100W風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

楊赫博+付賢松+牛萍娟

摘 要： 隨著節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的推廣，風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈以其獨(dú)特的優(yōu)勢走入了人們的視野。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和LED路燈的結(jié)合對LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很大的挑戰(zhàn)。目前采用單開關(guān)管DC/DC LED驅(qū)動控制器進(jìn)行供電雖然能滿足要求，但是功率不能達(dá)到很高，并且不能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。為了輸出短路保護(hù)功能并且達(dá)到較高的功率，設(shè)計(jì)了一種基于LT3791的4開關(guān)Buck?Boost DC/DC LED驅(qū)動控制器。此電路可由12/24 V蓄電池供電，輸出功率可達(dá)100 W，恒流精度可達(dá)到±6%，效率可高達(dá)98.5%。輸出能夠達(dá)到70 V/2 A。該設(shè)計(jì)經(jīng)測試能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際生活中應(yīng)用來滿足夜晚照明需求。

關(guān)鍵詞： 節(jié)能環(huán)保； 風(fēng)光互補(bǔ)； LED； 驅(qū)動電路

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0159?04

Design of drive circuit for 100 W wind?solar complementary LED street lamp

YANG He?bo1，2， FU Xian?song2，3，4， NIU Ping?juan2，3，4

（1. School of Electronics & Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；

2. MOE Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；

3. School of Electrical Engineering & Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；

4. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： With the promotion of energy saving and environmental protection products， the wind?solar complementary LED street lamp has entered people's vision by the aid of its unique advantages. The combination of wind?solar complementation and LED street lamp evoked a great challenge for the design of LED driver circuit. The DC/DC LED drive controller with simple switching tube cannot reach very high power， and can not realize the functon of output short circuit protection though it can meet the power supply requirements currently. In order to achieve output short circuit protection and high power， a 4?switch Buck?Boost DC / DC LED driver controller based on LT3791 was designed in this paper. This circuit can be powered by 12/24 V storage battery， whose output power can be up to 100 W， constant current precision can reach ± 6%， efficiency can be up to 98.5% and output can reach 50 V/2 A. This design was tested. It satisfied the design requirements and the night lighting needs in real life.

Keywords： energy saving and environmental protection； wind?solar complementation； LED； drive circuit

0 引 言

美觀的路燈給大家夜晚的生活帶來光明，并把城市的夜晚裝點(diǎn)得多姿多彩。但是路燈耗電量大，低壓輸電線路長導(dǎo)致輸電線路上的耗電也很大。而隨著能源危機(jī)日益臨近，新能源已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主要能源之一。其太陽能和中風(fēng)能是最常有的自然能源，夏天陽光照射強(qiáng)度高，而冬天風(fēng)大，晴天陽光充足，然而陰雨天則風(fēng)大，這給風(fēng)光互補(bǔ)型路燈的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件[1?2]。

LED路燈以定向發(fā)光、功率消耗低、驅(qū)動特性好、響應(yīng)速度快、抗震能力高、使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢逐漸走入人們的視野、成為目前世界上最具有替代傳統(tǒng)光源優(yōu)勢的新一代節(jié)能光源。從而LED和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保。因此，風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈將成為道路照明節(jié)能改造的最佳選擇。

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)動電路的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1 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、LED驅(qū)動電源、燈桿，外形示意圖如圖1所示。風(fēng)能發(fā)電機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生電能，控制器把調(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]。功能框圖如圖2所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈示意圖

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈功能模塊示意圖

2 LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈采用蓄電池供電，所以LED驅(qū)動電路一般輸入電壓為DC 12/24 V，采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓可達(dá)幾十伏，而輸出電流一般比較大可達(dá)到1～2 A。這就給設(shè)計(jì)帶來了困難，如何實(shí)現(xiàn)升壓的同時實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動就成為了風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。雖然采用單開關(guān)管DC/DC LED驅(qū)動控制器進(jìn)行供電雖然能滿足要求，但是不能達(dá)到較高的功率，并且不能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。為了輸出短路保護(hù)功能并且達(dá)到較高的功率，本文設(shè)計(jì)了一種基于LT3791的4開關(guān)Buck?Boost DC/DC LED驅(qū)動控制器[7?8]。

