LEO路灯驱动及智能调光系统的研究与设计

张波 曹丰文 汪义旺

(苏州市职业大学电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

1 引言

LED被认为是绿色的第四代光源，是一种固体冷光源，具有高效、寿命长、安全环保、体积小、响应速度快等诸多优点，目前已经在城市景观装、交通信号与商业广告上广泛应用。近年来随着制造工艺的不断发展，大功率高亮度LED性能不断提升，价格不断下降，目前达到同样的明明效果，LED的耗电量大约是白炽灯的1/10，荧光灯的1/2［2］。这些都使得其开始应用于一般照明中，而且很有发展前景，大有取代白炽灯和荧光灯这些传统光源的趋势，世博会上LED灯的应用可以说代表着这个方向。LED调光可以节能，高亮度白光LED的驱动和调光是近年来研究的热点，本文在这方面进行了些研究，并设计了一款带有功率因数校正的LED路灯驱动和智能调光系统。

2 LED特性、驱动要求及调光方式

LED的理论光效为300lm/W。目前实验室水平达260lm/W，市场化水平在120lm/W以上。高亮度LED的一般导通电压约为3.0～4.3V，但其核心仍是PN结，其伏安特性与普通二极管相同。当加在LED上电压小于其导通电压时，LED上几乎没有电流通过。但当LED导通后，其正向电流随正向电压按指数规律变化，很小的电压波动就会引起很大的电流变化。在导通区电压从额定值的80%上升到100%，电流则从其额定值的0%上升到100%。

图1是LED相对光通量和其正向电流IF的关系图。图中可以看出LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可能通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。LED若采用恒压源驱动，很小的电压变化将引起很大的电流变化，因此恒压驱动只适用于要求不高的小功率的场合下。在要求高的场合和大功率的场合下LED都要采用恒流驱动。研究表明，LED发光亮度随工作时间下降，亮度下降后光效随电流的增加而减少，LED的亮度与驱动电流成饱和关系。LED的电流达到其额定电流的70%～80%后，很大比例的电流转化成了热能，因此LED的驱动电流宜为工作电流额定电流的70% ～80%［6］。在恒压驱动或 PWM调光中，最大电流不宜超过最小电流的3倍，否则的话冲击电流会大大减少LED的使用寿命［8］。目前来说市场化单个LED的功率都不大，大都在10W以下，实际用于照明是把多个LED按一定方或串并联之后形成LED阵列。

图1 LED相对光通量与正向电流关系

从图1也可得出，改变LED的电流即可改变LED的亮度。改变电流有两种方式，相应的LED调光也有两种方式。一种是连续调节LED中电流的大小来改变LED的亮度，这种方式称之为模拟调光，通过LED中的电流是连续的;另一种是通改变LED流过电流的时间与关断的时间之比来改变LED的亮度，LED流过电流时电流是恒定的，关断时流过LED的电流为零，这种方式称为PWM调光，它是通过人眼察觉不到的频率快速的开关LED，开关频应不小于100Hz。两种调光方式当流过LED中的平均电流相同时，其效果是一样的。由于LED在某一大小特定的电流时会发出最纯的白光，随着电流偏离这个值，会有色偏［14］。另外，LED的响应时间只有几纳秒到几十纳秒，很适合频繁开关的场合，所以LED调光以PWM调光方式好，此外这种方式还有利于 LED 散热［4］。

3 LED驱动电路

3.1 LED驱动电路分类

从LED的驱动供电可将其驱动分为AC/DC型和DC/DC型，而LED要求直流供电，AC供电时要把交流转化成直流后再驱动LED，所以我们只要研究DC/DC型即可。DC/DC型的 LED的驱动方式可分为电阻限流型，线性稳压电源型，电容电荷泵电路和电感开关变换电路。电阻限流将电阻和LED串连，通过电阻的分压限流和驱动LED灯，这种方式控制精度不能保证，同时有大量电功率浪费在电阻上，只在要求不高的低压场合下使用。线性稳压电源精度比电阻限流型高一些，但同样存在效率低的问题，实际中用的也不多。实际中用得多的是电荷泵电路和电感式开关变换电路。

电荷泵电路利用电容对电荷的累积效应储存电能，把电容作用能量耦合元件，通过控制电力电子器件高频的开关进行切换，在时钟周期的一部分时间内让电容储能，在时钟周期的剩余时间内电容释放能量。这种方式是通过电容的充电和放电时的不同连接方式得到不同的输出电压。电感式开关变换电路又称为开关电源，是通过控制功率开关管导通与关断的时间关系来改变输出电压的，电感和电容一般作为滤波元件，使输出稳定。相比较而言电荷泵型使用元件少，成本低，体积小，但其使用的开关元件多，效率相对低些，输出电压在输入电压的1/3～3倍这个变化范围，输出功率较小，所以其多用在小功率场合下;而开关电源开关元件相对较少，效率高，可实现大范围的电压输出，且输出电压连续可调，输出功率大，因此适用范围更广，特别在中大功率场合下是首选。开关电源的拓扑很多，LED驱动电路中用得多的有Boost电路，Buck-Boost及Buck电路。

