混合供电LED户外照明驱动器设计

姜俊旗

1 引言

LED作为第四代新型光源，具有低电压供电、节能、使用寿命长等优点。其良好的抗震性能和适宜的数字化调光控制也是其他光源所无法超越的。太阳能是一种绿色环保、零使用成本的能源，通过光电转换实现发电，而LED通过电光转换而发光，这两个过程是互逆的绿色转换过程，使得太阳能电池技术与LED照明灯具成为天作之合，具有极高发展价值。随着LED在发光效率和热阻方面的大大降低，其在照明市场将逐步广泛展开。但是目前太阳能电池的光电转化的电能还不足与应对多变的室外环境，因此太阳能发电与市电混合供电仍然是目前主流的方式，由于市电和太阳能蓄电池的电压以及电流属性的不同，因此必须高效的驱动设备保障太阳能发电的寿命和市电混合使用的智能管理。由于多变的户外环境，太阳能的利用率将受的限制，市电的电压的不稳定以及雷电感应、电网负载启停产生的浪涌等不可预测的环境因素导致驱动电源的寿命在4000H-6000H，本应用将着重混合供电在高效长寿命的驱动电源设计方面进行研究。

2 设计方案

目前LED驱动器的可靠性较低，制约着LED在照明领域的发展，尤其太阳能发电和市电混合供电的驱动器，虽然其只占整个LED照明系统的成本为1/10左右，但是却是照明系统运作的指挥中枢，其对电流、温度等因素的实时反馈控制，保障着整个系统的稳定运作。由于大功率LED电流和电压关系同环境温度和生产工艺有关，在电压模式下容易产生电流失控，因此一般采用恒流驱动。

为实现与LED的匹配，必须从以下几点进行方案设计：

2.1 恒流控制

由于LED正向工作时的结电压相对变化区域很小，因此保证驱动电流的恒定就保证了LED产生恒定的亮度。面对蓄电池电压的不断下降和公共电网的电压供应不稳定和恒流输出避免产生超功率输出以降低LED使用寿命。产生恒流源的一般方法为：

采用PWM开关电源方式，在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过的被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，通过调节开关器件导通脉冲宽度使得被控制信号稳定。一般PWM开关频率为恒定值，取样信号为其各项参数的峰值。

2.2 抗浪涌性

LED具有较差的抗浪涌能力，因此电源设计必须能够抑制浪涌的入侵。雷电感应、电网负载启停都可产生的浪涌，尤其雷电感应产生的广谱无线电波，使电线成为良好的接收天线，由于是两根电源线，因此将产生共模干扰信号，信号强度可达数千伏，接地电容极易被击穿，同时两根电线对地的瞬间阻抗不同而产生高达3000伏的差模电压，可轻松击穿驱动电源的整流二极管和线路板不同极性电极间的电气间隙。因此在设计时必须加入浪涌保护器：

根据区域雷电的发生频率采取不同级别的保护，南方多雷雨天气需要3级以上的保护，而北方少雷区地区一般采用2级以上就可以。开关型浪涌保护器具有较好的瞬时突变能力，因此具有较好的泄放能力。

2.3 高功率因数

由于电网的输入阻抗呈容性，而大量整流电路造成电网网侧输入电压与输入电流间存在较大相位差，输入电流呈脉冲状，产生高次谐波，谐波分量很高，严重干扰电力系统。LED在路灯照明。一般采用主动式PFC有源功率因数调整，它通过高频电感线圈、开关电子管、高压滤波电容以及控制芯片等元件，组成一个可以将输入电压提高的电路，通过升高输入电压来减少电流在流向下级电路中的电能损耗，具有体积小，输入电压宽以及功率因数高等优点，功率因数可达99%。

2.4 良好抗EMI性

开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复，很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。

开关电源同时存在着共模干扰，差模干扰并以共模干扰为主，设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kH。

开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。

2.5 良好IP防护性

由于处于室外的恶劣环境，要保证电路能够正常温定的工作必须做好相应的防护设计，以及电线接头的有效防护，同时要保证器件的良好散热和持续有效性。目前我国路灯的防护标准为IP65，由于LED电源驱动的放置部位有两处可以选择，一是LED灯具一体化，二是放置于灯杆的电源盒。因此上述的情况都应予以考虑。以充分保障其寿命同LED灯具的良好匹配。

2.6 太阳能充电保护

为保障太阳能蓄电池使用寿命，使其工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。整个保护电路由过充和过放保护两部分组成，过充电路提供充电控制功能及充电温度补偿的电压控制电路和充电工作状态控制逻辑电路，电压控制环路来调节充电电流和充电逻辑控制状态的开关充电控制电路，同时必须提供光电检测电路，由于对蓄电池的充电具有主次次序的，在太阳能电池无法完成有效的充电时，才进行充电电路的切换，使其处于较饱和状态，以保障蓄电池的使用寿命；过放电路是为被充电电池提供足够充电电流的功率输出级电路。

3 结论

随着我国节能环保型社会的不断深入，政府引导的LED道路照明示范项目不断扩大，LED光效的不断提高和价格的不断下降，LED户外照明市场将稳步扩大，混合供电LED驱动电源将成为产业的重要收益部分，因此希望通过不断的实践研究，以使其能够共同为LED照明产业进步作贡献。

[1]纪爱华,周志敏.白光LED驱动电路设计与应用实例.

[2]冯垛生,张淼,赵慧,林珊.太阳能发电技术与应用.

[3]俞安琪.采用LED光源的道路灯具应关注的焦点.

[4]白建雄.EMI滤波器的设计以及对辐射EMI的抑制.