2.1 LT3791簡介[7]

LT3791是美國凌力爾特公司生產(chǎn)的同步4開關(guān)buck?boost LED驅(qū)動控制器，38引腳SSOP封裝芯片，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LT3782封裝結(jié)構(gòu)圖

LT3791可提供從5～100 W或更高的LED功率，其開關(guān)頻率可在200～700 kHz范圍內(nèi)設(shè)定。 LED 的電流準(zhǔn)度為±6%，可確保恒流照明。 LT3791 按照應(yīng)用要求，可采用模擬或 PWM 調(diào)光。由于采用4開關(guān)管同步開關(guān)結(jié)構(gòu)，效率可高達(dá) 98.5%，并且能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。其他特點(diǎn)包括輸入和輸出電流監(jiān)視、輸入過壓保護(hù)，LED 開路保護(hù)等。

2.2 電源總體設(shè)計(jì)[7，9?10]

基于LT3791設(shè)計(jì)的升壓電路如圖4所示。在升壓模式下，開關(guān)管Q1總是導(dǎo)通，Q2總是關(guān)閉。在每個周期開始時Q4先導(dǎo)通給電感L1充能。然后Q4關(guān)閉，Q3導(dǎo)通，經(jīng)過電容C8濾波后輸出。在圖4中，電阻R7用來設(shè)定LT3791的開關(guān)頻率，這里選擇LT3791的開關(guān)頻率為300 kHz，參考表1選擇R7=84.5 kΩ。電路的輸出電流是通過R11來設(shè)定的，LT3791的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100 mV，這樣輸出電流就可以通過下式計(jì)算：Iout=[100R11]。

表1 LT3791開關(guān)頻率和電阻值的關(guān)系

LED驅(qū)動電路輸出電壓的紋波大小與輸出端的濾波電感及電容的取值有很大影響，電感和電容的取值越大，紋波就會越小。在輸出端加上濾波電感及電容后驅(qū)動電路的性能將更加優(yōu)化。輸出濾波電感計(jì)算如下：

[L=UiDΔILfs] （1）

[D=1-UiUo] （2）

[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）

式中：D為占空比，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，Io為輸出電流，ΔL為電感取值的中間變量，fs為開關(guān)頻率。當(dāng)輸入電壓為24 V，輸出電壓為50 V，頻率為300 kHz時，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本設(shè)計(jì)中取L=0.1 μH。

3 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證電路性能師傅達(dá)到要求，在此利用美國力科公司生產(chǎn)的lecroy 44Xs?A示波器對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行輸出測試。當(dāng)輸入電壓取24 V時所測得的輸出電壓值如圖5所示。圖5顯示輸出電壓為50.2 V能夠滿足要求。電路的輸出總電流應(yīng)該達(dá)到2 A，但是由于LED采用四串并聯(lián)的形式，每串LED應(yīng)該保持電流穩(wěn)定在500 mA。 所以對每串電流進(jìn)行測試。其中任意一串的測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出，電流波動的最大值為520 mA，最小值為466 mA，有效值為503.4 mA，這足以證明輸出電流能夠穩(wěn)定在500 mA左右使LED正常工作，從而說明了電路的輸出電流可以達(dá)到2 A。

圖5 輸出電壓波形

設(shè)計(jì)電路的成功與否在于能夠在風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)與LED路燈巧妙結(jié)合起來。將結(jié)合后的樣品在道路上進(jìn)行測試。經(jīng)過檢測實(shí)際情況證實(shí)此風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈能夠滿足夜晚照明要求。測試如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種可以使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和LED路燈巧妙結(jié)合的LED驅(qū)動電路。

圖6 輸出電流波形

圖7 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈實(shí)際應(yīng)用圖

電路在低輸入電壓情況下，輸出能達(dá)到50 V/2 A，能夠驅(qū)動100 W LED并使其正常工作，效率能夠達(dá)到98.5%，并且實(shí)現(xiàn)了輸出短路保護(hù)功能。并在實(shí)際路燈系統(tǒng)中測試，滿足夜晚的照明要求。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，相信以后會成為節(jié)能路燈的主流產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖貴賢， 汪有源. 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國科技信息，2009（22）：20?21.

