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。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、電網(wǎng)負載啟停產(chǎn)生的浪涌等不可預測的環(huán)境因素導致驅(qū)動電源的壽命在4000H-6000H，本應用將著重混合供電在高效長壽命的驅(qū)動電源設(shè)計方面進行研究。

2 設(shè)計方案

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)運作的指揮中樞，其對電流、溫度等因素的實時反饋控制，保障著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運作。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。

為實現(xiàn)與LED的匹配，必須從以下幾點進行方案設(shè)計：

2.1 恒流控制

由于LED正向工作時的結(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、外接負載變化的情況下，控制電路通過的被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件導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)計必須能夠抑制浪涌的入侵。雷電感應、電網(wǎng)負載啟停都可產(chǎn)生的浪涌，尤其雷電感應產(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，信號強度可達數(shù)千伏，接地電容極易被擊穿，同時兩根電線對地的瞬間阻抗不同而產(chǎn)生高達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)計時必須加入浪涌保護器：

根據(jù)區(qū)域雷電的發(fā)生頻率采取不同級別的保護，南方多雷雨天氣需要3級以上的保護，而北方少雷區(qū)地區(qū)一般采用2級以上就可以。開關(guān)型浪涌保護器具有較好的瞬時突變能力，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，功率因數(shù)可達99%。

2.4 良好抗EMI性

開關(guān)電源是一個很強的騷擾源，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，很強的電磁騷擾信號通過空間輻射和電源線的傳導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。

要抑制傳導干擾相對比較容易，只要使用適當?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)標準規(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，則濾波器阻抗應與電源阻抗失配，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。

開關(guān)電源同時存在著共模干擾，差模干擾并以共模干擾為主，設(shè)計時，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的防護設(shè)計，以及電線接頭的有效防護，同時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標準為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

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)電量和負載用電量的變化而變化。整個保護電路由過充和過放保護兩部分組成，過充電路提供充電控制功能及充電溫度補償?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，在太陽能電池無法完成有效的充電時，才進行充電電路的切換，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，政府引導的LED道路照明示范項目不斷擴大，LED光效的不斷提高和價格的不斷下降，LED戶外照明市場將穩(wěn)步擴大，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踐研究，以使其能夠共同為LED照明產(chǎn)業(yè)進步作貢獻。

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[2]馮垛生,張淼,趙慧,林珊.太陽能發(fā)電技術(shù)與應用.

[3]俞安琪.采用LED光源的道路燈具應關(guān)注的焦點.

[4]白建雄.EMI濾波器的設(shè)計以及對輻射EMI的抑制.