一种自适应LED路灯电源控制系统

 LED照明具有突出的节能、环保、长寿命等优点，成为各国相继大力推广的未来照明应用技术之研制替代传统照明技术的LED路灯，需解决许多技术问题：光源的有效封装与散热问题、二次配光问题、稳定可靠的电源控制系统问题等。光源的有效封装与散热主要解决LED的出光效率和光源的使用寿命问题；二次配光解决主观和客观的因素，涉及行为学、心理学等诸多领域的知识，其中光舒适性是物理量与心理量相结合的综合性指标。 简单地说，二次配光就是要解决光照的适宜照度分布、适宜环境照度、适宜墙面照度、亮度的均匀度、防止眩光、光源的色温与显色性等问题。电源控制系统解决LED照明驱动、效率和稳定性问题。1据我们所知，当前LED路灯出现的故障问题，80%以上是由电源控制系统造成的，影响了LED路灯的使用寿命。因此研制高效、稳定、可靠的电源控制系统是降低LED路灯故障率的一种有效方法。 根据LED的伏安特性曲线，微小的电压变化会引起电流的较大变化，导致LED发光亮度的较大变化。由半导体器件的负温度特性，在输入电压不变的情况下输入电流的增加，导致发热量的增加，造成LED的温升，并形成一个正反馈，严重时会导致系统失效，烧毁电路。因此，大功率LED驱动电源主要采用恒流驱动。本文设计一种自适应LED路灯电源控制系统，亮度传感器用以感知环境的亮度，时钟万年历预设使用环境的启、关路灯时间段，根据地域及季节的不同灵活设置；控制系统具有温度检测及故障检测功能，在温度过高时输出电流自动下调，减少功耗降低温度，延长路灯的使用寿命；本自适应电源控制系统在世博园区LED路灯道路照明应用中收到良好的效果。 2自适应LED路灯电源控制系统设计2.1高功率LED路灯结构世博园区道路照明的LED路灯采用1瓦的LED芯片由7串6并构成，要求路灯正常工作电压范围10%，恒定电流为2A，系统效率大于85%，功率因素超过90%. 2.2自适应LED路灯电源控制系统据我们所知，目前广泛采用的LED电源控制主要有源PFC升压变换器+DC/DC变换器两级方案，两级PFC变换器使用两个开关和两个控制器（一个功率因数控制器和一个PWM控制器）。这类方案电路复杂、效率低、成本高，其电源的*高效率无法达到82%左右，无疑影响了LED节能的效果。此外，LH）路灯在工作过程中不可避免会出现某个LED烧掉使得该串LED中的电流降为零，导致流过其它几路LED的电流超过其安全使用范围，缩短LED路灯的使用寿命。 考虑上述因素，本文设计了一种自适应LED路灯电源控制系统，采用单级带PFC功能隔离反激式LED路灯恒流控制，以提高电源的效率；采用在线故障检测电路，实现任何一个LED灯烧坏而保证其它电路的输出电流下降到安全范围之内，延长LED使用寿命。整个系统的构成如所示。 电源控制系统图一个PFC单管反激开关电源电路取代了由PFC升压变换器和DC/DC变换器二级电路，精简了电路结构、相应地提高了电路效率。电源驱动采用有源PFC控制芯片L6562为基础进行设计，将BOOST升压电路改进为BOOST-BUCK型隔离反激式开关电路。控制电路以STC公司的STC12C5406AD芯片为核心，加上外围的光传感器，温度传感器，万年历芯片及故障检测电路，可以智能化地调整输出电流，控制亮度。此芯片以MCS-51为内核，自带有八路AD输入端口，两路PWM输出端口，外围接口电路非常简单。 L6562芯片是电流式PFC控制器，启动电流70uA，工作电流4mA，内部的高线性乘法器中嵌入了AC输入电流总谐波失真（THD）*优化电路，能有效控制AC输入电流的交越失真和误差放大器输出纹波失真，能在宽范围的AC线路输入电压和一个大的负载范围内提供非常低的THD及高次谐波成份。 3电路原理及实现3.1电路原理传统工作在过渡模式下的电流型开关电源芯片的输出电压为Uo=UinTon/（TpN）（Uin为输入线电压，Ton为开关管导通时间，Tp为开关周期，N为初级匝数Np/次级匝数Ns）P.初级峰值电流Ton/Lp（Lp为变压器初级电感量XPFC电路的输入电压为正弦波，要使输入电流也为与之同相的正弦波，则Ton应该不随Vin而变。要达到恒流恒压输出的目的，Ton应该由反馈的恒流或恒压信号决定。因此PFC控制器的导通时间由反馈信号决定，关断阈值电流由输入电压Vin决定。Vin决定了输入电流的波形为正弦波，反馈信号决定了正弦波的振幅。这样就可达到恒流或恒压输出且输入电流为正弦波的目的。 根据此原理，本电路设计的电路原理图如效率：85%r6.功率因素：大于90%Ip- 3.3变压器设计变压器设计电源控制系统的关键部分。为电源系统的输入电流波形。