楊磊，羊彥

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

根據(jù)2004年國(guó)家建設(shè)部的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國(guó)照明耗電大體占全國(guó)發(fā)電總量的10%-12%，是三峽水利發(fā)電工程全年發(fā)電量能力840億度的兩倍多，可以看出路燈照明的節(jié)能有很大的潛力，可以帶來相當(dāng)可觀的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應(yīng)用市場(chǎng)將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場(chǎng)以及最大的市場(chǎng)將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。

但是，由于LED燈存在著諸多技術(shù)瓶頸問題，使得這種“綠色照明”的高效節(jié)能、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)未充分發(fā)揮；特別是LED路燈，尚未完全被市場(chǎng)接受。因此，提高路燈的電壓輸入和提高LED路燈的效率已經(jīng)是迫在眉睫，高電壓輸入大電流輸出恒流源很好的實(shí)現(xiàn)70 V以上高電壓輸入，2 A大電流輸出的，把電能利用效率提高到了91%以上。

1 恒流源的基本設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)

恒流源模塊由：濾波電路、處理芯片、BUCK電路[1]、保護(hù)電路和反饋電路五部分組成，如圖1所示。

圖1 恒流源主要模塊Fig.1 Constant current source modules

其工作原理是：通過控制電路，控制位于主回路的MOS管，使其按要求對(duì)恒壓源[2]斬波，改變恒定周期中導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短，以達(dá)到恒流控制的目的。由于MOS管工作于開關(guān)狀態(tài)，且開關(guān)頻率低（約10 kHz），使得開關(guān)損耗較低，整體效率較高。通過設(shè)定HV9910B的RT電阻實(shí)現(xiàn)輸出電流的設(shè)定，再通過HV9910B控制buck電路輸出穩(wěn)定的恒定電流。

模塊的主要作用是 2個(gè)方面：1）調(diào)整開關(guān)電源[3]送來的直流電壓，使LED燈工作于恒流狀態(tài)[4]；2）通過調(diào)整電壓的升、降，控制LED燈實(shí)現(xiàn)降額運(yùn)行，達(dá)到控制路燈亮度的目的。

2 恒流源的具體設(shè)計(jì)

恒流源的具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 兩種工作模式的選擇

圖2 設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Schematic design

HV9910B有恒定頻率模式及恒定關(guān)斷時(shí)間兩種模式，選擇何種模式取決于驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓VOUT（VLED）與輸入電壓VIN的比值。在降壓式架構(gòu)中，VIN總是大于VOUT，其比值即占空比D=VOUT/VIN。若D＜0.5時(shí)，采用恒定頻率模式；若D＞0.5時(shí)，則采用恒定關(guān)斷時(shí)間模式。如果在D＞0.5時(shí)仍采用恒定頻率模式工作，驅(qū)動(dòng)器將進(jìn)入次諧波振蕩狀態(tài)，將會(huì)引起輸出電流下降及紋波電流增加的不穩(wěn)定狀態(tài)。本電路采用HV9910B的恒定關(guān)斷模式，將設(shè)定關(guān)斷時(shí)間的電阻連接在RT和GATE之間。由于輸出輸入電壓比值大于0.5，所以采用了恒定關(guān)斷模式，選定開關(guān)恒定關(guān)斷時(shí)間為2μs。

2.2 規(guī)格要求

輸入電壓在70 V以上，輸出2.2 A恒定電流，恒流源負(fù)載為一定數(shù)量的串聯(lián)LED燈，輸出電壓穩(wěn)定，恒流源芯片HV9910B的工作狀態(tài)時(shí)恒定關(guān)斷狀態(tài)[5]，即MOS管的管段時(shí)間恒為2μs，不同輸入電壓，恒流源芯片通過調(diào)節(jié)BUCK電路中開關(guān)MOSE管的占空比提供穩(wěn)定的2.2 A電流輸出。

3 具體設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)斷時(shí)間設(shè)定

toff=（1-Vo/VIN/fosc），輸入電壓為70 V以上，晶振頻率設(shè)定為 100 kHz，toff=2 μs。

3.2 晶振電阻RT設(shè)定

HV9910B中的振蕩器由連接在 RT引腳上的一個(gè)電阻控制。振蕩器的震蕩tosc時(shí)間由以下公式計(jì)算：tosc=（RT+22）/25，如果電阻連接在 RT和地之間，HV9910B工作在恒定頻率模式和上述公式確定的時(shí)間期限。如果電阻連接在RT和GATE之間，HV9910B工作在恒定關(guān)斷時(shí)間模式和上述公式確定的關(guān)斷時(shí)間，RT=28 k。

