电梯专用LED应急照明驱动电源的设计

付道军，付 河

(广州广日电气设备有限公司，广东 广州 511447)

引言

电梯系统是一个与人身安全息息相关的特种设备，有其特殊的电气复杂性，应急照明为其重要组成部分，保障电梯应急照明系统的可靠性显得尤为重要。传统的应急照明基本使用白炽灯，但其有一些弊端，比如电量消耗大、能效低、照度低、使用寿命短等。随着LED性能的提升，LED因其环保、节能、抗震、使用寿命长等特点，逐渐替代白炽灯作为电梯应急照明，较好地克服了白炽灯的这些弊端。由于LED对电源有较高的要求，选择稳定可靠，持久耐用的应急照明方案并优化驱动电源，不但可以减少应急照明系统的维护，更重要的是可以提高电梯系统的运行效率和可靠性，具有保障电梯安全运行具有重大意义。

1 LED应急照明驱动电源的工作原理

根据应急备用电源的基本工作原理,LED应急照明驱动电源应满足以下工作要求：在有市电时，直接由市电供电，用AC/DC驱动控制电路转换提供低压直流电源，主要为正常检修时LED灯具供电，以及给系统自带的备用电池充电；在发生故障时，或者市电停电时为应急备用电池为用电设备供电，包括LED应急灯的驱动。

根据此工作原理，LED应急照明驱动电源由四部分组成(如图1所示)。

图1 LED应急照明驱动电源的结构框图Fig.1 The structure of the drive power supply for LED emergency lighting

图1中，深色的四个模块是LED应急照明驱动电源基本功能模块。其中，AC/DC恒压驱动电路是用于市电给蓄电池充电，同时还为其他直流用电设备提供驱动电源。输入电源选择辅助回路是控制在有市电时蓄电池没有输出，只有在应急状态下蓄电池才有电压输出。LED应急驱动电路是用于驱动LED应急灯。由于LED需要特定的驱动电源来提供稳定的电流电压才能可靠的正常工作，所以对于LED应急灯的驱动电路的设计就显得尤为重要。另外，蓄电池是一个集成部件，与电路设计无关。因此电路设计主要AC/DC恒压驱动电路，输入电源选择辅助回路，及LED应急照明驱动电路由三个模块来组成。下面将主要介绍这三个模块的电路设计。

2 LED应急照明驱动电源的电路设计

本部分围绕LED应急照明驱动电源的三个电路设计部分展开，即AC/DC恒压驱动电路、输入电源选择辅助回路、LED驱动电路。其中AC/DC恒压驱动电路和输入电源选择辅助回路一起为LED应急照明驱动电路提供一个稳定的直流输入电压源，LED应急照明驱动电路将输入的电源经恒流稳压控制后直接驱动LED应急灯。在应急状态下，由蓄电池给LED应急照明驱动电路供电。将重点介绍较特殊应用的蓄电池作为输入电源的LED应急照明驱动电路。

2.1 AC/DC恒压驱动电路设计

开关电源被誉为高效、节能电源，是目前能量变换中效率最高的,而且体积小、重量轻。应急备用电源中用开关电源是符合电梯应用环境的最佳方式。需要的是从AC220V电压转换为DC12V电压，所以选择Buck拓扑结构的开关电源电路。

图2是Buck拓扑结构的开关电源原理示意框图。

图2 Buck拓扑结构原理框图Fig.2 Buck topology block diagram

其中，脉宽调制器使用SANKEN芯片A6051，是内置MOSFET的电源驱动IC，简化了电路设计。恒压反馈电路设计采用常用的LM258运算放大器实现。电压采样基准电压由TL431提供2.5V的基准电源电压。输出端电压电流的取样电压和TL431的基准电压比较，经过运算放大器LM258的P1脚输出一个调节电压电流，达到恒压DC12V输出的效果，可以给蓄电池充电。

2.2 输入电源选择辅助回路的设计

LED应急照明电源应用方式，在有市电时，用市电通过应急备用电源恒压恒流供电，照明以及给蓄电池充电。在市电停电或有故障时，由应急备用电源中自带的蓄电池供电。要完成这两种输入电源的选择，就需要一个输入电源选择辅助电路。 输入电源选择辅助回路设计原理如图3 所示。

12V蓄电池输出的控制是通过继电器来实现的，接继电器的常闭开关,通过三极管来控制。市电正常供电时，三极管导通，使继电器常闭触头断开，继电器断开，故此时，12V蓄电池无输出。市电没有电压输入时，控制三极管不工作,使继电器闭合，接通蓄电池输出电路，实现蓄电池电压的输出。只要备用电池有电，就可以保证DC12V持续稳定的输出。给LED驱动电路提供持续的电压。

图3 辅助回路设计原理框图Fig.3 Schematic diagram of auxiliary circuit design

2.3 LED驱动电路的设计

LED正向伏安特性非常陡，需要稳定的电流，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。因此要让LED灯能可靠的工作，必须要配置恒流稳压的电源来驱动。

2.3.1 LED驱动电路方案的选择

本LED驱动电路选择开关电源驱动电路作为驱动方案。一般来看，LED恒流驱动方案有镇流电阻、线性恒流驱动、开关电源驱动等。

镇流电阻方案，原理是电路串联限流电阻，此电路的优点是简单、成本低，缺点是电流稳定度不高、电阻发热消耗功率、导致用电效率低。线性恒流驱动电路，利用电子技术常见的电流负反馈原理，设计出恒流驱动电路，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。这两种驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90%以上。使用开关电源方案设计的恒流稳压电源驱动LED是一个较好思路。恒流源可以避免因输入电压的波动使输出电流波动，这也使得LED的亮度始终保持不变。

