本實(shí)用新型涉及驅(qū)動(dòng)電源，尤其涉及一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源。

背景技術(shù)：

近年來(lái)隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能LED路燈已進(jìn)入了城市照明領(lǐng)域。太陽(yáng)能LED路燈無(wú)需鋪設(shè)電纜電線(xiàn)，無(wú)需交流電能和電費(fèi)等特點(diǎn)，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和實(shí)用等特點(diǎn)。LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其壽命極易受到溫度影響。為了延長(zhǎng)太陽(yáng)能LED路燈的使用壽命，要采用恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能LED燈。目前大多數(shù)的恒流驅(qū)動(dòng)電源存在著電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、可靠性低、轉(zhuǎn)換效率不高、價(jià)格比昂貴等缺點(diǎn)。因此，研發(fā)成本低廉、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高的恒流驅(qū)動(dòng)電源具有重大的實(shí)現(xiàn)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種成本低廉、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高的大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源。

本實(shí)用新型提供了一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源，包括功率電感L、PWM調(diào)制電路A₁、PWM調(diào)制電路A₂、續(xù)流二極管D、電源負(fù)載R_L、濾波電容C、開(kāi)關(guān)管T和電源DC，其中，所述電源DC的正極與所述功率電感L的一端連接，所述功率電感L的另一端與所述續(xù)流二極管D的正極輸入端連接，所述續(xù)流二極管D的負(fù)極輸出端分別與所述電源負(fù)載R_L的一端、濾波電容C的一端連接，所述電源負(fù)載R_L的另一端、濾波電容C的另一端分別與所述電源DC的負(fù)極連接，所述電源負(fù)載R_L、濾波電容C相并聯(lián)，所述開(kāi)關(guān)管T的源極與所述電源DC的負(fù)極連接，所述開(kāi)關(guān)管T的漏極連接于所述功率電感L、續(xù)流二極管D之間，所述開(kāi)關(guān)管T的柵極與所述PWM調(diào)制電路A₂的輸出端連接，所述PWM調(diào)制電路A₂的正極輸入端與所述PWM調(diào)制電路A₁的輸出端連接，所述PWM調(diào)制電路A₁的負(fù)極輸入端連接于所述續(xù)流二極管D、電源負(fù)載R_L之間。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述PWM調(diào)制電路A₁、PWM調(diào)制電路A₂產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓U_g，開(kāi)關(guān)管T在開(kāi)關(guān)電壓U_g的作用下，斷開(kāi)和閉合。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T閉合時(shí)，續(xù)流二極管D反偏而截止。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，續(xù)流二極管D正偏而導(dǎo)通。

本實(shí)用新型還提供了一種如上述任一項(xiàng)所述的大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管T閉合時(shí)，流過(guò)功率電感L上的電流性線(xiàn)增大，這時(shí)功率電感L儲(chǔ)能，功率電感L上電壓表示為

$U_L=U_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}---\left(1\right)$

對(duì)(1)式兩邊進(jìn)行積分,整理得到功率電感L的電流i_L增量

${\mathrm{\Δi}}_{L1}=\frac{1}{L}{\∫}_0^{T_{ON}}{U}_{in}dt=\frac{1}{L}{U}_{in}{T}_{ON}---\left(2\right)$

其中,T_ON為開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，流過(guò)功率電感L上的電流性線(xiàn)變小，功率電感L放能,電流i_L減少量表示為

${\mathrm{\Δi}}_{L2}=\frac{1}{L}{\∫}_0^{T_{OFF}}(U_O-U_{in})dt=\frac{1}{L}(U_O-U_{in})T_{OFF}---\left(3\right)$

其中，T_OFF為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間；

當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí),功率電感L上的電流的變化量相等,即(2)式等于(3)式，所以有

U_inT_ON＝(U_O-U_in)T_OFF (4)

令D₁＝T_ON/T_S,D₂＝T_OFF/T_S,T_S為開(kāi)關(guān)周期,利用D₁+D₂＝1關(guān)系式，可得到輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系

$\frac{U_O}{U_{in}}=\frac{1}{1-D_1}=\frac{1}{D_2}---\left(5\right)$

由(2)式，得到電感紋波電流、開(kāi)關(guān)頻率和電感之間的關(guān)系為

${\mathrm{\Δi}}_{L1}=\frac{1}{{\mathrm{Lf}}_s}{U}_{in}{D}_1---\left(6\right)$

(6)式表明，功率電感L的紋波電流大小與輸入電壓U_in和占空比D₁成正比與電感量L和開(kāi)關(guān)頻率fs成反比,(6)式是選定電感量的重要的理論依據(jù)；

