基于一种蓄电池对LED供电的照明系统设计

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。

图1 系统原理框图

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。

图2 LED阵列示意图

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d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.

图3主电路示意图

图4控制电路示意图

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：

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：

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。

图5控制策略的示意图

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。

图6变换器的输出波形

从图6（a）中所测得的数据，可以算出占空比为：

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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