基于蓄電池供電的LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)讀：本文以Boost為功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過合理地安排LED陣列，提高了照明的可靠性，主要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(jì)。

　　Boost電路不但能夠升壓，而且拓?fù)浔旧硭柙骷?，有利于提高效率，非常適合需要以蓄電池對(duì)LED供電的應(yīng)用。通過對(duì)控制器LTC3783應(yīng)用創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。并且所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)--需要更換LED或是在需要更換蓄電池時(shí)，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(diǎn)，發(fā)光二極管（LED）在照明、信號(hào)顯示、顯像等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，被廣泛認(rèn)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(dòng)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(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)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(huì)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(fù)溫度特性，隨著結(jié)溫的升高，流過LED的電流會(huì)越來越大。所以，如果驅(qū)動(dòng)電流得不到控制，LED很容易被燒毀，即使沒有燒毀，壽命也會(huì)大大縮短。所以，驅(qū)動(dòng)大功率LED時(shí)，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(dòng)電流，其照度也將得到控制。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。供電電源為鉛酸蓄電池，負(fù)載為LED組成的陣列，使用LTC3783作為控制器，實(shí)現(xiàn)PWM控制。本電路設(shè)計(jì)可以同時(shí)對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。并且本系統(tǒng)對(duì)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)--需要更換LED或需要更換蓄電池時(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)低成本，如圖2所示。

　　應(yīng)用LED陣列還有另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。我們知道LED可能會(huì)因某些故障發(fā)生短路和斷路。當(dāng)某個(gè)串，聯(lián)支路中的LED發(fā)生短路時(shí)，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(huì)超出LED允許的工作范圍。當(dāng)某個(gè)串聯(lián)支路中的LED發(fā)生斷路時(shí)，該串LED熄滅。

　　但由于陣列由多個(gè)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(huì)超出LED允許的工作范圍。所以很明顯，LED陣列相對(duì)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性心1.而且，對(duì)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(shí)，將更有利于提升LED組件工作的可靠性和穩(wěn)定性。

　　實(shí)驗(yàn)中制作一個(gè)8串、每串20顆LED的陣列和一個(gè)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(shí)驗(yàn)中將LED設(shè)計(jì)工作在20mA,這樣可以減小散熱量，并在LED出現(xiàn)短路故障時(shí)能夠有足夠的電流裕量。

　　1.2 B00st變換器及控制器改進(jìn)

　　主電路示意圖如圖3所示。對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)LED的模擬調(diào)光。基于以上思路，對(duì)LTC3783進(jìn)行應(yīng)用改進(jìn)，見圖4.

　　圖4中將采樣電阻端接控制器的FBN負(fù)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(shí)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(duì)控制器LTC3783進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)光，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在需要更換LED陣列時(shí)，只要功率不過大，均無需重新設(shè)計(jì)電路。

　　再結(jié)合控制器本身的特性，本電路設(shè)計(jì)還可以對(duì)LED進(jìn)行數(shù)字調(diào)光，對(duì)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(jì)應(yīng)滿足以下要求：

　　（1）當(dāng)以一個(gè)8串、每串20顆LED的陣列作為負(fù)載時(shí)：

　　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(shí)：

　　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(shí)：

　　電壓變比M:2.5~2.75

　　占空比D:O.600-O.636

　　（2）當(dāng)以一個(gè)12串、每串12顆LED的陣列作為負(fù)載時(shí)：

　　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(shí)：

　　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(shí)：

　　電壓變比M:1.5~1.65

　　占空比D:0.333~0.394

　　調(diào)試時(shí)，只需調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2便可實(shí)現(xiàn)恒定的電流目標(biāo)值，占空比會(huì)由控制器自行調(diào)整。Boost電路中的電容大小決定了負(fù)載電壓紋波大小，具體電容值可根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)，通常都是設(shè)計(jì)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(fù)載功率較大時(shí)，設(shè)計(jì)電路輸出功率不足，無法使負(fù)載正常工作。

　　1.3恒流控制

　　實(shí)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(shí)輸出電流上升，關(guān)斷時(shí)下降。這里的控制策略就是當(dāng)輸出電流達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，將MOS管關(guān)斷，使得電流下降，直到下一個(gè)LTC3783控制器內(nèi)部的觸發(fā)脈沖（頻率即為45kHz）到來時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)。

　　由于直接對(duì)輸出電流進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)波形，圖6（b）是與之相對(duì)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(gè)8串、每串20顆LED的陣列為負(fù)載的實(shí)驗(yàn)波形。

　　與前面計(jì)算的理論值：占空比D:O.800~0.818相吻合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，12V蓄電池供電下，以一個(gè)12串、每串12顆LED的陣列為負(fù)載，和以端電壓為24V蓄電池對(duì)以上兩種LED陣列進(jìn)行供電時(shí)，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(duì)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)--需要更換LED或需要更換蓄電池時(shí)，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

　　本電路設(shè)計(jì)可以同時(shí)對(duì)LED進(jìn)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)--需要更換LED或是需要更換蓄電池時(shí)，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。