大功率太陽能LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

楊秀增　楊仁桓

摘 要： 針對(duì)大功率恒流電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太陽能LED照明路燈中的應(yīng)用，介紹了大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方法。并給出Boost開關(guān)電源工作原理及其驅(qū)動(dòng)電源元件參數(shù)的計(jì)算方法。對(duì)設(shè)計(jì)的電源進(jìn)行效率測試，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為92%。測試結(jié)果表明，該LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源具有較高的轉(zhuǎn)換效率，有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 太陽能路燈； LED； 恒流驅(qū)動(dòng)電源； 開關(guān)電源； XL6006

中圖分類號(hào)： TN86?34； TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0168?03

Abstract： Aiming at the application of the high?power constant current driving technology in solar LED street light， a design method of the high?power LED constant driving power supply is introduced. The working principle of Boost switching power supply and element parameter calculation method of its driving power supply are given. The efficiency of the designed power supply was tested. Its conversion efficiency is 92% while the step?up ratio is 1.4. The test results show that the constant current driving power supply of the LED street lamp has high conversion efficiency and a certain practical value.

Keywords： solar street lamp； LED； constant current driving power supply； switching power supply； XL6006

0 引 言

太陽能是人們公認(rèn)的清潔能量[1]。隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展和大功率LED生產(chǎn)工藝水平的提高，光伏太陽能LED路燈[2]作為一種高效、環(huán)保、節(jié)能、綠色照明[3]，在照明領(lǐng)域中得到推廣與應(yīng)用[4]。LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其壽命極易受到溫度影響[5]。為了延長太陽能LED路燈的使用壽命，要采用恒流驅(qū)動(dòng)電源[6]來驅(qū)動(dòng)太陽能LED燈。

針對(duì)大功率的恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太陽能LED路燈中應(yīng)用，本文介紹了大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方法與技術(shù)。本LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源具有轉(zhuǎn)換效率高，成本低廉等特點(diǎn)。

1 Boost開關(guān)電源工作原理

太陽能路燈采用的大功率LED燈，一般是由小功率的LED燈串聯(lián)而成；因此，在太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中，需要一個(gè)升壓式開關(guān)電源（DC/DC變換電路[5]）來驅(qū)動(dòng)大功率LED照明燈。升壓式開關(guān)電源的原理圖[5]如圖1所示，其中：L為功率電感；A1和A2構(gòu)成PWM調(diào)制電路；D為續(xù)流二極管；C為濾波電容；RL為電源的負(fù)載。圖2（a）為當(dāng)T閉合時(shí)的等效電路，圖2（b）為當(dāng)T 斷開時(shí)等效電路。在圖2中，當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感器上的電流的變化量相等， 根據(jù)電路知識(shí)可得到如下等式：

[UiTON=（Uo-Ui）TOFF] （1）

式中：TON為開關(guān)閉合時(shí)間；TOFF為開關(guān)斷開時(shí)間，令D1=[TONTS]，D2=[TOFFTS]；TS為開關(guān)周期，利用D1+D2=1關(guān)系式，可得到輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：

[UoUi=11-D1=1D2] （2）

分析可知電感紋波電流、開關(guān)頻率和電感之間的關(guān)系為：

[ΔiL1=1LfsUiD1] （3）

式中，電感器的紋波電流大小與輸入電壓Ui和占空比D1成正比，與電感量L和開關(guān)頻率fs成反比，它是選定電感量的重要的理論依據(jù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，得電感上的平均輸入電流如下：

[ILA=Io（1-D1）] （4）

式中：ILA電感上的平均輸入電流；Io為平均輸出電流。

2 太陽能LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

2.1 電路原理圖

圖3為LED路燈用的恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的電路圖。由圖3可知，本設(shè)計(jì)主要由XL6006芯片、微控制器、儲(chǔ)電池和一些外圍元件構(gòu)成。XL6006是一塊高效升壓型開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部集成了功率開關(guān)管，具有電源轉(zhuǎn)換率高和外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)，是理想的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。L為大功率儲(chǔ)能電感器，D1為開關(guān)電源的續(xù)流二極管，當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開關(guān)管閉合時(shí)，XL6006第3引腳接地，二極管D1反偏截止，電感器中的電流線性增大，電感器儲(chǔ)能；當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開關(guān)管斷開時(shí)，XL6006第3引腳懸空，二極管D1正偏導(dǎo)通，電感器中的電流流向負(fù)載LED。ST15W401為一片單片機(jī)，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器和PWM控制器，R1和R2為分壓電路，儲(chǔ)電池的電壓通過分壓電路分壓之后，輸?shù)絾纹瑱C(jī)的第1腳。RS為電流取樣電阻， D3和RF為開關(guān)電源的功率控制路，控制太陽能路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源輸出功率。