當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸入電功率與輸出電功率相等

U_inI_LA＝U_OI_O (7)

其中,I_LA電感上的平均輸入電流,I_O為輸出平均電流，把(5)代入(7)式得電感上的平均輸入電流表達(dá)式

$I_{LA}=\frac{I_O}{(1-D_1)}---\left(8\right)$

(8)式表明,功率電感L的平均電流與輸出平均電流成正比,與(1-D₁)成反比,因(1-D₁)小于1,所以I_LA大于I_O；

根據(jù)轉(zhuǎn)換電路的電流關(guān)系，電容兩端的紋波電壓為

${\mathrm{\ΔU}}_O=\frac{1}{8{{\mathrm{LCf}}_s}^2}{U}_O{D}_1{D}_2---\left(9\right)$

(9)式是選定開(kāi)關(guān)電源中的濾波電容C的容量理論依據(jù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，LC一定滿(mǎn)足

$LC\>\frac{1}{8{f_s}^2{\mathrm{\ΔU}}_O}{U}_O{D}_1{D}_2---\left(10\right).$

本實(shí)用新型的有益效果是：通過(guò)上述方案，具有成本低廉、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的電路圖。

圖2是本實(shí)用新型一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的開(kāi)關(guān)管T閉合時(shí)的等效電路圖。

圖3是本實(shí)用新型一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)的等效電路圖。

圖4是本實(shí)用新型一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的示例圖。

圖5是Boost升壓型開(kāi)關(guān)電源的升壓比與轉(zhuǎn)換效率的擬合曲線(xiàn)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明及具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1至圖3所示，本實(shí)用新型利用Boost開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)基于連續(xù)工作模式的太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源，具有設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，成本低廉和轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，有較好的市場(chǎng)價(jià)值。

如圖1至圖3所示，一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源，為Boost升壓型開(kāi)關(guān)電源，包括功率電感L、PWM調(diào)制電路A₁、PWM調(diào)制電路A₂、續(xù)流二極管D、電源負(fù)載R_L、濾波電容C、開(kāi)關(guān)管T和電源DC，其中，所述電源DC的正極與所述功率電感L的一端連接，所述功率電感L的另一端與所述續(xù)流二極管D的正極輸入端連接，所述續(xù)流二極管D的負(fù)極輸出端分別與所述電源負(fù)載R_L的一端、濾波電容C的一端連接，所述電源負(fù)載R_L的另一端、濾波電容C的另一端分別與所述電源DC的負(fù)極連接，所述電源負(fù)載R_L、濾波電容C相并聯(lián)，所述開(kāi)關(guān)管T的源極與所述電源DC的負(fù)極連接，所述開(kāi)關(guān)管T的漏極連接于所述功率電感L、續(xù)流二極管D之間，所述開(kāi)關(guān)管T的柵極與所述PWM調(diào)制電路A₂的輸出端連接，所述PWM調(diào)制電路A₂的正極輸入端與所述PWM調(diào)制電路A₁的輸出端連接，所述PWM調(diào)制電路A₁的負(fù)極輸入端連接于所述續(xù)流二極管D、電源負(fù)載R_L之間。

如圖1至圖3所示，所述PWM調(diào)制電路A₁、PWM調(diào)制電路A₂產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓U_g，開(kāi)關(guān)管T在開(kāi)關(guān)電壓U_g的作用下，斷開(kāi)和閉合。

如圖2所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T閉合時(shí)，續(xù)流二極管D反偏而截止。

如圖3所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，續(xù)流二極管D正偏而導(dǎo)通。

本實(shí)用新型提供的一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的性能指標(biāo)如下：

現(xiàn)在分析性能指標(biāo)，在圖2中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T閉合時(shí)，流過(guò)功率電感L上的電流性線(xiàn)增大，這時(shí)功率電感L儲(chǔ)能，功率電感L上電壓表示為

$U_L=U_{in}=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}---\left(1\right)$

對(duì)(1)式兩邊進(jìn)行積分,整理得到功率電感L的電流i_L增量

${\mathrm{\Δi}}_{L1}=\frac{1}{L}{\∫}_0^{T_{ON}}{U}_{in}dt=\frac{1}{L}{U}_{in}{T}_{ON}---\left(2\right)$

