唐嘉銘 ，鄭 陽(yáng)，李 暉，李志芳

（1.福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.University of Florida，Gainesville，F(xiàn)L 32611）

無(wú)線LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

唐嘉銘1，鄭 陽(yáng)2，李 暉1，李志芳1

（1.福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.University of Florida，Gainesville，F(xiàn)L 32611）

本文主要提出以電磁耦合與電磁共振的方式，為L(zhǎng)ED提供無(wú)線驅(qū)動(dòng)電能。采用高精度的正激變換恒流源驅(qū)動(dòng)LED，并利用光電池進(jìn)行光照強(qiáng)度采集反饋調(diào)整恒流源電流以控制LED發(fā)光強(qiáng)度，保證光照恒定。此外該系統(tǒng)還在電網(wǎng)輸入端增加有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），以減少該裝置作為非線性負(fù)載而引入電網(wǎng)的高次諧波。本文所述方案能有效地提高LED照明分布的靈活性，解決電力線布線的繁瑣，同時(shí)在高效管理光照能耗的情況下不影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，因此其具有深厚的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用潛力。

無(wú)線供電；高精度恒流源；諧波補(bǔ)償；LED照明

LED光源近十年來(lái)發(fā)展達(dá)到了新月異的程度，很快應(yīng)用到汽車、建筑物、醫(yī)療、景觀照明等終端市場(chǎng)，LED照明變得比傳統(tǒng)照明更加可靠及高效，在市場(chǎng)上也越來(lái)越普及。但LED的安裝使用卻受到輸電線鋪設(shè)的束縛，影響了其使用場(chǎng)合的靈活性；同時(shí)，由于LED本身，驅(qū)動(dòng)源的高頻變壓器、功率開關(guān)管等非線性器件的存在，會(huì)導(dǎo)致引入電網(wǎng)中的諧波電流增大，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量[1]。而目前卻少見(jiàn)有同時(shí)考慮降低無(wú)線供電給電網(wǎng)帶來(lái)諧波影響的無(wú)線LED照明等成套的系統(tǒng)報(bào)道。因此本文給出了一套具有諧波補(bǔ)償功能的LED無(wú)線驅(qū)動(dòng)方案。該方案能在方便LED靈活安裝的同時(shí)，根據(jù)光照的采集反饋來(lái)調(diào)節(jié)LED至合適亮度。這些對(duì)LED的普及，提高供電安全性和可靠性，高效節(jié)約電能都將十分有益。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有：無(wú)線供電模塊、恒流驅(qū)動(dòng)源模塊、有源電力濾波器（APF）模塊、控制電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中，逆變裝置、整流濾波2構(gòu)成無(wú)線供電模塊；正激變換電路、整流濾波3構(gòu)成恒流源驅(qū)動(dòng)模塊。MCU通過(guò)光電池進(jìn)行光照采集對(duì)輸出電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)以使輸出穩(wěn)壓、恒流。APF通過(guò)主控制器輸出電流來(lái)抵消由無(wú)線驅(qū)動(dòng)模塊注入電網(wǎng)的電流諧波，以改善輸入端電能質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the system

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線供電系統(tǒng)由控制端、發(fā)射端、負(fù)載整流電路組成，分別通過(guò)電磁耦合（近距離傳輸方式）和電磁共振（遠(yuǎn)距離傳輸方式），實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of wireless power supply system

發(fā)射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負(fù)責(zé)將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。近距離逆變頻率為200～500 kHz，通過(guò)電磁耦合的方式傳輸[2]，使用U形松耦合鐵氧體磁芯隔離實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電[3]，如圖 3。

圖3 近距離傳輸Fig.3 Close transmission

遠(yuǎn)距離逆變頻率為1 MHz，通過(guò)電磁共振的方式傳輸[4],采用空心變壓器耦合，將初級(jí)和次級(jí)分別纏繞在圓筒上，作為傳輸介質(zhì)，達(dá)到遠(yuǎn)距離電能傳輸，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)距離傳輸Fig.4 Long-distance transmission

本系統(tǒng)通過(guò)智能切換傳輸方式，達(dá)到穩(wěn)定的高效傳輸電能。次級(jí)在初級(jí)等效電阻與距離的關(guān)系如圖5，z為阻抗，L為距離，只有在L0的位置等效阻抗為最小。根據(jù)此原理，當(dāng)接收距離遠(yuǎn)離L0時(shí)，阻抗增大，初級(jí)電流減小，通過(guò)霍爾電流傳感器采集初級(jí)輸入電流大小，判斷模式的切換。

圖5 次級(jí)在初級(jí)等效阻抗Fig.5 Primary-referred impedance

2.2 恒流源電路

恒流源系統(tǒng)主要由DC/DC正激變換電路[5]和MCU控制電路組成。正激變換電路為L(zhǎng)ED恒流驅(qū)動(dòng)源，如圖6。逆變器輸出經(jīng)整流濾波后以芯片L7824ACV作穩(wěn)壓，為DC/DC變換電路提供+24 V輸入。該結(jié)構(gòu)的恒流源具有高精度輸出的特點(diǎn)，其輸出功率取決于變壓器參數(shù)的選擇，一般能達(dá)32 W以上，滿足大多數(shù)人LED照明應(yīng)用場(chǎng)合的功率要求[6]。