要使输入电流波形与输入电压同相的正弦波，由的电路原理可知在一个半波周期内MOS管导通时间为常量，关断时间变压器初级电感量Lp的确定。开关频率越高，变压器磁芯上的损耗也越大。将输入电压*高时的峰值处的开关频率限定为100kHz，将可以有效控制住变压器磁芯的损耗。据此设定原边的电感量Lp为：（Vor为次级反射回初级的电压）变压器初级匝数Np的确定。根据法拉第定律电感两端的感应电压Uin=da>/dt，）为总磁通量=NpBSm（B为磁通密度）。dB=Uindt/（NpSm），dt为导通时间Ton，则Np=UinTon/（dBSm）UinTon为开关管导通一次产生的总磁通量，等于IpLp.Ip的*大值发生在输入电压*低时的峰值处，此时不应该进入磁饱和状态。对PC40磁芯而言，dB应该小于0.3特斯拉，为可靠起见，本电路将*大磁通密度设定为0.2特斯拉。*大峰值匝数比N及次级匝数Ns的确定。匝数比由次级反射回初级的电压Vor决定。在本电路中将反射电压取为200V.匝数比=Vor/Vo=200/25=8.次级阻。 初级*大电流有效值Irms的计算及线径的选择。在输出功率*大输入电压*低时初级电流有效值*大。丨rms=Po/（Vacri）=48/（1870.85）线径的选择按照经验公式d=0.5 =0.27mm.这是初级线径的*小值。 次级电流有效值Isrms的计算及线径的选择。次级输出的平均电流为2A，在电流波形为三角波时其有效值将大于平均值，约为它的1.6倍。 >/i=0.5=0.9mm.这是次级线径的*小值。 初级辅助绕组匝数Naux的选择。辅助绕组的输出电压供电给Vcc，Vcc的工作电压范围为10~22V.因此当输出电压为24V时，辅助绕组的输出电压*好在工作电压范围的中下位置，在保证正常工作的同时尽量减少功耗，取为13V，则初级辅助绕组阻数Naux=Ns13/24=4匣。 4控制程序设计控制程序的流程如所示。控制芯片在上电和复位的时候，先执行初始化程序，然后依次执行各功能模块。当程序执行到*后，再循环返回到初始化之后。每次循环中都要将看门狗定时器复位。这样在程序受到干扰出错的情况下能够自动恢复，避免出现死机现象。 主循环每lms执行一次，每次都从万年历芯片DS1302中将时间读回。DS1302在正常工作时由电网供电同时给电池充电，停电时由电池供电。由于其工作电流只有400nA，电池使用寿命很长。控制芯片通过同步串行接口与其通讯，读出当前时间。 温度、亮度及故障检测通过读取AD采样值来完成。为减少干扰，软件采用对间隔为lms的16次采样值取平均后作为*终的采样值。这样即使有干扰，其所占的权重也仅有1/丨6，不足以影响结果。 亮度控制通过控制芯片输出的一个PWM信号来完成。控制芯片根据现场的情况输出一个可分为256级的PWM信号，经过一个二阶低通滤波网络变成直流信号控制输出电流的阈值。输出电流值通过一个0.1￡1的电阻采样获得。在2电流时采样电压值为0.2V，此时其上的功耗只有0.4瓦。 RS232通讯接口直接与电脑相连>也可通过附加的Zigbee网络实现数据的远程传输及控制，为下一步的网络无线遥控作准备。 4电源控制系统测试在验证LED路灯电源控制系统性能上，本文采用额定负载条件下测试系统的功率因数、效率以及输出电压、电流等参数。电源系统工作半个小时后，前端MOSFET温度约为35.8C，后端MOSFET约为41.6C，变压器约为34C.测试结果如表1所示。Vin（min）和Vin（max）是驱动电源能够正常输出24V/2A时*小和*大的输入电压。 表1电源控制系统性能测试表输入电压（V）功率因数输出电压（V）输出电流（A）效率为电源控制系统的输入电压、电流的实测波形，橙色线为输入电压波形，蓝色线为输入电流波形。输入电流为非尖脉冲、近似于电压的正弦波形，而实测的功率因素在97%以上。 为变压器次级与辅助绕组的电压输出波形类似，频率为100Hz的平顶正弦波，平顶显示输出电压为常量，正弦波底显示输入电压为正弦波。 由可见，输出电压的纹波很小，满足了设计要求。根据这些测量数据可知，此电路在很宽的输入电压变化范围之内都具有很好的恒流特性，完全可以满足LED恒流驱动的要求。实现了高效恒流的要求。 平均顶f春平均菌漤前屏g承保存的电压输出波形5结论本文设计的自适应LED路灯电源控制系统，与传统的两级电源驱动系统相比，具有效率高、成本低、稳定性强等优点，能根据故障现象、温度条件自动调整输出电流保证LED稳定工作。该电源控制系统在世博园区LH）道路照明应用中收到良好的效果。 此外，本文开发的LED路灯电源控制系统还具有Zigbee无线远程控制的能力，通过系统控制芯片实现与Zigbee通讯，完成集散控制。