混合供電LED戶外照明驅(qū)動器設(shè)計(jì)

姜俊旗

1 引言

LED作為第四代新型光源，具有低電壓供電、節(jié)能、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。其良好的抗震性能和適宜的數(shù)字化調(diào)光控制也是其他光源所無法超越的。太陽能是一種綠色環(huán)保、零使用成本的能源，通過光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)電，而LED通過電光轉(zhuǎn)換而發(fā)光，這兩個過程是互逆的綠色轉(zhuǎn)換過程，使得太陽能電池技術(shù)與LED照明燈具成為天作之合，具有極高發(fā)展價(jià)值。隨著LED在發(fā)光效率和熱阻方面的大大降低，其在照明市場將逐步廣泛展開。但是目前太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化的電能還不足與應(yīng)對多變的室外環(huán)境，因此太陽能發(fā)電與市電混合供電仍然是目前主流的方式，由于市電和太陽能蓄電池的電壓以及電流屬性的不同，因此必須高效的驅(qū)動設(shè)備保障太陽能發(fā)電的壽命和市電混合使用的智能管理。由于多變的戶外環(huán)境，太陽能的利用率將受的限制，市電的電壓的不穩(wěn)定以及雷電感應(yīng)、電網(wǎng)負(fù)載啟停產(chǎn)生的浪涌等不可預(yù)測的環(huán)境因素導(dǎo)致驅(qū)動電源的壽命在4000H-6000H，本應(yīng)用將著重混合供電在高效長壽命的驅(qū)動電源設(shè)計(jì)方面進(jìn)行研究。

2 設(shè)計(jì)方案

目前LED驅(qū)動器的可靠性較低，制約著LED在照明領(lǐng)域的發(fā)展，尤其太陽能發(fā)電和市電混合供電的驅(qū)動器，雖然其只占整個LED照明系統(tǒng)的成本為1/10左右，但是卻是照明系統(tǒng)運(yùn)作的指揮中樞，其對電流、溫度等因素的實(shí)時(shí)反饋控制，保障著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。由于大功率LED電流和電壓關(guān)系同環(huán)境溫度和生產(chǎn)工藝有關(guān)，在電壓模式下容易產(chǎn)生電流失控，因此一般采用恒流驅(qū)動。

為實(shí)現(xiàn)與LED的匹配，必須從以下幾點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)：

2.1 恒流控制

由于LED正向工作時(shí)的結(jié)電壓相對變化區(qū)域很小，因此保證驅(qū)動電流的恒定就保證了LED產(chǎn)生恒定的亮度。面對蓄電池電壓的不斷下降和公共電網(wǎng)的電壓供應(yīng)不穩(wěn)定和恒流輸出避免產(chǎn)生超功率輸出以降低LED使用壽命。產(chǎn)生恒流源的一般方法為：

采用PWM開關(guān)電源方式，在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過的被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件導(dǎo)通脈沖寬度使得被控制信號穩(wěn)定。一般PWM開關(guān)頻率為恒定值，取樣信號為其各項(xiàng)參數(shù)的峰值。

2.2 抗浪涌性

LED具有較差的抗浪涌能力，因此電源設(shè)計(jì)必須能夠抑制浪涌的入侵。雷電感應(yīng)、電網(wǎng)負(fù)載啟停都可產(chǎn)生的浪涌，尤其雷電感應(yīng)產(chǎn)生的廣譜無線電波，使電線成為良好的接收天線，由于是兩根電源線，因此將產(chǎn)生共模干擾信號，信號強(qiáng)度可達(dá)數(shù)千伏，接地電容極易被擊穿，同時(shí)兩根電線對地的瞬間阻抗不同而產(chǎn)生高達(dá)3000伏的差模電壓，可輕松擊穿驅(qū)動電源的整流二極管和線路板不同極性電極間的電氣間隙。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須加入浪涌保護(hù)器：