[2] 吳治堅(jiān).新能源和可再生能源的利用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 佩敏.白色LED驅(qū)動器的發(fā)展概況[J].今日電子，2002（11）：42?46.

[4] 朱芳，王培紅.風(fēng)能與太陽能光伏互補(bǔ)發(fā)電應(yīng)用及其優(yōu)化[J].上海電力，2009（1）：23?26.

[5] 王宇.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2004.

[6] 計(jì)長安，張秀彬，趙興勇.基于模糊控制的風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（10）：178?184.

[7] 美國凌力爾特公司.LT3791器件手冊[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.

[8] 佚名.高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.

[9] 周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10] HUANG Bruce.隔離式DC/ DC電源轉(zhuǎn)換器推陳出新[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007（10）：107?109.

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)動電路的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1 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、LED驅(qū)動電源、燈桿，外形示意圖如圖1所示。風(fēng)能發(fā)電機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生電能，控制器把調(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]。功能框圖如圖2所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈示意圖

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈功能模塊示意圖

2 LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈采用蓄電池供電，所以LED驅(qū)動電路一般輸入電壓為DC 12/24 V，采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓可達(dá)幾十伏，而輸出電流一般比較大可達(dá)到1～2 A。這就給設(shè)計(jì)帶來了困難，如何實(shí)現(xiàn)升壓的同時實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動就成為了風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。雖然采用單開關(guān)管DC/DC LED驅(qū)動控制器進(jìn)行供電雖然能滿足要求，但是不能達(dá)到較高的功率，并且不能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。為了輸出短路保護(hù)功能并且達(dá)到較高的功率，本文設(shè)計(jì)了一種基于LT3791的4開關(guān)Buck?Boost DC/DC LED驅(qū)動控制器[7?8]。

2.1 LT3791簡介[7]

LT3791是美國凌力爾特公司生產(chǎn)的同步4開關(guān)buck?boost LED驅(qū)動控制器，38引腳SSOP封裝芯片，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LT3782封裝結(jié)構(gòu)圖

LT3791可提供從5～100 W或更高的LED功率，其開關(guān)頻率可在200～700 kHz范圍內(nèi)設(shè)定。 LED 的電流準(zhǔn)度為±6%，可確保恒流照明。 LT3791 按照應(yīng)用要求，可采用模擬或 PWM 調(diào)光。由于采用4開關(guān)管同步開關(guān)結(jié)構(gòu)，效率可高達(dá) 98.5%，并且能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。其他特點(diǎn)包括輸入和輸出電流監(jiān)視、輸入過壓保護(hù)，LED 開路保護(hù)等。

2.2 電源總體設(shè)計(jì)[7，9?10]

基于LT3791設(shè)計(jì)的升壓電路如圖4所示。在升壓模式下，開關(guān)管Q1總是導(dǎo)通，Q2總是關(guān)閉。在每個周期開始時Q4先導(dǎo)通給電感L1充能。然后Q4關(guān)閉，Q3導(dǎo)通，經(jīng)過電容C8濾波后輸出。在圖4中，電阻R7用來設(shè)定LT3791的開關(guān)頻率，這里選擇LT3791的開關(guān)頻率為300 kHz，參考表1選擇R7=84.5 kΩ。電路的輸出電流是通過R11來設(shè)定的，LT3791的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100 mV，這樣輸出電流就可以通過下式計(jì)算：Iout=[100R11]。

表1 LT3791開關(guān)頻率和電阻值的關(guān)系

LED驅(qū)動電路輸出電壓的紋波大小與輸出端的濾波電感及電容的取值有很大影響，電感和電容的取值越大，紋波就會越小。在輸出端加上濾波電感及電容后驅(qū)動電路的性能將更加優(yōu)化。輸出濾波電感計(jì)算如下：

[L=UiDΔILfs] （1）

[D=1-UiUo] （2）

[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）

式中：D為占空比，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，Io為輸出電流，ΔL為電感取值的中間變量，fs為開關(guān)頻率。當(dāng)輸入電壓為24 V，輸出電壓為50 V，頻率為300 kHz時，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本設(shè)計(jì)中取L=0.1 μH。

