無線LED照明驅動系統方案設計

唐嘉銘 ，鄭 陽，李 暉，李志芳

（1.福建師范大學 光電與信息工程學院，福建 福州 350007；2.University of Florida，Gainesville，FL 32611）

無線LED照明驅動系統方案設計

唐嘉銘1，鄭 陽2，李 暉1，李志芳1

（1.福建師范大學 光電與信息工程學院，福建 福州 350007；2.University of Florida，Gainesville，FL 32611）

本文主要提出以電磁耦合與電磁共振的方式，為LED提供無線驅動電能。采用高精度的正激變換恒流源驅動LED，并利用光電池進行光照強度采集反饋調整恒流源電流以控制LED發光強度，保證光照恒定。此外該系統還在電網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載而引入電網的高次諧波。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，同時在高效管理光照能耗的情況下不影響電網電能質量，因此其具有深厚的實用價值和應用潛力。

無線供電；高精度恒流源；諧波補償；LED照明

LED光源近十年來發展達到了新月異的程度，很快應用到汽車、建筑物、醫療、景觀照明等終端市場，LED照明變得比傳統照明更加可靠及高效，在市場上也越來越普及。但LED的安裝使用卻受到輸電線鋪設的束縛，影響了其使用場合的靈活性；同時，由于LED本身，驅動源的高頻變壓器、功率開關管等非線性器件的存在，會導致引入電網中的諧波電流增大，影響電網供電質量[1]。而目前卻少見有同時考慮降低無線供電給電網帶來諧波影響的無線LED照明等成套的系統報道。因此本文給出了一套具有諧波補償功能的LED無線驅動方案。該方案能在方便LED靈活安裝的同時，根據光照的采集反饋來調節LED至合適亮度。這些對LED的普及，提高供電安全性和可靠性，高效節約電能都將十分有益。

1 系統的總體設計

本系統主要有：無線供電模塊、恒流驅動源模塊、有源電力濾波器（APF）模塊、控制電路，系統總體框圖如圖1所示。其中，逆變裝置、整流濾波2構成無線供電模塊；正激變換電路、整流濾波3構成恒流源驅動模塊。MCU通過光電池進行光照采集對輸出電流進行反饋調節以使輸出穩壓、恒流。APF通過主控制器輸出電流來抵消由無線驅動模塊注入電網的電流諧波，以改善輸入端電能質量。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Block diagram of the system

2 系統電路設計

2.1 無線供電系統設計

無線供電系統由控制端、發射端、負載整流電路組成，分別通過電磁耦合（近距離傳輸方式）和電磁共振（遠距離傳輸方式），實現無線供電，系統結構圖如圖2所示。

圖2 無線供電系統結構圖Fig.2 Block diagram of wireless power supply system

發射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負責將直流電（DC）轉化為交流電（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現無線供電[3]，如圖 3。

圖3 近距離傳輸Fig.3 Close transmission

遠距離逆變頻率為1 MHz，通過電磁共振的方式傳輸[4],采用空心變壓器耦合，將初級和次級分別纏繞在圓筒上，作為傳輸介質，達到遠距離電能傳輸，如圖4所示。

圖4 遠距離傳輸Fig.4 Long-distance transmission

本系統通過智能切換傳輸方式，達到穩定的高效傳輸電能。次級在初級等效電阻與距離的關系如圖5，z為阻抗，L為距離，只有在L0的位置等效阻抗為最小。根據此原理，當接收距離遠離L0時，阻抗增大，初級電流減小，通過霍爾電流傳感器采集初級輸入電流大小，判斷模式的切換。

圖5 次級在初級等效阻抗Fig.5 Primary-referred impedance

2.2 恒流源電路

恒流源系統主要由DC/DC正激變換電路[5]和MCU控制電路組成。正激變換電路為LED恒流驅動源，如圖6。逆變器輸出經整流濾波后以芯片L7824ACV作穩壓，為DC/DC變換電路提供+24 V輸入。該結構的恒流源具有高精度輸出的特點，其輸出功率取決于變壓器參數的選擇，一般能達32 W以上，滿足大多數人LED照明應用場合的功率要求[6]。

該電路采用TL494作恒流控制芯片，開關頻率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）設定，通過電位器 R4調節死區時間，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，用來限制最大輸出電壓。當輸出電流變化時，引腳2（1IN-）的電位也隨之變化，通過TL494內部誤差放大比較以后改變PWM驅動信號的占空比，實現輸出電流的負反饋調整。單片機通過A/D采集光電池電壓，進行判斷后輸出PWM經過低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準電壓來改變輸出電流大小，達到自動調節LED發光強度的目的，其中運放作的電壓跟隨器起隔離和增強驅動能力的作用。調節R2可改變基準電壓與輸出電流的比例關系。L1、D3為磁泄放繞組，以防止變壓器初級線圈磁飽和，使在開關管關斷期間能為初級線圈提供磁復位。由于TL494驅動能力有限，所以通過三極管推挽輸出，增加TL494驅動能力。

表1為以輸出16 W為例的DC/DC變換電路實物測試結果，證明了該恒流源能夠實現較高效率和高精度的電流輸出。

圖6 LED恒流驅動電路Fig.6 LEDs’constant current driver

表1 恒流源測試結果Tab.1 Test result of the constant current driver

2.3 諧波補償系統

2.3.1 系統硬件結構

諧波補償系統硬件主要由有源電力濾波器（APF）完成，結構如圖7所示。本文采用TMS320F2812型號的數字信號處理器（DSP）作為核心控制和信號處理單元。調理電路主要有電流/電壓傳感器信號放大、整流，抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負載端三相電流，通過信號調理電路送入DSP經A/D采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅動逆變器對諧波電流作相應的抵消,以電流傳感器2采樣輸出的補償電流作反饋調節。逆變器直流母線電壓經霍爾電壓傳感器變換供給DSP的內部A/D采集，通過算法控制其直流側電容電壓穩定。三相電壓信號的過零點作為過零觸發信號，作為每個周期軟件處理清零和起始信號[7]。

圖7 諧波補償系統硬件結構框圖Fig.7 Block diagram of harmonics compensation system hardware

2.3.2 諧波電流萃取算法

1）三相瞬時無功功率原理

該補償系統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無功功率理論（亦稱ip-iq算法）[8]-[9]。該檢測法通過某一轉移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip和iq電流分量有機地結合起來，并以此為出發點可以分別得到三相電流諧波和無功電流，其表達式為：

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

當要求同時檢測出諧波和無功電流時，只需忽略計算ip的通道，由ipf計算出被檢測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功分量。

2）仿真結果

3 結 論

該系統沒有電線的限制，LED可以在無線供電接受范圍內任意安裝，并通過光電傳感器自動感光來調節LED亮度。同時利用有源電力濾波器諧波補償技術，設計出與無線驅動模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統運作中的高次電流諧波，降低輸電網的總諧波失真。本設計可以應用到家居、車載、場景或景觀LED照明中，有效地提高照明分布的靈活性，節約電能和減小光污染，并改善電能質量，有著廣泛的應用前景。

圖8 三相瞬時無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：201405029

國家自然科學基金（61178089，81201124）；福建省科技廳重點項目（2011Y0019）

唐嘉銘(1989—)，男，廣東江門人，碩士研究生。研究方向：光聲成像系統電路設計、開關電源設計。