根據(jù)區(qū)域雷電的發(fā)生頻率采取不同級別的保護(hù)，南方多雷雨天氣需要3級以上的保護(hù)，而北方少雷區(qū)地區(qū)一般采用2級以上就可以。開關(guān)型浪涌保護(hù)器具有較好的瞬時(shí)突變能力，因此具有較好的泄放能力。

2.3 高功率因數(shù)

由于電網(wǎng)的輸入阻抗呈容性，而大量整流電路造成電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差，輸入電流呈脈沖狀，產(chǎn)生高次諧波，諧波分量很高，嚴(yán)重干擾電力系統(tǒng)。LED在路燈照明。一般采用主動式PFC有源功率因數(shù)調(diào)整，它通過高頻電感線圈、開關(guān)電子管、高壓濾波電容以及控制芯片等元件，組成一個可以將輸入電壓提高的電路，通過升高輸入電壓來減少電流在流向下級電路中的電能損耗，具有體積小，輸入電壓寬以及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，功率因數(shù)可達(dá)99%。

2.4 良好抗EMI性

開關(guān)電源是一個很強(qiáng)的騷擾源，它來源于開關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復(fù)，很強(qiáng)的電磁騷擾信號通過空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。除了功率開關(guān)管和高頻整流二極管外，產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。

要抑制傳導(dǎo)干擾相對比較容易，只要使用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，就能將其在電源線上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)。要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，則濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。

開關(guān)電源同時(shí)存在著共模干擾，差模干擾并以共模干擾為主，設(shè)計(jì)時(shí)，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kH。

開關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結(jié)構(gòu)，用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

2.5 良好IP防護(hù)性

由于處于室外的惡劣環(huán)境，要保證電路能夠正常溫定的工作必須做好相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)，以及電線接頭的有效防護(hù)，同時(shí)要保證器件的良好散熱和持續(xù)有效性。目前我國路燈的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為IP65，由于LED電源驅(qū)動的放置部位有兩處可以選擇，一是LED燈具一體化，二是放置于燈桿的電源盒。因此上述的情況都應(yīng)予以考慮。以充分保障其壽命同LED燈具的良好匹配。

2.6 太陽能充電保護(hù)

為保障太陽能蓄電池使用壽命，使其工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。整個保護(hù)電路由過充和過放保護(hù)兩部分組成，過充電路提供充電控制功能及充電溫度補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂齐娐泛统潆姽ぷ鳡顟B(tài)控制邏輯電路，電壓控制環(huán)路來調(diào)節(jié)充電電流和充電邏輯控制狀態(tài)的開關(guān)充電控制電路，同時(shí)必須提供光電檢測電路，由于對蓄電池的充電具有主次次序的，在太陽能電池?zé)o法完成有效的充電時(shí)，才進(jìn)行充電電路的切換，使其處于較飽和狀態(tài)，以保障蓄電池的使用壽命；過放電路是為被充電電池提供足夠充電電流的功率輸出級電路。

3 結(jié)論

隨著我國節(jié)能環(huán)保型社會的不斷深入，政府引導(dǎo)的LED道路照明示范項(xiàng)目不斷擴(kuò)大，LED光效的不斷提高和價(jià)格的不斷下降，LED戶外照明市場將穩(wěn)步擴(kuò)大，混合供電LED驅(qū)動電源將成為產(chǎn)業(yè)的重要收益部分，因此希望通過不斷的實(shí)踐研究，以使其能夠共同為LED照明產(chǎn)業(yè)進(jìn)步作貢獻(xiàn)。

[1]紀(jì)愛華,周志敏.白光LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例.

[2]馮垛生,張淼,趙慧,林珊.太陽能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用.

[3]俞安琪.采用LED光源的道路燈具應(yīng)關(guān)注的焦點(diǎn).

[4]白建雄.EMI濾波器的設(shè)計(jì)以及對輻射EMI的抑制.