3 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證電路性能師傅達(dá)到要求，在此利用美國力科公司生產(chǎn)的lecroy 44Xs?A示波器對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行輸出測試。當(dāng)輸入電壓取24 V時所測得的輸出電壓值如圖5所示。圖5顯示輸出電壓為50.2 V能夠滿足要求。電路的輸出總電流應(yīng)該達(dá)到2 A，但是由于LED采用四串并聯(lián)的形式，每串LED應(yīng)該保持電流穩(wěn)定在500 mA。 所以對每串電流進(jìn)行測試。其中任意一串的測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出，電流波動的最大值為520 mA，最小值為466 mA，有效值為503.4 mA，這足以證明輸出電流能夠穩(wěn)定在500 mA左右使LED正常工作，從而說明了電路的輸出電流可以達(dá)到2 A。

圖5 輸出電壓波形

設(shè)計(jì)電路的成功與否在于能夠在風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)與LED路燈巧妙結(jié)合起來。將結(jié)合后的樣品在道路上進(jìn)行測試。經(jīng)過檢測實(shí)際情況證實(shí)此風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈能夠滿足夜晚照明要求。測試如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種可以使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和LED路燈巧妙結(jié)合的LED驅(qū)動電路。

圖6 輸出電流波形

圖7 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈實(shí)際應(yīng)用圖

電路在低輸入電壓情況下，輸出能達(dá)到50 V/2 A，能夠驅(qū)動100 W LED并使其正常工作，效率能夠達(dá)到98.5%，并且實(shí)現(xiàn)了輸出短路保護(hù)功能。并在實(shí)際路燈系統(tǒng)中測試，滿足夜晚的照明要求。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，相信以后會成為節(jié)能路燈的主流產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖貴賢， 汪有源. 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國科技信息，2009（22）：20?21.

[2] 吳治堅(jiān).新能源和可再生能源的利用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 佩敏.白色LED驅(qū)動器的發(fā)展概況[J].今日電子，2002（11）：42?46.

[4] 朱芳，王培紅.風(fēng)能與太陽能光伏互補(bǔ)發(fā)電應(yīng)用及其優(yōu)化[J].上海電力，2009（1）：23?26.

[5] 王宇.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2004.

[6] 計(jì)長安，張秀彬，趙興勇.基于模糊控制的風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（10）：178?184.

[7] 美國凌力爾特公司.LT3791器件手冊[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.

[8] 佚名.高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.

[9] 周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10] HUANG Bruce.隔離式DC/ DC電源轉(zhuǎn)換器推陳出新[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007（10）：107?109.

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)動電路的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1 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、LED驅(qū)動電源、燈桿，外形示意圖如圖1所示。風(fēng)能發(fā)電機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生電能，控制器把調(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]。功能框圖如圖2所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈示意圖

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈功能模塊示意圖

2 LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈采用蓄電池供電，所以LED驅(qū)動電路一般輸入電壓為DC 12/24 V，采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓可達(dá)幾十伏，而輸出電流一般比較大可達(dá)到1～2 A。這就給設(shè)計(jì)帶來了困難，如何實(shí)現(xiàn)升壓的同時實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動就成為了風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。雖然采用單開關(guān)管DC/DC LED驅(qū)動控制器進(jìn)行供電雖然能滿足要求，但是不能達(dá)到較高的功率，并且不能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。為了輸出短路保護(hù)功能并且達(dá)到較高的功率，本文設(shè)計(jì)了一種基于LT3791的4開關(guān)Buck?Boost DC/DC LED驅(qū)動控制器[7?8]。

2.1 LT3791簡介[7]

LT3791是美國凌力爾特公司生產(chǎn)的同步4開關(guān)buck?boost LED驅(qū)動控制器，38引腳SSOP封裝芯片，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LT3782封裝結(jié)構(gòu)圖

LT3791可提供從5～100 W或更高的LED功率，其開關(guān)頻率可在200～700 kHz范圍內(nèi)設(shè)定。 LED 的電流準(zhǔn)度為±6%，可確保恒流照明。 LT3791 按照應(yīng)用要求，可采用模擬或 PWM 調(diào)光。由于采用4開關(guān)管同步開關(guān)結(jié)構(gòu)，效率可高達(dá) 98.5%，并且能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能。其他特點(diǎn)包括輸入和輸出電流監(jiān)視、輸入過壓保護(hù)，LED 開路保護(hù)等。

