付賢松 桑若愚 牛萍娟 楊赫博 李洪超

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300387 2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387 3.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

1 引言

在我們的日常生活中路燈是很常見的，城市中美麗的夜景燈光裝飾也豐富多彩。然而，傳統(tǒng)燈泡的功耗很大，而且傳統(tǒng)路燈較長的低壓輸電線路使傳輸線上的損失也很大。人類的生存和發(fā)展受到了過度使用能源、資源爭奪和環(huán)境污染問題所造成的能源短缺的嚴(yán)重威脅，所以目前新能源已經(jīng)廣泛使用。其中太陽能和風(fēng)能是最常見的新型可再生能源和清潔能源。在白天陽光較充足而風(fēng)比較小，在夜里沒有陽光，由于地表的溫差大，風(fēng)力增強(qiáng)；夏天陽光強(qiáng)烈，風(fēng)比較小，而冬天陽光較弱，風(fēng)較強(qiáng)。這種時(shí)間上的互補(bǔ)成為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)非常好的資源條件[1,2]。

由于高功率白光LED照明的高效，節(jié)能，環(huán)保，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在能源和環(huán)境問題越來越嚴(yán)重得今天引起了人們的關(guān)注。這些眾多的優(yōu)勢使LED燈在二十一世紀(jì)成為最有前途的光源。風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈使用太陽能和風(fēng)能，和傳統(tǒng)路燈相比不排放污染物到空氣中，不消耗非可再生能源。隨著時(shí)間的推移，可以節(jié)省大量的電力成本，對環(huán)境的保護(hù)是不言而喻的。

LED雖然在節(jié)能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是溫度敏感的半導(dǎo)體器件，又具有非線性的伏安特性，因此在應(yīng)用過程中必須使用特定的電源提供能夠使LED正常工作的額定電壓和電流，并對LED進(jìn)行保護(hù)穩(wěn)定其工作狀態(tài)[3]。而風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和LED的結(jié)合給LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈由以下幾部分組成：風(fēng)能發(fā)電機(jī)、太陽能電池板、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池、LED路燈、LED驅(qū)動(dòng)電源、卸荷電路組成，其功能框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈功能模塊示意圖Fig.1 Function module diagram of wind-solar LED street lamp

從圖中可以看出，風(fēng)能發(fā)電機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生電能，控制器把產(chǎn)生的電能進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進(jìn)行充電。在需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往LED供電，在輸送過程中 LED驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)蓄電池的電壓進(jìn)行升壓變換供給LED，使LED路燈正常工作[4,5]。缷荷電路起到保護(hù)電路的作用，當(dāng)蓄電池過充或風(fēng)速過高時(shí)就會(huì)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行剎車。

3 LED路燈DC-DC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系，因此可以通過控制 LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED若采用恒壓源驅(qū)動(dòng)，較小的電壓變化會(huì)引起較大的電流變化，所以恒壓驅(qū)動(dòng)只適用于要求不高的小功率的場合下，在要求高的場合或大功率的場合下 LED都要采用恒流驅(qū)動(dòng)。風(fēng)光互補(bǔ)型 LED路燈采用蓄電池供電，LED驅(qū)動(dòng)電路一般輸入電壓為DC 12/24V，采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓可達(dá)幾十伏，而輸出電流一般達(dá)到 1～2A。這就給設(shè)計(jì)帶來了困難，如何實(shí)現(xiàn)升壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)就成為了風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。

目前 LED驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用得較多的是電荷泵電路和 DC-DC開關(guān)變換電路。電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應(yīng)儲(chǔ)存電能，把電容作為能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關(guān)進(jìn)行切換。DC-DC開關(guān)變換電路又稱為開關(guān)電源，是通過控制功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間關(guān)系來改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，效率相對低些，輸出電壓可變化范圍不大，輸出功率較小，所以其多用在小功率場合下；而開關(guān)電源開關(guān)元件相對較少，效率高，可實(shí)現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路是基于LT3755的Buck-Boost DC-DC LED驅(qū)動(dòng)控制器[7,8]。

