源系統(tǒng)主要由DC/DC 正激變換電路和MCU 控制電路組成。正激變換電路為L(zhǎng)ED 恒流驅(qū)動(dòng)源，如圖6。逆變器輸出經(jīng)整流濾波后以芯片L7824ACV 作穩(wěn)壓，為DC/DC 變換電路提供+24 V 輸入。該結(jié)構(gòu)的恒流源具有高精度輸出的特點(diǎn)，其輸出功率取決于變壓器參數(shù)的選擇，一般能達(dá)32 W 以上，滿足大多數(shù)人LED 照明應(yīng)用場(chǎng)合的功率要求。

圖6 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路

　　該電路采用TL494 作恒流控制芯片， 開關(guān)頻率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）設(shè)定，通過電位器R4 調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，其電流輸出誤差可《1%。圖6 中，RS 為電流取樣電阻； R3 為反饋電壓采樣電阻，用來限制最大輸出電壓。當(dāng)輸出電流變化時(shí)，引腳2（1IN-）的電位也隨之變化，通過TL494 內(nèi)部誤差放大比較以后改變PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比， 實(shí)現(xiàn)輸出電流的負(fù)反饋調(diào)整。單片機(jī)通過A/D 采集光電池電壓， 進(jìn)行判斷后輸出PWM 經(jīng)過低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準(zhǔn)電壓來改變輸出電流大小， 達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)LED 發(fā)光強(qiáng)度的目的，其中運(yùn)放作的電壓跟隨器起隔離和增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的作用。調(diào)節(jié)R2 可改變基準(zhǔn)電壓與輸出電流的比例關(guān)系。L1、D3 為磁泄放繞組，以防止變壓器初級(jí)線圈磁飽和，使在開關(guān)管關(guān)斷期間能為初級(jí)線圈提供磁復(fù)位。由于TL494 驅(qū)動(dòng)能力有限，所以通過三極管推挽輸出，增加TL494 驅(qū)動(dòng)能力。

　　表1 為以輸出16 W 為例的DC/DC 變換電路實(shí)物測(cè)試結(jié)果，證明了該恒流源能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率和高精度的電流輸出。

　　2.3 諧波補(bǔ)償系統(tǒng)

　　2.3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　諧波補(bǔ)償系統(tǒng)硬件主要由有源電力濾波器（APF）完成，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。本文采用TMS320F2812 型號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為核心控制和信號(hào)處理單元。調(diào)理電路主要有電流/電壓傳感器信號(hào)放大、整流，抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負(fù)載端三相電流，通過信號(hào)調(diào)理電路送入DSP 經(jīng)A/D 采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅(qū)動(dòng)逆變器對(duì)諧波電流作相應(yīng)的抵消， 以電流傳感器2 采樣輸出的補(bǔ)償電流作反饋調(diào)節(jié)。逆變器直流母線電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器變換供給DSP 的內(nèi)部A/D 采集，通過算法控制其直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。三相電壓信號(hào)的過零點(diǎn)作為過零觸發(fā)信號(hào)，作為每個(gè)周期軟件處理清零和起始信號(hào)。

　　圖7 諧波補(bǔ)償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.3.2 諧波電流萃取算法

　　1）三相瞬時(shí)無功功率原理

　　該補(bǔ)償系統(tǒng)軟件部分主要包括諧波電流萃取算法，采用目前常用的三相瞬時(shí)無功功率理論（亦稱ip-iq 算法）。該檢測(cè)法通過某一轉(zhuǎn)移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip 和iq 電流分量有機(jī)地結(jié)合起來，并以此為出發(fā)點(diǎn)可以分別得到三相電流諧波和無功電流，其表達(dá)式為：

　　通過低通濾波器（LPF）可將對(duì)應(yīng)基波電流的分量分離出來，由于ipf，iqf，可由基波分量iaf，ibf，icf 變換得到，因而ipf，iqf，經(jīng)反變換即可得到三相電流中的iaf，ibf，icf 即：

　　當(dāng)要求同時(shí)檢測(cè)出諧波和無功電流時(shí)， 只需忽略計(jì)算ip的通道， 由ipf 計(jì)算出被檢測(cè)電流的基波有功分量iapf ， ibpf ，icpf，即：

　　將ia，ib，ic 與iapf，ibpf，icpf 相減，即可得出ia，ib，ic 的諧波分量波和基波無功分量。

　　2）仿真結(jié)果

　　文中基于DSP 編譯環(huán)境CCS3.3 的仿真模式對(duì)該算法進(jìn)行仿真，假設(shè)原三相輸入電流為相位差120°的50 Hz正弦波，并以單相被削波失真為例說明。圖8（a）為單相削波失真波形，根據(jù)總諧波畸變率（THD）計(jì)算式：其中Ih 為各次諧波電流的有效值，I1 為基波電流有效值， 對(duì)波形作頻譜分析可計(jì)算得該相初始電流為12.2%。圖8（b）為經(jīng)算法提取諧波后的基波波形，經(jīng)三相瞬時(shí)無功功率算法濾波后，諧波電流基本消除，原始波形被還原。

　　圖8 三相瞬時(shí)無功功率算法消除諧波

　　3 結(jié)論

　　該系統(tǒng)沒有電線的限制，LED 可以在無線供電接受范圍內(nèi)任意安裝，并通過光電傳感器自動(dòng)感光來調(diào)節(jié)LED 亮度。同時(shí)利用有源電力濾波器諧波補(bǔ)償技術(shù)， 設(shè)計(jì)出與無線驅(qū)動(dòng)模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統(tǒng)運(yùn)作中的高次電流諧波，降低輸電網(wǎng)的總諧波失真。本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到家居、車載、場(chǎng)景或景觀LED 照明中，有效地提高照明分布的靈活性，節(jié)約電能和減小光污染，并改善電能質(zhì)量，有著廣泛的應(yīng)用前景。