基于蓄電池供電的自適應(yīng)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(shè)計。以Boost為功率電路拓撲結(jié)構(gòu)，通過合理地安排LED陣列，提高了照明的可靠性。本電路設(shè)計可以同時對LED進行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)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(chǎn)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(lǐng)域應(yīng)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(qū)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(qū)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(jié)溫的升高，流過LED的電流會越來越大。所以，如果驅(qū)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(qū)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(guān)，所以控制LED的驅(qū)動電流，其照度也將得到控制。

1 系統(tǒng)設(shè)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(shè)計可以同時對LED進行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)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(chǎn)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(dān)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(dāng)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(shè)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(zhuǎn)換成電壓，控制器通過開關(guān)管的開通與關(guān)斷，能夠?qū)崿F(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(diào)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(diào)光?；谝陨纤悸?，對LTC3783進行應(yīng)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(jīng)分壓接入FBP正反饋端，再以可調(diào)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(biāo)值，只需調(diào)節(jié)可調(diào)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(yīng)用創(chuàng)新，實現(xiàn)了對LED進行模擬調(diào)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(shè)計電路。

再結(jié)合控制器本身的特性，本電路設(shè)計還可以對LED進行數(shù)字調(diào)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(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

(1)當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(diào)試時，只需調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2便可實現(xiàn)恒定的電流目標(biāo)值，占空比會由控制器自行調(diào)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(shè)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(shè)計，通常都是設(shè)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(diào)光至10mA電感電流仍然連續(xù)，取值如下：

考慮一定的裕量，最終選取電感量為1.5mH.如果電感量選取過小，易導(dǎo)致當(dāng)負載功率較大時，設(shè)計電路輸出功率不足，無法使負載正常工作。

1.3恒流控制

實際上，變換器的輸出電流不是完全恒定不變的，而是具有一定的紋波，如圖5所示。MOS管開通時輸出電流上升，關(guān)斷時下降。這里的控制策略就是當(dāng)輸出電流達到設(shè)定上限時，將MOS管關(guān)斷，使得電流下降，直到下一個LTC3783控制器內(nèi)部的觸發(fā)脈沖(頻率即為45kHz)到來時產(chǎn)生驅(qū)動信號將它再次開啟。具體所設(shè)置的電流可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻實現(xiàn)。

由于直接對輸出電流進行采樣形成反饋，所以不論LED的V-I特性發(fā)生什么變化，都能由反饋形成調(diào)整，維持輸出電流不變。

2實驗結(jié)果

圖6(a)中的上波形是輸出電壓，下波形是開關(guān)管驅(qū)動波形，圖6(b)是與之相對應(yīng)的采樣電阻輸出電壓波形，該波形中的尖刺是寄生電感和電容等引起的噪聲。圖6中兩組波形是以12V蓄電池供電，以一個8串、每串20顆LED的陣列為負載的實驗波形。

與前面計算的理論值：占空比D：O.800~0.818相吻合。經(jīng)實驗，12V蓄電池供電下，以一個12串、每串12顆LED的陣列為負載，和以端電壓為24V蓄電池對以上兩種LED陣列進行供電時，占空比均與前面的理論分析值一致，并且能穩(wěn)定地工作。

因此證明了本系統(tǒng)對于大功率范圍內(nèi)的LED陣列，使用端電壓范圍從6-36V的蓄電池均能正常工作。而且，在對產(chǎn)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。

3結(jié)論

Boost電路不但能夠升壓，而且拓撲本身所需元器件少，有利于提高效率，非常適合需要以蓄電池對LED供電的應(yīng)用。通過對控制器LTC3783應(yīng)用創(chuàng)新，實現(xiàn)了對LED進行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。并且所設(shè)計的系統(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，而且對產(chǎn)品進行維護--需要更換LED或是在需要更換蓄電池時，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。