3.1 LT3755簡介

LT3755是美國凌力爾特公司生產(chǎn)的 DC-DC LED驅(qū)動(dòng)控制器，16引腳 MSOP封裝芯片，封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片的開關(guān)頻率在 100kHz～1MHz之間可編程，輸入電壓范圍從4.5V到40V。輸出電壓最高為75V，帶輸出開路和輸入過壓保護(hù)，帶有PWM調(diào)光和模擬調(diào)光[7]。

圖2 LT3755封裝結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Package structure diagram of LT3755

從圖中可以看出，1引腳是 PWM信號(hào)輸出引腳；2引腳是輸出電壓反饋引腳，該引腳參考電壓為1.25V，通過反饋電阻可以設(shè)定最大輸出電壓值；3和4引腳是輸出電流檢測引腳，以實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，兩引腳直接的參考電壓為100mV；6引腳是模擬調(diào)光引腳；7引腳是2V參考電壓輸出引腳；8引腳是PWM信號(hào)輸入引腳；10引腳是軟啟動(dòng)引腳；11引腳用來設(shè)定開關(guān)頻率；12引腳是低電壓關(guān)斷引腳，當(dāng)該引腳的電壓大于0.4V時(shí)，芯片才開始工作；14引腳連接輸入電源；15引腳用來反饋場效應(yīng)管的輸出電流；16引腳用來驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管的柵極。

3.2 電源總體設(shè)計(jì)

通過分析 LT3755的數(shù)據(jù)手冊，本論文設(shè)計(jì)了如圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。由蓄電池給LT3755供電，LT3755產(chǎn)生的振蕩輸出驅(qū)動(dòng) N溝道場效應(yīng)管Q1，場效應(yīng)管輸出經(jīng)肖特基二極管VD1整流后，由電容C4、C5濾波輸出[7-9]。

圖3 基于LT3755的DC-DC驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.3 DC-DC drive circuit schematics based on LT3755

上圖的電路中Rx1是光敏電阻，由Vref引腳輸出的 2V參考電壓經(jīng) R8和 Rx1分壓之后輸入到 CTRL引腳。當(dāng)CTRL引腳的電壓低于100mV的時(shí)候，芯片不工作，當(dāng)CTRL引腳的電壓在100mV到1.2V之間的時(shí)候，LED電流和CTRL引腳的電壓相關(guān)，當(dāng)CTRL引腳的電壓大于等于1.2V的時(shí)候，電路的輸出電流是通過設(shè)定電阻 R4的阻值來設(shè)定的，LT3755的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100mV,這樣輸出電流可以通過下式計(jì)算：Iout=100mV/R4。本設(shè)計(jì)的輸出電流為1.4A，所以R4=100mV/1.4A≈70mΩ。

所以當(dāng)外界比較明亮的時(shí)候，光敏電阻分得的電壓很低，CTRL引腳的電壓低于100mV，芯片不工作。當(dāng)外界逐漸變暗，光敏電阻分得的電壓逐漸增大，當(dāng)CTRL引腳的電壓高于100mV是，芯片開始工作，并且LED的亮度逐漸增大，當(dāng)CTRL引腳的電壓大于等于 1.2V的時(shí)候，LED中的電流基本穩(wěn)定在1.4A，亮度達(dá)到最大，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開關(guān)和調(diào)光功能。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的Output Voltage Programming，輸出電壓最大值Vout表達(dá)式如下所示

這樣就可以通過設(shè)定最大輸出電壓來實(shí)現(xiàn)輸出開路保護(hù)功能。在本設(shè)計(jì)中取最大輸出電壓為30V。在本設(shè)計(jì)電路中，R2就是公式中的 RF1，R3就是公式中的RF2，從而可通過輸出電壓確定R2和R3的比值，如果 R3選擇 1MΩ，那么 R4就確定了，即 R4為43.2kΩ。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的Soft-Start and Shutdown，確定芯片軟啟動(dòng)時(shí)間t的公式，如下式所示

