LED补光灯的设计与研究*

周迎新，秦会斌*，侯艳波，沈 煜，秦惠民

(1.杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，杭州310018;2.浙江省能源与核技术应用研究院，杭州310000;3.嘉善福尼电子有限公司，嘉善314100)

随着世界经济的高速发展，环境和能源问题受到越来越多的关注。各种灯具发光所消耗的能源在全球能源消耗量里占有不可忽视的比重。据统计照明应用领域消耗的能源约占全球所有能源消耗的19%［1］。因此使用更节能环保的照明技术越来越重要［6-7］。

如今随着生活节奏的加快，我国的汽车保有量越来越大，因而对道路交通的监控和监管越来越重要。有效的了解和收集道路信息，对过往车辆的监控，这就需要对车辆进行拍照记录。摄像头对灯光的要求比较高，特别是夜间光照极低的环境下为了取得车辆以及车牌号的清晰图像，道路监控用补光灯就显得十分的有必要。

道路监控补光灯要求待机功耗低，有触发信号时能够瞬间达到最高亮度。由于LED是固体光源，具有体积小，响应快［5］，可以模块组合，节能等特点十分适合道路监控补光灯的要求。

图1 整体原理框图

1 总体原理框图及工作原理

如图1所示闪光灯原理框图，由充电电源，控制器(MCU)，储能电容，光敏传感器及辅助电源和散热风扇组成。

LED灯珠的光通量与其流过的电流基本成正比，如图2所示。其流过的电流又与其两端所加电压呈指数倍关系，如图3所示。所以灯珠两端电压提高可以提高亮度，但是也不能无限制的提高。过高的电压会烧毁灯珠。LED灯珠可以在很短时间内耐受大电流，因此利用这个特点瞬间内提高电压使其闪烁，用于道路的监控拍摄补光。

图2 相对光通量与正向电流关系特性

图3 LED伏安特性曲线(Ta=25℃)

2 主要模块工作原理

2.1 储能电容的选择

LED补光灯待机时平均功耗较小，但是由于瞬间闪烁所输出的功率非常大(道路监控拍摄所用补光灯闪烁时的输出功率超过200 W)，因此一般的小功率电源无法瞬间提供如此之大的能量，所以采用了小功率充电电源加大容量储能电容的组合。这样待机时功耗小于10 W，又能保证闪烁时提供足够的能量。以闪光瞬时输出为200 W闪光时间100 ms电容电压20 V为例计算如下

2.2 散热模块的选择、充电电源的选择

散热模块可以根据工作环境，灯珠封装形式进行灵活选取。

充电电源的选择是十分重要的。在灯珠串并联形式一定的情况下，充电电源的电压基本决定了补光灯的亮度。其具体瓦数要根据车流量来决定，闪光频繁的地段需要配大功率电源。

2.3 控制模块的设计

由于控制模块是LED补光灯的核心部分，所以下面讨论其工作原理。

单片机的供电是由充电电源提供的，因为其工作电压比较低，所以需要使用电源芯片转换电压［2］。此芯片也负责为整个控制模块进行供电。

电源芯片选择开关型降压芯片，效率高发热少，结构也比较简单。以5 V电压为例说明其选取。芯片选择LM2576的5 V版本，其内部含有频率补偿器和固定频率的振荡器，能极大地减少外部器件的数量。外接器件形成Buck拓扑，工作稳定，效率达到95%以上。

触发电路结构如图4所示。采用有源触发和无源触发两种形式，灵活配合，方便各种控制方式的接入，提高了通用性。由图可知，触发电路使用光耦隔离，提高了控制的稳定性，减少外界的干扰，同时也增加了安全性。有源触发端加入TVS管，防止外接触发脉冲过大损坏触发电路。两个触发电路的输出接入到MCU的外部中断口，不经过中介，提高了反应的速度，保证了闪光的实时性。触发端接入整个监控控制系统，既可以根据系统设定自动运行，也可以在需要的情况下人工控制其工作。

图4 触发电路设计

由于加在LED灯珠两端的电压很高，流过其的电流很大。经测量，使用单颗功率为0.06 W的LED草帽灯珠(串并联方式为3串150并)，加20 V电压，闪光瞬间输入电流大约为20 A。所以控制开关管所需耐受的电流需大于80A，这种开关管的驱动电流较大，一般的单片机都无法直接驱动，因此设计了如图5所示的驱动电路。

MCU的管脚电流可以直接驱动一般NPN或者PNP型三极管［4］，因此利用这种三极管作为中介间接驱动开关管的通断。

图5 闪光驱动电路

3 软件设计

软件构架如图所示，控制程序［3］由4大部分组成;外部触发，爆闪时间设定，背光开启判断以及外部通讯端口。构架图如图6所示。

图6 软件构架图

为了适应不同控制的需求，加入了通讯端口，使用RS-485串口作为通讯端口。引入串口就可以方便的使补光灯与交通控制系统进行数据的交互，也方便了人工控制的加入。软件流程如图7所示，正常工作时，光线感应器传回数据，程序对外部光照情况进行判断。程序将光照分为几级，根据不同的级数对爆闪时间进行设定。同时背光控制子程序也进行判断，判断是否要开启背光。

图7 软件流程图

当自动触发信号进入时，程序进入中断1，根据爆闪设定子程序所设定爆闪时间进行闪光［8］。由于设计了通讯接口，可以与终端控制器进行通讯，控制终端调用中断2就可以很方便的随时查看补光灯工作情况，同时也可以根据需要在人工控制与自动控制之间进行切换。这样满足各不同控制系统的不同要求，一机多用，同时也留下了扩展的功能。根据不同的需求可以轻松的进行功能的扩展。

4 样机测试

实验室中使用电流探头对补光灯爆闪时电流进行的了采样。采样波形如图8所示。从图中可以看出爆闪时瞬间电流达到近80 A。

图8 爆闪时电流波形

补光灯整体电路连接以及补光工作效果图如图9所示。工作效果图为在低光照强度下进行，背光已经自动开启。

图9 LED补光灯整体控制电路与工作效果图

5 结论

通过对LED特性的阐述以及对电路的设计和样机的制作和测试，证明了LED在应用于城市交通补光灯上的独有的优势。由于设计时间较短，还是存在一定的不足，会在后续的设计中不断完善。

［1］Frank Marx.LED照明势在必行［J］.电子技术，2006(4):80.

［2］Atmel Corporation.ATMEL单片机.http://www.atmel.com.

［3］刘韶涛，潘秀霞，应晖.C语言程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2011:1.

［4］华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006:5.

［5］邴树奎，高杰.LED在照明工程中的应用［J］.照明工程学报，2010，21(5):101-108.

［6］马振，刘志军.关于LED发展趋势的探讨［J］.科技资讯，2010，11:132

［7］朱小光.浅谈LED照明技术的应用［J］.硅谷，2010，6:27

［8］李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001:7.