2.2 電源總體設(shè)計(jì)[7，9?10]

基于LT3791設(shè)計(jì)的升壓電路如圖4所示。在升壓模式下，開關(guān)管Q1總是導(dǎo)通，Q2總是關(guān)閉。在每個周期開始時Q4先導(dǎo)通給電感L1充能。然后Q4關(guān)閉，Q3導(dǎo)通，經(jīng)過電容C8濾波后輸出。在圖4中，電阻R7用來設(shè)定LT3791的開關(guān)頻率，這里選擇LT3791的開關(guān)頻率為300 kHz，參考表1選擇R7=84.5 kΩ。電路的輸出電流是通過R11來設(shè)定的，LT3791的ISP和ISN引腳之間的參考電壓為100 mV，這樣輸出電流就可以通過下式計(jì)算：Iout=[100R11]。

表1 LT3791開關(guān)頻率和電阻值的關(guān)系

LED驅(qū)動電路輸出電壓的紋波大小與輸出端的濾波電感及電容的取值有很大影響，電感和電容的取值越大，紋波就會越小。在輸出端加上濾波電感及電容后驅(qū)動電路的性能將更加優(yōu)化。輸出濾波電感計(jì)算如下：

[L=UiDΔILfs] （1）

[D=1-UiUo] （2）

[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）

式中：D為占空比，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，Io為輸出電流，ΔL為電感取值的中間變量，fs為開關(guān)頻率。當(dāng)輸入電壓為24 V，輸出電壓為50 V，頻率為300 kHz時，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本設(shè)計(jì)中取L=0.1 μH。

3 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證電路性能師傅達(dá)到要求，在此利用美國力科公司生產(chǎn)的lecroy 44Xs?A示波器對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行輸出測試。當(dāng)輸入電壓取24 V時所測得的輸出電壓值如圖5所示。圖5顯示輸出電壓為50.2 V能夠滿足要求。電路的輸出總電流應(yīng)該達(dá)到2 A，但是由于LED采用四串并聯(lián)的形式，每串LED應(yīng)該保持電流穩(wěn)定在500 mA。 所以對每串電流進(jìn)行測試。其中任意一串的測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出，電流波動的最大值為520 mA，最小值為466 mA，有效值為503.4 mA，這足以證明輸出電流能夠穩(wěn)定在500 mA左右使LED正常工作，從而說明了電路的輸出電流可以達(dá)到2 A。

圖5 輸出電壓波形

設(shè)計(jì)電路的成功與否在于能夠在風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)與LED路燈巧妙結(jié)合起來。將結(jié)合后的樣品在道路上進(jìn)行測試。經(jīng)過檢測實(shí)際情況證實(shí)此風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈能夠滿足夜晚照明要求。測試如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種可以使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和LED路燈巧妙結(jié)合的LED驅(qū)動電路。

圖6 輸出電流波形

圖7 風(fēng)光互補(bǔ)型LED路燈實(shí)際應(yīng)用圖

電路在低輸入電壓情況下，輸出能達(dá)到50 V/2 A，能夠驅(qū)動100 W LED并使其正常工作，效率能夠達(dá)到98.5%，并且實(shí)現(xiàn)了輸出短路保護(hù)功能。并在實(shí)際路燈系統(tǒng)中測試，滿足夜晚的照明要求。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，相信以后會成為節(jié)能路燈的主流產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖貴賢， 汪有源. 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國科技信息，2009（22）：20?21.

[2] 吳治堅(jiān).新能源和可再生能源的利用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 佩敏.白色LED驅(qū)動器的發(fā)展概況[J].今日電子，2002（11）：42?46.

[4] 朱芳，王培紅.風(fēng)能與太陽能光伏互補(bǔ)發(fā)電應(yīng)用及其優(yōu)化[J].上海電力，2009（1）：23?26.

[5] 王宇.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2004.

[6] 計(jì)長安，張秀彬，趙興勇.基于模糊控制的風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（10）：178?184.

[7] 美國凌力爾特公司.LT3791器件手冊[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.

[8] 佚名.高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.

[9] 周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10] HUANG Bruce.隔離式DC/ DC電源轉(zhuǎn)換器推陳出新[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007（10）：107?109.