LED補光燈的設計與研究*

周迎新，秦會斌*，侯艷波，沈 煜，秦惠民

(1.杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所，杭州310018;2.浙江省能源與核技術應用研究院，杭州310000;3.嘉善福尼電子有限公司，嘉善314100)

隨著世界經濟的高速發展，環境和能源問題受到越來越多的關注。各種燈具發光所消耗的能源在全球能源消耗量里占有不可忽視的比重。據統計照明應用領域消耗的能源約占全球所有能源消耗的19%［1］。因此使用更節能環保的照明技術越來越重要［6-7］。

如今隨著生活節奏的加快，我國的汽車保有量越來越大，因而對道路交通的監控和監管越來越重要。有效的了解和收集道路信息，對過往車輛的監控，這就需要對車輛進行拍照記錄。攝像頭對燈光的要求比較高，特別是夜間光照極低的環境下為了取得車輛以及車牌號的清晰圖像，道路監控用補光燈就顯得十分的有必要。

道路監控補光燈要求待機功耗低，有觸發信號時能夠瞬間達到最高亮度。由于LED是固體光源，具有體積小，響應快［5］，可以模塊組合，節能等特點十分適合道路監控補光燈的要求。

圖1 整體原理框圖

1 總體原理框圖及工作原理

如圖1所示閃光燈原理框圖，由充電電源，控制器(MCU)，儲能電容，光敏傳感器及輔助電源和散熱風扇組成。

LED燈珠的光通量與其流過的電流基本成正比，如圖2所示。其流過的電流又與其兩端所加電壓呈指數倍關系，如圖3所示。所以燈珠兩端電壓提高可以提高亮度，但是也不能無限制的提高。過高的電壓會燒毀燈珠。LED燈珠可以在很短時間內耐受大電流，因此利用這個特點瞬間內提高電壓使其閃爍，用于道路的監控拍攝補光。

圖2 相對光通量與正向電流關系特性

圖3 LED伏安特性曲線(Ta=25℃)

2 主要模塊工作原理

2.1 儲能電容的選擇

LED補光燈待機時平均功耗較小，但是由于瞬間閃爍所輸出的功率非常大(道路監控拍攝所用補光燈閃爍時的輸出功率超過200 W)，因此一般的小功率電源無法瞬間提供如此之大的能量，所以采用了小功率充電電源加大容量儲能電容的組合。這樣待機時功耗小于10 W，又能保證閃爍時提供足夠的能量。以閃光瞬時輸出為200 W閃光時間100 ms電容電壓20 V為例計算如下

2.2 散熱模塊的選擇、充電電源的選擇

散熱模塊可以根據工作環境，燈珠封裝形式進行靈活選取。

充電電源的選擇是十分重要的。在燈珠串并聯形式一定的情況下，充電電源的電壓基本決定了補光燈的亮度。其具體瓦數要根據車流量來決定，閃光頻繁的地段需要配大功率電源。

2.3 控制模塊的設計

由于控制模塊是LED補光燈的核心部分，所以下面討論其工作原理。

單片機的供電是由充電電源提供的，因為其工作電壓比較低，所以需要使用電源芯片轉換電壓［2］。此芯片也負責為整個控制模塊進行供電。

電源芯片選擇開關型降壓芯片，效率高發熱少，結構也比較簡單。以5 V電壓為例說明其選取。芯片選擇LM2576的5 V版本，其內部含有頻率補償器和固定頻率的振蕩器，能極大地減少外部器件的數量。外接器件形成Buck拓撲，工作穩定，效率達到95%以上。

觸發電路結構如圖4所示。采用有源觸發和無源觸發兩種形式，靈活配合，方便各種控制方式的接入，提高了通用性。由圖可知，觸發電路使用光耦隔離，提高了控制的穩定性，減少外界的干擾，同時也增加了安全性。有源觸發端加入TVS管，防止外接觸發脈沖過大損壞觸發電路。兩個觸發電路的輸出接入到MCU的外部中斷口，不經過中介，提高了反應的速度，保證了閃光的實時性。觸發端接入整個監控控制系統，既可以根據系統設定自動運行，也可以在需要的情況下人工控制其工作。

圖4 觸發電路設計

由于加在LED燈珠兩端的電壓很高，流過其的電流很大。經測量，使用單顆功率為0.06 W的LED草帽燈珠(串并聯方式為3串150并)，加20 V電壓，閃光瞬間輸入電流大約為20 A。所以控制開關管所需耐受的電流需大于80A，這種開關管的驅動電流較大，一般的單片機都無法直接驅動，因此設計了如圖5所示的驅動電路。

MCU的管腳電流可以直接驅動一般NPN或者PNP型三極管［4］，因此利用這種三極管作為中介間接驅動開關管的通斷。

圖5 閃光驅動電路

3 軟件設計

軟件構架如圖所示，控制程序［3］由4大部分組成;外部觸發，爆閃時間設定，背光開啟判斷以及外部通訊端口。構架圖如圖6所示。

圖6 軟件構架圖

為了適應不同控制的需求，加入了通訊端口，使用RS-485串口作為通訊端口。引入串口就可以方便的使補光燈與交通控制系統進行數據的交互，也方便了人工控制的加入。軟件流程如圖7所示，正常工作時，光線感應器傳回數據，程序對外部光照情況進行判斷。程序將光照分為幾級，根據不同的級數對爆閃時間進行設定。同時背光控制子程序也進行判斷，判斷是否要開啟背光。

圖7 軟件流程圖

當自動觸發信號進入時，程序進入中斷1，根據爆閃設定子程序所設定爆閃時間進行閃光［8］。由于設計了通訊接口，可以與終端控制器進行通訊，控制終端調用中斷2就可以很方便的隨時查看補光燈工作情況，同時也可以根據需要在人工控制與自動控制之間進行切換。這樣滿足各不同控制系統的不同要求，一機多用，同時也留下了擴展的功能。根據不同的需求可以輕松的進行功能的擴展。

4 樣機測試

實驗室中使用電流探頭對補光燈爆閃時電流進行的了采樣。采樣波形如圖8所示。從圖中可以看出爆閃時瞬間電流達到近80 A。

圖8 爆閃時電流波形

補光燈整體電路連接以及補光工作效果圖如圖9所示。工作效果圖為在低光照強度下進行，背光已經自動開啟。

圖9 LED補光燈整體控制電路與工作效果圖

5 結論

通過對LED特性的闡述以及對電路的設計和樣機的制作和測試，證明了LED在應用于城市交通補光燈上的獨有的優勢。由于設計時間較短，還是存在一定的不足，會在后續的設計中不斷完善。

［1］Frank Marx.LED照明勢在必行［J］.電子技術，2006(4):80.

［2］Atmel Corporation.ATMEL單片機.http://www.atmel.com.

［3］劉韶濤，潘秀霞，應暉.C語言程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2011:1.

［4］華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006:5.

［5］邴樹奎，高杰.LED在照明工程中的應用［J］.照明工程學報，2010，21(5):101-108.

［6］馬振，劉志軍.關于LED發展趨勢的探討［J］.科技資訊，2010，11:132

［7］朱小光.淺談LED照明技術的應用［J］.硅谷，2010，6:27

［8］李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2001:7.