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基于一种蓄电池供电可以进行模拟调光和数字调光的LED照明设计

出处:电子发烧友 发布于:2019-06-18 14:12:32 | 1042 次阅读

  一种基于蓄电池供电的LED照明系统的电路设计。以Boost为功率电路拓扑结构,通过合理地安排LED阵列,提高了照明的可靠性。本电路设计可以同时对LED进行模拟调光和数字调光,并且本系统适用于功率从几瓦到几十瓦的LED阵列、端电压范围从6-36V的蓄电池,从而使得对产品进行维护--需要更换LED或是需要更换蓄电池时,只要满足上述要求,无需更换电路模块,系统就能正常并稳定地工作。


  前言
  由于具有高发光效率、高可靠性、长寿命等优点,发光二极管(LED)在照明、信号显示、显像等领域应用越来越广泛,被广泛认为是一种取代白炽灯、荧光灯等传统光源的新型光源。
  驱动LED有多种方法,而最简单的方法就是将LED与限流电阻串联,再以电压源供电。这种驱动方式的优点是电路简单,但是也存在不少缺陷。首先是效率低,降压电阻会消耗大量电能,甚至有可能超过LED所消耗的电能;其次是稳定电压能力极差,而LED的V-I曲线具有负温度特性,随着结温的升高,流过LED的电流会越来越大。所以,如果驱动电流得不到控制,LED很容易被烧毁,即使没有烧毁,寿命也会大大缩短。所以,驱动大功率LED时,电流控制是必需的。除此之外,LED光源的照度直接与电流相关,所以控制LED的驱动电流,其照度也将得到控制。
  1 系统设计
  系统的原理框图如图1所示。供电电源为铅酸蓄电池,负载为LED组成的阵列,使用LTC3783作为控制器,实现PWM控制。本电路设计可以同时对LED进行模拟调光和数字调光。并且本系统对于功率从几瓦到几十瓦的LED阵列、端电压范围从6-36v的蓄电池均能正常工作,从而使得在对产品进行维护--需要更换LED或需要更换蓄电池时,只要满足上述要求,无需更换电路模块,系统就能正常并稳定地工作。
  基于一种蓄电池供电可以进行模拟调光和数字调光的LED照明设计
  由于发热量、散热技术等多方面的限制,使得单颗LED的功率不能像传统光源那样做得很大,功率为1w的LED即为大功率LED了。实际应用中,通常使用多颗小功率LED组成的阵列来满足较高的照度要求,并实现低成本,如图2所示。
  

  应用LED阵列还有另一个显着优点。我们知道LED可能会因某些故障发生短路和断路。当某个串,联支路中的LED发生短路时,该支路中其他的LED仍然能够正常工作。尽管通过LED的电流可能上升,但是由于LED的数量较多,上升的电流不大,上升后的电流仍不会超出LED允许的工作范围。当某个串联支路中的LED发生断路时,该串LED熄灭。
  但由于阵列由多个LED串组成,其他LED串仍能工作,并分担熄灭的LED串中的电流,但是由于LED的支路较多,上升的电流不大,上升后的电流仍不会超出LED允许的工作范围。所以很明显,LED阵列相对具有更高的稳定性和可靠性心1.而且,对于特定数目的LED阵列,当使支路数目和支路中的LED数目相一致时,将更有利于提升LED组件工作的可靠性和稳定性。
  实验中制作一个8串、每串20颗LED的阵列和一个12串、每串12颗LED的阵列。使用的LED为O.1w子弹头形LED,额定正向压降范围为3.0-3.3v,额定正向电流范围为10一30mA.实验中将LED设计工作在20mA,这样可以减小散热量,并在LED出现短路故障时能够有足够的电流裕量。
  1.2 B00st变换器及控制器改进
  主电路示意图如图3所示。对于主电路,恒流控制的电流通过采样电阻R将电流转换成电压,控制器通过开关管的开通与关断,能够实现恒定采样电阻上的电压,从而实现了恒定LED阵列的电流。如果能够调节控制器恒定采样电阻上的电压值,则将实现LED的模拟调光。基于以上思路,对LTC3783进行应用改进,见图4。
  