3.2 基于HV9931的LED路灯驱动电路设计

LED驱动的芯片目前已经有一些了。LED路灯相对来说功率较大，而且是通过市电交流供电的，国家规定，功率达到一定值时要有功率因数校正装置，此外设计的LED路灯要有调光功能以节能。基于上述考虑，这里选用 Supertex公司的HV9931作用驱动芯片。HV9931是种的8引脚的PWM集成控制器，有如下功能与特点:(1)输出电流恒定，适用于LED恒流驱动;(2)允许大范围的8～450V的大范围的直流输入电压，且有较大的降压比，因此用市电供驱动LED灯时可不用变压器;(3)有功率因数校正功能，能获得单位功率因数和低输入电流谐波，达到国家规定，环保;(4)有PWM调光和模拟调光功能，驱动LED时可方便地实现调光控制，符合节能要求;(5)振荡器有固定频率和固定关断时间两种工作方式。

图2 基于HV9931的LED路灯驱动电路

驱动电路如图2所示，为开关电源驱动方式。主电路是一个单级单开关的非隔离恒流输出的Buck-Boost-Buck电路。由 L1、C1、D1、D5和 Q1组成的Buck-Boost电路是输入级，工作于不连续导电模式;由C1、Q1、D2、D4及 L2组成的 Buck电路是输出级，工作在连续导电模式下。两级共用一个功率开关管 Q1，电容C1对输入级相当于负载，对输出级相当于直流电源。系统降压比为两级降压比之乘积，这样由市电供电不需要变压器就能实现较低的电压输出。开关Q1导通时，输入级Buck-Boos电流路径:整流电压→D1→L1→Q1→Rs1，L1中电流线性增加，输出级Buck电路电流路径为:C1→Q1→Rs2→LED→L2，C1提供能量;Q1关断时，输入级电流路径:L1→C1→D5→D1，L1中的能量转到C1中，由于D1存在，L1电流不能反向，L1电流降为0后电流断续;输出级电流路径:L2→D4→LED，由于参数设置不同，L2中电流不仅不会变为0，而且波动相对比较小。

电路工作于峰值电流模式下，振荡器使GATE输出高电平，使Q1通导通;CS1和CS2端子分别是HV9931内部的两个电压比较器的反向输入端，两个比较器的同向输入端在芯片内部接地，电路通过CS1和CS2端子同时检测输入电流和输出电流，CS1是输入电流信号检测端子，CS2输出电流信号检测端子，这两个端子只要有一个端子上的电压比地低，GATE端子就输出低电平，Q1就关断。VDD是芯片的基准电压输出引脚，Rs1、Rcs1和Rref1可编程设定 L1中的最大峰值电流，Rs2、Rcs2和Rref2可编程设定输出电流。在交流电的周期内可认为占空比和开关频不变，故输入电流峰值包络线为正弦波，平均电流为正弦波，可实瑞功率因数校正。C2为输入电容，用作高频旁路，若用大电容则电路丧失功率因数校正功能。RT对应着内部振荡器，有两种接法，分别设定恒定工作频和恒定的关断时间，图中采用的是恒定的关断时间的接法。PWMD引脚为数字调光信号输入引脚，该引脚为高电平时电路正常工作，该引脚为低电平时GATE引脚始终输出低电平，开关管Q1断，驱动电路不工作。

4 智能调光装置

设计的系统若能根据环境光照的强弱来改变自身亮度，则会相应的节能，符合当前低碳生活的要求。环境光线最差时，设计系统调光信的PWM占空比接近100% (为不致使温度上升过高，留一定裕量)时使LED最亮满足照度要求;当环境光照变化时会根据外部光照的强弱自动改变调光信号的PWM的占空比，使LED相应的暗一些，但照度满足要求;另外，在深夜人比较少时可适当降低亮度。实现这一要求要有一个好的光强度传感器。光敏电阻线性度差，频率响应低，光敏三极管灵敏度高，但温度特性和线性度差［12］。系统设计选用TLS2561作为光电强度传感器。TLS2561接近人眼对亮度的反应，能直接将光强度信号转化成数字信号输出，有可编程中断功能和标准的I2C接口，能方便地与单片机相连。单片机选用微芯公司的PIC16C62。这种单片机性能稳定，带有PWM输出，能方便地实现I2C总线通信。光强度传感器TLS2561将光信号转换成数字信号传送至单片机，经单片机处理产生调光的PWM信号，调光PWM信号送至HV9931的PWMD端，以实现PWM调光。调光部分如图3所示。

图3 调光系统框图

系统还设计还考虑到的温度的影响。LED在相同电流下，随着PN结温度的升高光通量将降低，同时还会影响LED使用寿命。所以系统中还加入的温度传感器，温度信号同样送至 PIC16C62处理，也会影响到其输出的PWM调光信号的占空比。这个不是本设计的主要问题，不详细叙述。

5 实验结果

系统设计功率为72W，采用72个1W的高亮度LED灯每24个串联后再并联而成。输出最大光强时设计PWM调光信号占空比为90%，此时测得LED中总电流平均值为932mA;LED驱动电路工作时开关管工作频率为100k Hz，驱动电路效率为75%，输入电流THD小于20%，功率因数大于0.9，光电转换效率约95lm/W;调光用PWM信号频率为120Hz，比不用智能调光电路时约节能9%。图4给出了调光PWM占空比为50%时LED中的电流波形。

图4 调光PWM占空比为50%时LED中的电流波形

6 结论

本文设计的LED路灯驱动电路采用市电供电且不用电源变压器，驱动电路体积大为减少。驱动电路实现恒流驱动的同时带有PFC功能，符合当前绿色环保的要求，而且驱动电路转换效率高，电路较新颖;智能调光电路采用PWM调光方式，LED发出较纯的白光，不产生色偏。智能调光电路节能效果较为显著。设计的实际电路有较好的前景与市场，不足之处在于成本略高，但随LED制造工艺的不断改进和驱动调光电路研究的不断深入相信这个问题会得到很好的解决。

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