其中,T_ON為開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間。當(dāng)開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，如圖3所示，流過(guò)功率電感L上的電流性線(xiàn)變小，功率電感L放能,電流i_L減少量可以表示為

${\mathrm{\Δi}}_{L2}=\frac{1}{L}{\∫}_0^{T_{OFF}}(U_O-U_{in})dt=\frac{1}{L}(U_O-U_{in})T_{OFF}---\left(3\right)$

其中，T_OFF為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間。當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí),功率電感L上的電流的變化量相等,即(2)式等于(3)式，所以有

U_inT_ON＝(U_O-U_in)T_OFF (4)

令D₁＝T_ON/T_S,D₂＝T_OFF/T_S,T_S為開(kāi)關(guān)周期,利用D₁+D₂＝1關(guān)系式，可得到輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系

$\frac{U_O}{U_{in}}=\frac{1}{1-D_1}=\frac{1}{D_2}---\left(5\right)$

由(2)式，得到電感紋波電流、開(kāi)關(guān)頻率和電感之間的關(guān)系為

${\mathrm{\Δi}}_{L1}=\frac{1}{{\mathrm{Lf}}_s}{U}_{in}{D}_1---\left(6\right)$

(6)式表明，功率電感L的紋波電流大小與輸入電壓U_in和占空比D₁成正比與電感量L和開(kāi)關(guān)頻率fs成反比,(6)式是選定電感量的重要的理論依據(jù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸入電功率與輸出電功率相等

U_inI_LA＝U_OI_O (7)

其中,I_LA電感上的平均輸入電流,I_O為輸出平均電流，把(5)代入(7)式得電感上的平均輸入電流表達(dá)式

$I_{LA}=\frac{I_O}{(1-D_1)}---\left(8\right)$

(8)式表明,功率電感L的平均電流與輸出平均電流成正比,與(1-D₁)成反比,因(1-D₁)小于1,所以I_LA大于I_O。根據(jù)轉(zhuǎn)換電路的電流關(guān)系，電容兩端的紋波電壓為

${\mathrm{\ΔU}}_O=\frac{1}{8{{\mathrm{LCf}}_s}^2}{U}_O{D}_1{D}_2---\left(9\right)$

(9)式是選定開(kāi)關(guān)電源中的濾波電容C的容量理論依據(jù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，LC一定滿(mǎn)足

$LC\>\frac{1}{8{f_s}^2{\mathrm{\ΔU}}_O}{U}_O{D}_1{D}_2---\left(10\right)$

本實(shí)用新型提供的一種大功率太陽(yáng)能LED照明路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)實(shí)例如下：

1.1設(shè)計(jì)要求

試設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能LED路燈用的恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)要求如下：(1)輸入電壓在12.5伏左右，輸出電流1安培，輸出電壓在24伏左右；(2)，輸出電壓的紋波系數(shù)不大于0.1％；(3)恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源輸出功率可控；(4)驅(qū)動(dòng)電源的體積要小。

1.2實(shí)例原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)LED路燈用的恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的電路圖，如圖4所示，采用了一片專(zhuān)用的Boost恒流驅(qū)動(dòng)芯片XL6006進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于提高轉(zhuǎn)換效率和縮小設(shè)計(jì)體積。由圖可知，本設(shè)計(jì)主要由XL6006芯片、微控制器器、儲(chǔ)電池和一些外圍元件構(gòu)成。XL6006是一塊高效升壓型開(kāi)關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部集成了功率開(kāi)關(guān)管，具有電源轉(zhuǎn)換率高和外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)，是理想的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。L為大功率儲(chǔ)能電感器，D₁為開(kāi)關(guān)電源的續(xù)流二極管，當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，XL6006第3引腳接地，二極管D₁反偏截止，電感器中的電流線(xiàn)性增大，電感器儲(chǔ)能；當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，XL6006第3引腳懸空，二極管D₁正偏導(dǎo)通，電感器中的電流流向負(fù)載LED。ST15W401為一片單片機(jī)，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器和PWM控制器，R₁和R₂為分壓電路，儲(chǔ)電池的電壓通過(guò)分壓電路分壓之后，輸?shù)絾纹瑱C(jī)的第1腳。R_S為電流取樣電阻，D₃和R_F為開(kāi)關(guān)電源的功率控制路，控制太陽(yáng)能路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源輸出功率。

1.3電路參數(shù)的計(jì)算

在計(jì)算PWM占空比D₁時(shí),因輸入電壓為12.5伏，輸出電壓為24伏，所以根據(jù)式(5)可以計(jì)算此驅(qū)動(dòng)電源的占空比D₁為