3.3 輸出電流

輸出電流可以公式：IO=0.25/（1.15×Rcs），當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，流過電感的電流開始增加，流過外部的感應(yīng)電阻RCS并且在CS腳產(chǎn)生一個(gè)斜坡電壓。比較器不斷地將CS腳的電壓和LD腳的電壓以及內(nèi)部250 mV電壓進(jìn)行比較，一旦消隱計(jì)時(shí)器完成后，這些比較器的輸出被允許重新設(shè)置觸發(fā)器。當(dāng)比較器的任意一個(gè)輸出變高，觸發(fā)器復(fù)位門輸出為低電平。門輸出一直為低電平直到振蕩器觸發(fā)SR觸發(fā)器。

4 BUCK輸出電路設(shè)計(jì)

輸出BUCK電路主要包括：MOSE管開關(guān)，快恢復(fù)二極管，電感和耐高壓的CBB電容，如圖3所示。

圖3 BUCK電路Fig.3 BUCK circuit

該電路中MOS開關(guān)要求導(dǎo)通電阻低，開啟時(shí)消耗能量小，熱量低，開啟時(shí)間在100 ns以內(nèi)。二極管400 V反向電壓，具有8 A的正向電流通過能力，最大反向恢復(fù)時(shí)間小于50 ns。由于輸出電流高達(dá)2.2 A，所以選擇的電感L1本身最大電流要大于 3 A，電感的大小用：L=Vnom（1-D）Ts/2IO計(jì)算，輸出電路中均采用了具有損耗極低，介質(zhì)吸收系數(shù)低，絕緣電阻高，頻率特性好，自愈性優(yōu)異，穩(wěn)定性高特點(diǎn)的高穩(wěn)定性的400 V CBB335電容，確保輸出電壓和電流的穩(wěn)定性。

5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

把恒流源連入電路，在恒定2.2 A的電流下，根據(jù)不同電壓輸入占空比示波器測(cè)開關(guān)MOSE管兩端的開關(guān)占空比，得到的結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 70V輸入電壓MOSE管開關(guān)占空比波形Fig.4 70V input voltage MOSE tube switch duty cycle waveform

圖5 85V輸入電壓MOSE開關(guān)占空比波形Fig.5 85V input voltage MOSE switching duty cycle waveform

在不同輸入電壓情況下，從開關(guān)MOSE管的占空比波形圖可以看出，在不同輸入電壓情況下，開關(guān)MOSE管的關(guān)斷時(shí)間是恒定的2μs。恒流源芯片，通過改變開關(guān)MOES管的開通時(shí)間來控制占空比，從而使輸出電流為恒定的2.2 A，輸出負(fù)載LED燈輸出電壓恒定，所以根據(jù)輸入電壓的不同，恒流源可以改變MOSE管占空比，保持恒定的2.2 A電流輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

LED電路照明單燈恒流可以很好的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，節(jié)能的功效。文章介紹了恒流源[6]的主要結(jié)構(gòu)、原理以及具體功能模塊，并且得出了實(shí)現(xiàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了2.2 A恒定電流輸出，通過實(shí)現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算效率高達(dá)91%以上，并且恒流源散熱性能優(yōu)良，大范圍溫度條件下穩(wěn)定工作，完全符合工業(yè)技術(shù)要求，應(yīng)用于路燈照明電路將會(huì)節(jié)能降耗和節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

[1]耿曉靜.開關(guān)電源中磁性元件的設(shè)計(jì) [D].西安：西北工業(yè)大學(xué) 2011.

[2]王國(guó)華，王鴻麟，羊彥，等.便攜式電子設(shè)備電源管理技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]陳傳虞，劉明，陳家?guī)?LED驅(qū)動(dòng)芯片原理與電路設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]毛興武，毛涵月，毛佳寧，等.LED照明驅(qū)動(dòng)電源與燈具設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5]陳浩，席光，劉勝.一種精確調(diào)光的LED電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2011，2（35）:218-220.CHEN Hao，XI Guang，LIU Sheng.Design of a precise dimmer of LED power source[J].Power Technology，2011，2（35）:218-220.

[6]Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.