  基于一种蓄电池供电可以进行模拟调光和数字调光的LED照明设计
  图4中将采样电阻端接控制器的FBN负反馈端,而非接采样sense端。将参考电平Vref经分压接入FBP正反馈端,再以可调电阻R2替代定值电阻。
  要实现恒定采样电阻上的电压目标值,只需调节可调电阻。所恒定的LED电流值由所恒定的采样电阻上的电压值所确定。即:


  基于一种蓄电池供电可以进行模拟调光和数字调光的LED照明设计
  通过以上对控制器LTC3783进行应用创新,实现了对LED进行模拟调光,同时实现了在需要更换LED阵列时,只要功率不过大,均无需重新设计电路。
  再结合控制器本身的特性,本电路设计还可以对LED进行数字调光,对于功率从几瓦到几十瓦的LED阵列和端电压范围从6-36V的蓄电池均能正常工作。
  变换器的设计应满足以下要求:
  (1)当以一个8串、每串20颗LED的阵列作为负载时:
  输出电压Vo:60~66V
  输出电流Io:0.16A(恒定电流值)
  工作频率f:45kHz
  当以12V蓄电池供电时:
  电压变比M:5-5.5
  占空比D:0.800-0.818
  当以24V蓄电池供电时:
  电压变比M:2.5~2.75
  占空比D:O.600-O.636
  (2)当以一个12串、每串12颗LED的阵列作为负载时:
  输出电压Vo:36-39.6V
  输出电流Io:0.24A(恒定电流值)
  工作频率f:45kHz
  当以12v蓄电池供电时:
  电压变比M:3-3.3
  占空比D:0.667-0.697
  当以24v蓄电池供电时:
  电压变比M:1.5~1.65
  占空比D:0.333~0.394
  调试时,只需调节可调电阻R2便可实现恒定的电流目标值,占空比会由控制器自行调整。Boost电路中的电容大小决定了负载电压纹波大小,具体电容值可根据设计需要自行选取。电路中的电感值决定了电流纹波,为了便于系统参数的设计,通常都是设计系统工作于电流连续模式。本系统考虑在极端情况下,调光至10mA电感电流仍然连续,取值如下:


  基于一种蓄电池供电可以进行模拟调光和数字调光的LED照明设计
  考虑一定的裕量,最终选取电感量为1.5mH.如果电感量选取过小,易导致当负载功率较大时,设计电路输出功率不足,无法使负载正常工作。
  1.3恒流控制
  实际上,变换器的输出电流不是完全恒定不变的,而是具有一定的纹波,如图5所示。MOS管开通时输出电流上升,关断时下降。这里的控制策略就是当输出电流达到设定上限时,将MOS管关断,使得电流下降,直到下一个LTC3783控制器内部的触发脉冲(频率即为45kHz)到来时产生驱动信号将它再次开启。具体所设置的电流可通过调节可调电阻实现。
  由于直接对输出电流进行采样形成反馈,所以不论LED的V-I特性发生什么变化,都能由反馈形成调整,维持输出电流不变。


  

  2实验结果
  图6(a)中的上波形是输出电压,下波形是开关管驱动波形,图6(b)是与之相对应的采样电阻输出电压波形,该波形中的尖刺是寄生电感和电容等引起的噪声。图6中两组波形是以12V蓄电池供电,以一个8串、每串20颗LED的阵列为负载的实验波形。

  与前面计算的理论值:占空比D:O.800~0.818相吻合。经实验,12V蓄电池供电下,以一个12串、每串12颗LED的阵列为负载,和以端电压为24V蓄电池对以上两种LED阵列进行供电时,占空比均与前面的理论分析值一致,并且能稳定地工作。
  因此证明了本系统对于大功率范围内的LED阵列,使用端电压范围从6-36V的蓄电池均能正常工作。而且,在对产品进行维护--需要更换LED或需要更换蓄电池时,只要满足上述要求,无需更换电路模块,系统就能正常并稳定地工作。
  3结论
  Boost电路不但能够升压,而且拓扑本身所需元器件少,有利于提高效率,非常适合需要以蓄电池对LED供电的应用。通过对控制器LTC3783应用创新,实现了对LED进行模拟调光和数字调光。并且所设计的系统对于功率从几瓦到几十瓦的LED阵列、端电压范围从6-36V的蓄电池均能正常工作,而且对产品进行维护--需要更换LED或是在需要更换蓄电池时,只要满足上述要求,无需更换电路模块,系统就能正常并稳定地工作。

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关键词:LED照明

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