本LED应急照明驱动电源中是以备用蓄电池作为应急LED灯驱动电源的输入电源，所以要选择DC/DC的开关电源。 DC/DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)三种基本拓扑。不过也有专家认为最基本的拓扑是buck和boost，其他均由此演变而来。

Buck电路是用于降压电路。Boost电路是用于升压电路。Buck-Boost电路用于升降压电路。其输出平均电压Vo=DVs/(1-D)大于或小于输入电压Vs，极性相反，电感传输。是反激变换器的原型。

根据LED应急照明驱动电源产品在电梯系统中应用的特点，需要设计出一个具有自动升降压功能的电路。以适应，在电池电压充足时，或负载LED额定电压低于电池输出电压时，自动降压恒流驱动输出；在电池电压变低或需要驱动的LED灯负载额定电压高压电池输出电压情况下，自动升压恒流驱动输出。这里就应用不常见的升降压电路单端初级电感转换器(SEPIC)。

2.3.2 LED驱动电路所选拓扑电路原理说明

下面对LED驱动电路所选拓扑、单端初级电感变换器的电路工作原理进行分析介绍。

单端初级电感变换器(Single Ended Primary Inductor Converter，简称SEPIC)电路的效率通常可达90%以上。此外，在传统的Buck，Boost拓扑结构中，只能实现单一的升压或降压。而SEPIC拓扑结构既可实现降压，又可实现升压。SEPIC由两个松耦合的电感替代了传统拓扑结构的单一电感。通过缠绕在同一磁芯上的两个耦合电感，在适当的匝数比下，可在理论上使输入电流的纹波电流降为零，进而大大削减输入的电磁干扰，提高转换器的转换效率。

SEPIC 的电气原理简图如图4所示。

图4 SEPIC 拓扑结构Fig.4 SEPIC topology

通常称之为升降压变换器 SEPIC 的简单原理如图1所示： SEPIC 设计中具有原边电感(L1)、副边电感(L2)和位于两个电感之间的串联电容(Cp)，某种程度上，可以把SEPIC 设计看作是具有隔直流电容(消除输入电压)的BOOST 调节器，允许输出电压高于或低于输入电压。然而，为了复位隔直流电容，允许能量传递到输出端，在副边放置了另一个电感L2。

对电路进行分析，会发现Cp 上的直流电压等于输入电压，当MOSFET(图中用SW代替)导通时，Vin 为L1 充电、Cp 为L2 充电。由于Cp上的电压等于输入电压，导通期间每个电感电压相同。关闭期间，每个电感的放电电压相同——输出电压加上D1 的导通电压。由于L1 和L2 具有相同的充、放电电压，它们可以具有相同的电感量和纹波电流，但二者的平均电流相差较大。

MOSFET管导通时，D1 反偏，只有输出电容Cout支持输出电流(Iout)；MOSFET断开时，L1 的电感电流流过Cp，与L2 电流合并，为输出电容充电并支持Iout。通过对方程式进行分析，会发现电路中L2 的电流用于支持Iout，L1 的电流重新为输出电容充电，补充能量。即L2 的平均电流等于Iout，而L1 的平均电流等于Iout×Vout/Vin。由SEPIC 的原理可推出基本关系式：Vout/Vin=D/(1-D)。式中D为占空比，且忽略SW 及D1 等的压降。

电路是可升降压的DC/DC直流开关变换电路，通过控制开关管S的PWM信号中的占空比，便可达到升降压的目的。

2.3.3 LED驱动电路所选拓扑的电路设计

具体设计原理图如图5所示，是一个典型的SEPIC BUCK-Boost 恒流LED驱动电路。驱动IC选择XL6005，60V，4A的开关控制芯片。

图5 SEPIC拓扑LED驱动电路图Fig.5 SEPIC LED drive circuit

VIN是恒流驱动电路的电源输入端，输入电压范围8V～30V。VOUT+，VOUT-接LED应急灯。R1，RCS1，RCS2，组成了一个输出电流调节电路。

输出电流调节电阻：

(1)

(2)

公式(1)、(2)计算得出：

由于当前电梯系统中配备的LED应急灯大多是3W～5W的。在应急状态下驱动电流选择为350mA。电阻选择RCS1=1.21R±1%，RCS2=1.3R±1%，输出电流就很精确了，可以驱动6串LED灯珠。满足了12V应急备用电池输入，可以驱动1～6个LED应急灯，应急驱动电流350mA。至此，整个应急驱动电源设计完成。

经过实际应用验证了这款电源设计拓扑结构简单，成本低廉，稳定，能够适应不同种电梯或不同公司配备不同功率的LED应急灯的驱动需要。

3 结论

本文介绍了电梯专用LED应急照明驱动电源的设计方案。电梯专用LED应急照明驱动电源电路设计部分由三大模块构成，AC/DC稳压电路，输入电源选择回路和LED恒流驱动电路。其中输入电压与输出电压范围有交迭的LED应急照明驱动电路，选择非常见的单端初级电感转换器(SEPIC)结构的电路，详细介绍了SEPIC变换器的工作原理、元件选择的依据，以及一些常用芯片的典型应用电路。电路具有实用、节能、长寿、电路合理、安装方便、可靠性高等特点。

致谢：感谢LED特种灯具及智能照明监控系统研发及产业化科学技术研究项目的支持，感谢罗婉霞女士的耐心指导。

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