$D_1=\frac{V_O-V_{IN}}{V_O}=\frac{24-12.5}{24}\≈0.479---\left(11\right)$

在計(jì)算電感器的平均電流I_LAV時(shí)，因輸出的電流為1安培，根據(jù)式(8)可計(jì)算出電感器的平均電流

$I_{LA}=\frac{I_O}{(1-D_1)}=\frac{1}{1-0.479}A\≈1.9A---\left(12\right)$

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了讓變轉(zhuǎn)換器工作在CCM模式下，電感器的電流的變化量不大于電感器平均電流的50％，在此設(shè)計(jì)中，電感器最大電流變化量按40％計(jì)算

ΔI_L＝I_LAV*0.4＝1.9*0.4A≈0.77A (13)

根據(jù)式(12)和式(13)可計(jì)算出電感器的峰值電流

I_peak＝I_LAV+ΔI＝1.9A+0.77A＝2.67A (14)

因?yàn)閄L6006的開(kāi)關(guān)頻率f_s為180khz,根據(jù)式(6)可以計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的電感值

$L=\frac{1}{{\mathrm{\Δi}}_{L1}{f}_s}{U}_{in}{D}_1=\frac{12.5*0.479}{0.77*180*{10}^3}H\≈43.2\mathrm{\μ}H---\left(15\right)$

根據(jù)以上的電感的計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用47μH 5A的電感器。

根據(jù)直流電源的紋波系數(shù)的定義，計(jì)算出直流電源的電壓值變化

ΔU_O＝λ*U_O＝0.001*24V＝0.024V (16)

把上式的值代入式(10)，可以計(jì)算濾波電容的容量

$C\>\frac{1}{8{f_s}^2{\mathrm{\ΔU}}_{O}L}{U}_O{D}_1{D}_2=\frac{24*0.479*(1-0.479)}{8*{\left(180000\right)}^2*24*0.001*47*{10}^{-6}}=20\mathrm{\μ}F---\left(17\right)$

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)選擇50V 100μF的電容作為濾波器。

設(shè)計(jì)實(shí)例樣機(jī)的試制及性能指標(biāo)的測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，根據(jù)以上的電路圖和計(jì)算出來(lái)的元件參數(shù)值試制一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試時(shí)，選用臺(tái)灣晶元大功率LED燈珠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把6顆5W的LED燈珠串聯(lián)成30W的大功率LED燈，并把這些LED燈貼在一個(gè)大散熱器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)輸入電壓值，用萬(wàn)用表測(cè)量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率，計(jì)算轉(zhuǎn)換效率，并用表格記錄下每次測(cè)量結(jié)果，如表1所示。由表1可以看出，當(dāng)輸入電壓在11伏左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在87％左右；當(dāng)輸入電壓在12伏左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在89％左右；當(dāng)輸入電壓在13伏左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在90％左右；當(dāng)輸入電壓在14伏左右時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率在91％左右，由此可見(jiàn)，本恒流轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換效率。

表1Boost升壓恒流驅(qū)動(dòng)電源效率

為了進(jìn)一步地的了解Boost升壓型開(kāi)關(guān)電源的升壓比與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，用數(shù)值計(jì)算方法擬合升壓比和效率數(shù)據(jù)，擬合曲線(xiàn)如圖5所示。從圖可以看出，升壓比和效率成反比關(guān)系。從圖可以看出，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為92％，當(dāng)升壓比為1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為91％，當(dāng)升壓比為2時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為87％，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)升壓比升到3倍時(shí)，恒流開(kāi)關(guān)型效率下降到77％左右，由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)Boost恒流驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，為了得到較高的轉(zhuǎn)換效率，升壓比控制2倍以?xún)?nèi)。

結(jié)論：太陽(yáng)能LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，是光伏太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量，直接影響LED路燈的使用壽命。針對(duì)Boost恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太陽(yáng)能LED路燈中應(yīng)用，本文介紹太陽(yáng)能LED路燈恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)實(shí)例參數(shù)試制一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，用數(shù)值計(jì)算方法擬合了樣機(jī)升壓比和效率數(shù)據(jù)，當(dāng)升壓比為1.4時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為92％，當(dāng)升壓比為1.5時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為91％，當(dāng)升壓比為2時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率約為87％，測(cè)試表明，該恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法可行，能為設(shè)計(jì)大功率LED太陽(yáng)能路燈恒流驅(qū)動(dòng)電源提供一個(gè)參考。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。