太阳能照明系统LED驱动器的优化研究与设计

战崇玉

（常州机电职业技术学院，江苏 常州213000）

随着经济的发展，环境污染日益严重，能源需求日渐增大，新能源的开发迫在眉睫。太阳能分布广、可再生、无污染，是未来理想的替代能源，太阳能照明和LED的利用将是新能源研究中的重要对象。伴随对太阳能照明系统各个环节的深入研究，制造和控制技术的不断完善和创新，太阳能照明系统将和LED光源完美结合，而开发利用成本也将降低，普及率和利用效率将显著提高。

1 大功率LED的驱动原理

LED驱动电路的主要功能是将交流或直流转换为恒流电源，并按要求完成与LED的电压和电流的匹配。驱动电路除了要满足安全要求外，主要功能应有两个方面：一是恒流源特性要稳定，二是驱动电路自身功耗要低。

多个LED连接使用时，正向电压和电流必须匹配，才能使整个组件亮度一致。实现恒定电流最简单的方法是将LED串联起来。常见的连接方式有：全部并联、全部串联和混联，它们各有优缺点，前者适合恒压控制，而后者适合恒流控制。

2 太阳能照明系统LED驱动器的设计要求及研究现状

2.1 设计要求

太阳能照明系统中的蓄电池多是24 V，所以设计上多需要进行降压处理，虽然每个LED驱动电路有各自的要求，但要考虑以下几个方面：

（1）提高电源转换效率，减少功耗，特别是电池供电，这样不仅能延长电池的使用时间，还可以减少系统发热量。

（2）电路可靠性要高，必须有过压、欠压、过流等保护，避免因故障损坏LED。

（3）成本要低，体积要小，这便于LED驱动电路的推广和批量生产。

（4）LED串联驱动时，恒流控制较为容易，但驱动电压要求较高，若采用并联驱动，则必须解决LED并联均流的问题。

（5）在大功率LED驱动器中，应防止电源的浪涌电压及接通电路时的冲击波形对LED的损伤。

（6）温度是影响LED寿命的主要影响因素之一，太阳能LED照明系统的热源主要是LED本身，所以建议使LED散热顺畅，降低工作温度。

2.2 LED驱动器的研究现状

LED驱动器主要有 DC／DC和 AC／DC两类。DC／DC驱动器有电容式电荷泵电路和电感式DC／DC电路两种；AC／DC驱动器主要有电容降压电路，工频变压器降压电路，输入Buck降压电路以及单片开关电路等方案。其中，电荷泵电路通过开关阵列、逻辑电路、振荡器、比较控制器实现电压变换。电荷泵电路可以组成升压式或降压式结构。而在电感式DC／DC的LED驱动器的设计中，使用最多是Boost和Buck－Boost，前者多用在电池供电的LED驱动中。

3 基于恒定导通时间控制的LED驱动器的优化设计

3.1 系统设计要求

该大功率LED驱动电路具体技术指标要求如下：

（1）供电电压范围：7～36 V；

（2）最大输出电流：1.5 A；

（3）最大输出功率：30 W；

（4）工作温度范围：－40℃～125℃。

根据设计要求，通过方案对比，最终确立了以恒定导通时间控制模式来设计该LED驱动电路。

3.2 系统总体设计

根据恒定导通时间控制模式的工作原理，本文设计的大功率LED恒流驱动电路芯片基本结构如图1所示。

图1 LED驱动电路芯片结构框图

系统包括带隙基准（VREF）模块、最小关断定时（OFF－TIMER）模块、逻辑控制（LOGIC）模块、比较器（COMP＿0.2、COMP＿0.3）模块、导通定时器（ON－TIMER）模块、电压调整器（Regulator）模块、电平移位（LEVEL＿SHIFT）模块、过温保护（OTP）模块等。大功率LED恒流驱动电路的整体应用电路如图2所示。