軟啟動(dòng)是輸出電壓從零變到所需要的輸出電壓的時(shí)間。這個(gè)公式中的C就是電路中的C3。本設(shè)計(jì)電路的軟啟動(dòng)時(shí)間是 0.2ms，從而確定 C3的值為1 000pF。

電路的最大輸入電流 IIn(PEAK)可以通過下式計(jì)算

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的Sense Resistor Selection，得到

RSENSE,BOOST就是本設(shè)計(jì)電路中的 R1，從而通過計(jì)算得出R1為12mΩ左右。

在Programming the Switching Frequency中分析并確定R7。開關(guān)管開關(guān)頻率和R7關(guān)系如表1所示。

表1 開關(guān)管開關(guān)頻率和R7關(guān)系表Tab.1 Relationship between switch frequency and R7relation table

本設(shè)計(jì)電路中，頻率選擇為400kHz，根據(jù)上表選擇合適的R7為26.7kΩ。

根據(jù)以上電路的電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化，基于LT3755的1.4A 40W的DC-DC驅(qū)動(dòng)電路中各元器件參數(shù)如圖3所示。

4 測試結(jié)果

設(shè)計(jì)并制作了PCB板并完成了實(shí)物焊接。制作的PCB電路板和搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。此次測試由直流電源供電，輸入電壓為16V，負(fù)載采用貝奇CH8711可編程直流電子負(fù)載。

圖4 PCB電路板和搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 The PCB crrcuit board and the test platform

輸出電流和紋波測試使用電流探頭將電流轉(zhuǎn)換為電壓之后用示波器進(jìn)行測試。

在沒有遮擋光敏電阻并且外界比較亮的時(shí)候的測試，其輸出電流如圖5所示。

圖5 沒遮擋光敏電阻時(shí)沒有輸出Fig.5 There is no output without shielding photoresistor

從圖中可以看出，此時(shí)沒有輸出電流。由于沒有遮擋光敏電阻時(shí)，光敏電阻的阻值比較小，分得的電壓小于100mV，所以此時(shí)芯片不工作，從而沒有輸出電流。

將光敏電阻遮擋之后芯片開始工作，說明自動(dòng)開關(guān)功能成功，開始正常測試，我們將分別測試沒有輸出濾波電感的測試板和增加輸出濾波電感的測試板。

沒有輸出濾波電感 PCB測試板的輸出電流的測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 沒有輸出濾波電感時(shí)的輸出電流Fig.6 The output current waveform without output filter inductor

從圖中可以看出，輸出電流的最大值大約為1.43A，最小值大約為1.39A，紋波電流約為0.02A。

帶有輸出濾波電感 PCB測試板的輸出電流的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 帶有輸出濾波電感時(shí)的輸出電流Fig.7 The output current waveform with the output filter inductor

從圖中可以看出，輸出電流的最大值大約為1.415A，最小值大約為 1.395A，紋波電流約為0.01A。

測試結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)電源帶有輸出短路保護(hù)功能，輸出電流能夠穩(wěn)定在1.4A左右，效率能夠達(dá)到95.4%，通過增加輸出濾波電感輸出紋波電流從0.02A減小到了 0.01A。以上測試結(jié)果基本滿足預(yù)期，此電路已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一款可以使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和 LED路燈巧妙結(jié)合的LED驅(qū)動(dòng)電路。電路在低輸入電壓的情況下，輸出電流能達(dá)到1.4A，單路能夠驅(qū)動(dòng)40W LED正常工作，效率能夠達(dá)到95.4%，通過增加輸出濾波電感輸出紋波電流從0.02A減小到了0.01A，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開關(guān)功能。在提倡節(jié)能環(huán)保的今天，風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈已嶄露頭角，隨著風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)技術(shù)逐漸完善，風(fēng)光互補(bǔ)路燈將成為路燈的主流。

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