2.2 電路參數(shù)的計(jì)算

在計(jì)算PWM占空比D1時(shí)，按輸入電壓為12.5 V，輸出電壓為24 V計(jì)算，所以根據(jù)式（2）可以計(jì)算此驅(qū)動(dòng)電源的占空比D1為：

[D1=Uo-UiUo=24-12.524≈0.479] （5）

在計(jì)算電感器的平均電流ILA時(shí)，按輸出的電流為1 A計(jì)算，根據(jù)式（4）可計(jì)算出電感器的平均電流（單位為A）：

[ILA=Io1-D1=11-0.479≈1.9] （6）

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了讓變轉(zhuǎn)換器工作在CCM模式下，電感器的電流的變化量不大于電感器平均電流的50%，在此設(shè)計(jì)中，電感器最大電流變化量按40%計(jì)算（單位為A）：

[ΔIL=ILA×0.4=1.9×0.4≈0.77] （7）

因此，可計(jì)算出電感器的峰值電流（單位為A）：

[Ipeak=ILA+ΔIL=1.9+0.77=2.67] （8）

因?yàn)?XL6006的開關(guān)頻率fs為180 kHz，根據(jù)式（3）可以計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的電感值（單位為μH）：

[L=1ΔiL1fsUiD1=12.5×0.4790.77×180×103≈43.2] （9）

根據(jù)以上的電感的計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用47 μH， 5 A的電感器。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例樣機(jī)的試制及性能指標(biāo)的測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，根據(jù)以上的電路圖和計(jì)算出來的元件參數(shù)值試制一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試。在測試時(shí)，選用臺(tái)灣晶元大功率LED燈珠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把6顆5 W的LED燈珠串聯(lián)成30 W的大功率LED燈，并把這些LED燈貼在一個(gè)大散熱器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)輸入電壓值，用萬用表測量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率，計(jì)算轉(zhuǎn)換效率，并用表格記錄下每次測量結(jié)果，如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)輸入電壓在11 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在87%左右；當(dāng)輸入電壓在12 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在89%左右；當(dāng)輸入電壓在13 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在90%左右；當(dāng)輸入電壓在14 V左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在91%左右。由此可見，本恒流轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換效率。為了進(jìn)一步地了解Boost 升壓型開關(guān)電源的升壓比與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，用數(shù)值計(jì)算方法擬合升壓比和效率數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出，升壓比和效率成反比關(guān)系。從圖可以看出，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為92%，當(dāng)升壓比為1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為91%，當(dāng)升壓比為2時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為87%，通過計(jì)算，由此可見，在設(shè)計(jì)Boost恒流驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，為了得到較高的轉(zhuǎn)換效率，升壓比控制在2倍以內(nèi)。

4 結(jié) 論

太陽能LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，是光伏太陽能LED路燈照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量，直接影響LED路燈的使用壽命。針對(duì)Boost恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太陽能LED路燈中應(yīng)用，本文介紹太陽能LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)例參數(shù)試制一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，用數(shù)值計(jì)算方法擬合了樣機(jī)升壓比和效率數(shù)據(jù)，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為92%，當(dāng)升壓比為1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為91%，當(dāng)升壓比為2時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為87%。測試表明，該恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法可行，能為設(shè)計(jì)大功率LED太陽能路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源提供一個(gè)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊秀增，楊仁桓.基于斜率法的太陽能電池串聯(lián)電阻測量方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（2）：42?44.

[2] 曹衛(wèi)鋒，段現(xiàn)星，胡智宏.大功率太陽能LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2013，37（9）：1608?1610.

[3] 劉桂濤，白敬中.太陽能LED路燈在道路照明中的應(yīng)用[J].孝感學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29（6）：74?76.

[4] 肖海明，陳立，章小印.智能式LED太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（1）：153?156.

[5] 李文昌，向本才，于敦山.新型LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電路[J].微電子學(xué)，2014，44（4）：499?502.

[6] 張準(zhǔn)，陳曉冰.大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（6）：164?170.