該電路采用TL494作恒流控制芯片，開關(guān)頻率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）設(shè)定，通過(guò)電位器 R4調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，其電流輸出誤差可＜1%。圖6中，RS為電流取樣電阻；R3為反饋電壓采樣電阻，用來(lái)限制最大輸出電壓。當(dāng)輸出電流變化時(shí)，引腳2（1IN-）的電位也隨之變化，通過(guò)TL494內(nèi)部誤差放大比較以后改變PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電流的負(fù)反饋調(diào)整。單片機(jī)通過(guò)A/D采集光電池電壓，進(jìn)行判斷后輸出PWM經(jīng)過(guò)低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準(zhǔn)電壓來(lái)改變輸出電流大小，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)LED發(fā)光強(qiáng)度的目的，其中運(yùn)放作的電壓跟隨器起隔離和增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的作用。調(diào)節(jié)R2可改變基準(zhǔn)電壓與輸出電流的比例關(guān)系。L1、D3為磁泄放繞組，以防止變壓器初級(jí)線圈磁飽和，使在開關(guān)管關(guān)斷期間能為初級(jí)線圈提供磁復(fù)位。由于TL494驅(qū)動(dòng)能力有限，所以通過(guò)三極管推挽輸出，增加TL494驅(qū)動(dòng)能力。

表1為以輸出16 W為例的DC/DC變換電路實(shí)物測(cè)試結(jié)果，證明了該恒流源能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率和高精度的電流輸出。

圖6 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 LEDs’constant current driver

表1 恒流源測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of the constant current driver

2.3 諧波補(bǔ)償系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

諧波補(bǔ)償系統(tǒng)硬件主要由有源電力濾波器（APF）完成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。本文采用TMS320F2812型號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為核心控制和信號(hào)處理單元。調(diào)理電路主要有電流/電壓傳感器信號(hào)放大、整流，抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負(fù)載端三相電流，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送入DSP經(jīng)A/D采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅(qū)動(dòng)逆變器對(duì)諧波電流作相應(yīng)的抵消,以電流傳感器2采樣輸出的補(bǔ)償電流作反饋調(diào)節(jié)。逆變器直流母線電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器變換供給DSP的內(nèi)部A/D采集，通過(guò)算法控制其直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。三相電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)作為過(guò)零觸發(fā)信號(hào)，作為每個(gè)周期軟件處理清零和起始信號(hào)[7]。

圖7 諧波補(bǔ)償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of harmonics compensation system hardware

2.3.2 諧波電流萃取算法

1）三相瞬時(shí)無(wú)功功率原理

該補(bǔ)償系統(tǒng)軟件部分主要包括諧波電流萃取算法，采用目前常用的三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論（亦稱ip-iq算法）[8]-[9]。該檢測(cè)法通過(guò)某一轉(zhuǎn)移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip和iq電流分量有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并以此為出發(fā)點(diǎn)可以分別得到三相電流諧波和無(wú)功電流，其表達(dá)式為：

通過(guò)低通濾波器（LPF）可將對(duì)應(yīng)基波電流的分量分離出來(lái)，由于 ipf，iqf，可由基波分量 iaf，ibf，icf變換得到，因而 ipf，iqf，經(jīng)反變換即可得到三相電流中的 iaf，ibf，icf即：

當(dāng)要求同時(shí)檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流時(shí)，只需忽略計(jì)算ip的通道，由ipf計(jì)算出被檢測(cè)電流的基波有功分量iapf，ibpf，icpf，即：

將 ia，ib，ic與 iapf，ibpf，icpf相減，即可得出 ia，ib，ic的諧波分量波和基波無(wú)功分量。

2）仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

該系統(tǒng)沒(méi)有電線的限制，LED可以在無(wú)線供電接受范圍內(nèi)任意安裝，并通過(guò)光電傳感器自動(dòng)感光來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度。同時(shí)利用有源電力濾波器諧波補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)出與無(wú)線驅(qū)動(dòng)模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統(tǒng)運(yùn)作中的高次電流諧波，降低輸電網(wǎng)的總諧波失真。本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到家居、車載、場(chǎng)景或景觀LED照明中，有效地提高照明分布的靈活性，節(jié)約電能和減小光污染，并改善電能質(zhì)量，有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖8 三相瞬時(shí)無(wú)功功率算法消除諧波Fig.8 Harmonic elimination with three_phase instantaneous reactive power theory

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Drive system design of wireless LED lighting

TANG Jia-ming1， ZHENG Yang2， LI Hui1， LI Zhi-fang1
（1.College of Photonic and Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China；2.University of Florida， Gainesville， FL 32611， America）

This paper mainly introduces a LED drive system with wireless power supply in electromagnet coupling or electromagnetic resonance mode.The high-precision current source is adopted to drive LED （s） whose luminous intensity is controlled by source current according to light intensity feedback via photocell， so as to ensure stable illumination.What’s more， the system also increases active power filter （APF） beside grid input， which may prevent harmonics produced by this nonlinear device from injecting electric network.The program presented can effectively improve the flexibility of LED lighting distribution，and solve the trouble of cable wiring.It may provide efficient management of light energy without affecting power quality of the grid.So that it has profound practical value and application potential.

wireless power supply； high-precision constant current source； harmonics compensation； LED lighting

TN702

A

1674-6236（2014）15-0105-04

2014-05-05 稿件編號(hào)：201405029

國(guó)家自然科學(xué)基金（61178089，81201124）；福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2011Y0019）

唐嘉銘(1989—)，男，廣東江門人，碩士研究生。研究方向：光聲成像系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、開關(guān)電源設(shè)計(jì)。