图2 大功率LED恒流驱动整体电路原理图

系统上电瞬间，RON脚检查到系统上电，通过EN使能内部Regulator模块，产生内部电源为各模块供电，使系统开始工作。首先，功率管导通，导通时间由ON＿TIMER定时，电流流过LED，并逐渐增大；当定时时间到，功率管立即关断，关断时间由OFF＿TIMER定时，此时LED中的电流逐渐减小；当定时时间到，比较器COMP＿0.2通过CS脚检测采样电阻RSNS上的电压，如果电压高于0.2 V，则继续保持关断；如果电压低于0.2 V，则再次打开功率管完成一个控制周期，周而复始。比较器COMP＿0.3防止LED中的电流过高，CF为Regulator的滤波电容，C1、CB分别为退耦电容和自举电容，RON为定时电阻，可调节ON＿TIMER定时时间。

3.3 主要模块设计

（1）带隙基准电路的设计

带隙基准电路是产生与温度无关的基准电压的电路，带隙基准电路设计的基本思想是利用三极管BE结电压UBE的负温度特性与热电压UT正温度特性相加，在一定条件下，即可得到一个与温度无关的基准电压。本设计中，基准UREF模块负责整个芯片的基准电压和PTAT电流的产生，为芯片提供0.2 V、0.3 V、1.61 V的基准电压信号，其中，0.2 V是为恒定导通控制比较器提供的参考电压，0.3 V、1.61 V是为芯片辅助功能电路提供的参考电压。

（2）ON＿TIMER模块的设计

ON＿TIMER模块主要作用是计时。功率管恒定导通时间由ON＿TIMER模块控制，产生一个与输入电压成反比的恒定导通时间，导通时间由外接电阻Ron确定，且应满足：

经计算，RON＝1.44 MΩ，TON＝3.7μs。在功率管关断后，OFF＿TIMER模块开始定时，定时结束，控制逻辑电路检查CS脚电压，若低于0.2 V，则功率管打开，让功率管恒定导通TON。ON＿TIMER模块的计时时间TON为：a29信号变低至a27信号变高的时间差。

（3）比较器电路的设计

比较器的功能是启动ON＿TIMER电路、打开功率管，与ON＿TIMER电路一起构成电路开关调制器。CS脚把RSNS上的采样电压反馈到两路比较器的反相输入端，一路与连接在同相输入端的0.2 V基准电压进行比较，比较器的输出用于控制功率管的开通；另一路与连接在同相输入端的0.3 V基准电压进行比较，若电流过大，则使RSNS上的电压高于0.3 V，关断功率管，保护电路安全。

3.4 电路主要元件参数选定

（1）输出电感L1

因为电路中采用了输出电容C0，所以LED照明可以接受较大的电感电流纹波，同时考虑到电感的尺寸和电流纹波，电感电流纹波可以上浮15%IP－P，即：

根据电感上的电流、电压和时间TON的关系，可得输出电感L1为205μH，根据实际需求，可选标定为220μH，3 A的电感（防止电感饱和）。

（2）输出电容CO

输出电容主要是为了减小LED串中的纹波电流。大功率LED的串联动态阻抗通常可以从 产品的数据手册上获得，而在计算容抗ZC时，为了便于计算，可认为电流纹波为正弦波。按照设计要求，希望通过电容把LED串中的纹波电流控制为50 mAP－P，而电流纹波为110 mA，负载由两串15颗、额定电阻为1Ω的大功率LED串并联组成，所以总的阻抗是7.5Ω。由于实际输出电容的ESR比交流阻抗小很多，所以ESR可忽略，根据公式

可分别计算出容抗ZC（6.8Ω）和电容量Co（100 nF）的大小。

（3）输入电容CIN

按照电荷守恒定律，输入电容上电荷的变化量应该等于开关管导通时LED灯串上消耗的电荷量。同时，为了使输入电容上电压的变化量不超过UIN的1%P－P，所需输入电容的大小为

除了输入电感和输入、输出电容外，根据设计要求采样电阻RSNS为0.30Ω，肖特基二极管D1的额定电流为1 A，而CB、CF和C1选100 nF即可。

4 结 论

通过对各种驱动方法的对比，确定了设计方案，最终的驱动电路调试效果良好，电能转换率较高，驱动稳定可靠，较好的满足了实际使用需求。但是，有些问题值得注意，例如电路电感、电阻等元件的选择，参数的确定，有时会和理论值有很小的偏差，需要反复试验确定。

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