一種新型LED智能應急燈電源設計

惠州市技師學院 牟麗霞

1 研究背景及意義

在一些不發達國家和地區，不管在農村還是城市，停電還是時有發生，給生活帶來不方便，隨著LED的普及應用，LED燈節能，使用時間長，若能在LED燈中加入應急燈元素，即LED燈既可以作為普通照明燈具又能在停電時起到應急的作用，能給生活帶來更多便利。經過調研發現，通常市面上的應急燈需要額外安裝，和普通照明有嚴格區分，只在停電后點亮，且點亮后不能關閉；也有少量的集應急照明和普通照明為一體的LED燈，但這些燈只能單個使用，不能和其它燈或設備（如風扇）并聯使用，若并聯使用當開關斷開，供電系統正常的情況下也會產生應急照明，電池的損耗較大。

針對以上問題，本文介紹一種波形加阻抗檢測的通用電路設計，供電系統正常時當做普通LED燈使用，供電系統斷電時當做應急燈使用，并且在應急狀態下也可根據實際需要進行開關，能和其他設備并聯使用。該設計成本低，使用方便，擴展性強，可應用于燈管，吸頂燈，平板燈，球泡燈等。

2 重點工作原理

2.1 恒流源工作原理

恒流源,是一種能向負載提供恒定電流的電源裝置，它在外界電網電源產生波動和阻抗特性發生變化時仍能使輸出電流保持恒定。恒流源電路具有輸出電流恒定、溫度穩定性好、直流電阻很小但等效交流輸出電阻卻很大等特點。本設計中使用一款高精度原邊反饋的LED恒流驅動芯片BP9022，BP9022采用原邊反饋模式，無需次級反饋電路，也無需補償電路，只需極少的外圍元件即可實現恒流輸出。其輸入電流為：

其中，NP是變壓器主級繞組的匝數，NS是變壓器次級次級繞組的匝數，IP_PK是變壓器主級端的峰值電流，其計算公式如下：

RCS為電流采樣的電阻阻值。

2.2 運算放大器模型及比較器檢波輸出

有限增益運放模型的符號和轉移特性曲線如圖1所示：

圖1 有限增益運放模型的符號和轉移特性曲線

由于實際運放的輸入電流非常小，可以認為i-=i+=0，這意味著運放的輸入電阻為無限大，相當于開路。圖5－9(b)所示轉移特性曲線是圖5－8實際運放轉移特性曲線的分段線性近似。有限增益運放模型可以由以下方程描述：

隨著運放輸入信號幅度的不同，有限增益模型可以工作于線性區、正飽和區和負飽和區。

當輸入端沒有反饋輸入時，運算放大器可看做是電壓比較器，實現對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高低。

3 系統設計

本文所研究的新型智能應急燈電源設計首先要作為普通LED在市電正常時能夠點亮，其次要能在市電斷電情況下能夠啟動電池供電，功能看似簡單，但實際應用中必須考慮應急狀態下開關的檢測，以及電路中一般情況下還并聯有其他設備時開關斷開情況下可能誤判有應急照明需求等等。

為解決實際應用中的種種問題，本設計采用模塊化設計，同時還包含硬件和軟件部分，各模塊結構清晰，功能明確。本設計中共有7個功能模塊，其中硬件部分的核心為阻抗和波形檢測相結合來判斷是否需要應急電池供電，難點為波形檢測中信號放大后信號仍然很弱，且穩定性差，需要進行比較器檢波輸出；軟件部分主要實現波形頻率計數，并根據市電開關是否閉合來控制LED燈的亮滅，難點為考慮波形計時越界處理。系統結構框圖如圖2所示：

圖2 一種新型LED智能應急燈電源設計結構框圖

3 關鍵硬件設計

3.1 恒流電路和電池充電電路

根據恒流源工作原理，本部分主要實現在市電開關閉合且市電正常供電情況下，由恒流驅動芯片BP9022向開關變壓器初級繞組供電，同時次級繞組把電流整理濾波后供給LED直流開關點亮LED燈；其次，次級繞組提供的恒定電流被整理濾波后在電池未飽和情況下向電池充電，以供市電斷開時應急照明之用。電路圖如圖3所示。

3.2 阻抗檢測電路

本部分主要實現并聯阻抗的檢測，這部分檢測電路由電池供電電路提供電源。開關閉合情況下，若有220V交流信號，此信號經限幅處理后變成方波輸出給CPU，若無220V交流信號則輸出高電平給CPU，這兩種情況CPU都處于工作狀態；開關斷開情況下，整個供電電路中的其他用電設備相當于一個電阻，整個阻抗檢測電路相當于經過這個電阻后與大地導通，整個阻抗檢測電路輸出一個低電平給CPU，讓CPU處于休眠省電狀態。檢測電路如圖4所示。

圖3 恒流電路和電池充電電路

圖4 阻抗檢測電路

3.3 波形檢測電路

若電網斷電，此部門電路不輸出信號；若電網供電正常，開關鉗位限輻后，把220V電壓限制在-0.7V至4.7V之間保護整個電路，限幅后的信號經過一個電壓串聯負反饋放大電路把微弱的信號放大，但此信號會出現不穩定情況，為解決這個問題本設計中再次運用比較器進行比較整形，并把比較器兩個同向和反向輸入端接在一起讓直流信號輸出穩定的矩形波，此矩形波送給微控制器用于脈沖計算。電路圖如圖5所示：

圖5 波形檢測電路

圖6 電池保護電路

3.4 電池保護電路（見圖6）

此部分電路采用電池保護芯片XB5353B，主要是為了保護電池使用過程中的特殊情況，包括過充，過放以及輸出短路。電池除了給燈珠供電以外，還要給微控制器，阻抗檢測電路，放大電路提供電源。

4 軟件設計

設計電路中的控制中心采用一種性價比較高的8位微控制器MK6A13P，包含可編程只讀存儲器、數據存儲器、定時器、計數器、4MHz RC振蕩器、中斷、復位、I/O口等電路。用于判斷市電是否供電正常，電網供電正常檢測市電頻率是否為50Hz，若不為50Hz且市電開關已閉合則允許電池供電電路工作，否則檢測到50Hz信號且市電開關已閉合則不允許電池供電電路工作，若市電開關已斷開則不管是否有50Hz信號都不允許電池供電電路工作，軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 MCU工作流程圖

5 測試結果

本文中所實現的這種新型LED智能應急燈電源設計目前已進入實際應用階段，包含電網供電點亮、電池供電應急點亮、電池供電應急熄滅三種工作狀態，各種工作狀態的邏輯關系，以及測試參數見表1。

表1 應急照明燈工作狀態與關鍵點電參數

6 結論

本文中所設計的這種新型LED智能應急燈電源應用微控制器對重要數據進行處理，實現了普通LED燈也能當做應急燈應用的設計初衷，同時采用阻抗與波形檢測結合的方式，有效地解決了電路中并聯有其它類型的燈或設備會誤產生應急照明的情況。除此之外，該電路模塊非常小，適用于各種各樣外觀造型的LED燈具，用戶也可根據照明時間長短選擇合適的電池，同時該電路采用模塊化設計便于系統擴展，如還可以進一步加入人體紅外檢測，藍牙通信等使其變得更加智能。目前，該設計已應用于企業批量化生產中，實際生產和使用情況表明，該設計穩定可靠，成本較低，使用簡單方便，具有廣闊的應用前景。