基于蓄电池供电的自适应LED净化灯照明系统

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净化灯时，电流控制是必需的。除此之外，LED净化灯光源的照度直接与电流相关，所以控制LED净化灯的驱动电流，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净化灯组成的阵列，使用LTC3783作为控制器，实现PWM控制。本电路设计可以同时对LED净化灯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净化灯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净化灯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子弹头形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净化灯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

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