詳解LED設(shè)計(jì)原理及調(diào)光電路設(shè)計(jì) —電路圖天天讀（244）

　　隨著LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)步，高亮度（HB） LED廣泛用于各種照明設(shè)備，其光輸出量（發(fā)光效率）通常以流明/瓦為單位計(jì)量，已經(jīng)超過(guò)了熒光燈的發(fā)光效率。

　　1 概述

　　高 亮度（HB） LED目前已廣泛用于各種照明設(shè)備，其光輸出量（發(fā)光效率）通常以流明/瓦為單位計(jì)量，已經(jīng)超過(guò)了熒光燈的發(fā)光效率。而采用高容量、單節(jié)Li+電池驅(qū)動(dòng)高 效率LED光源時(shí)，由于電池電壓僅為3V至4V，需要解決電源轉(zhuǎn)換問(wèn)題?？煽啃约鞍踩匦允沟肏B LED成為電池備份照明系統(tǒng)（應(yīng)急照明等）的優(yōu)選方案。

　　隨著LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)步，目前最高容量的鋰離子（Li+）電池能量密度可以 達(dá)到 750kJ/kg左右；鎳氫（NiMH）電池的能量密度略低一些，大約為200kJ/kg （而汽油的能量密度為44MJ/kg）。單節(jié)Li+電池的端電壓約為3.7V，要想直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED，則需把多節(jié)電池串聯(lián)在一起，但這會(huì)帶來(lái)功率 分配等設(shè)計(jì)問(wèn)題，用戶也往往首選單節(jié)電池供電的方案。

　　2 采用連續(xù)boost模式驅(qū)動(dòng)LED燈串

　　以常見(jiàn)的boost配置拓?fù)錇槔?，例如：?biāo)準(zhǔn)的MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板（EV） MAX16834EVKIT （圖1）。

　　為了向開(kāi)關(guān)MOSFET提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，MAX16834要求工作電壓至少為4.5V，以便MOSFET進(jìn)入低阻導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于采用n溝道FET工作在boost模式的HB LED驅(qū)動(dòng)器，這者要求很常見(jiàn)。

　　單節(jié)Li+電池的驅(qū)動(dòng)電壓可能低至3V，無(wú)法支持電路中FET及其它電路的正常工作。這就需要將電池電壓提升到較高電壓，器件即可正常工作。

　　圖2:HB LED 驅(qū)動(dòng)器和升壓轉(zhuǎn)換器

　　為了消除電池放電期間對(duì)電壓的影響或電池阻抗的升高，可采用大電流、低電壓電源代替電池，從而使輸入電壓保持基本穩(wěn)定，通過(guò)改變LED 驅(qū)動(dòng)電流改變系統(tǒng)負(fù)載。

　　LED 調(diào)光能以兩種方式進(jìn)行：模擬調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制（PWM） 調(diào)光。模擬調(diào)光簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)LED 串的 DC 電流， 以改變 LED 的光輸出， 而 PWM 調(diào)光則 改變 LED 串中恒定電流的占空比，以有效改變 LED 串中的平均電流，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)光。盡管模擬調(diào)光的簡(jiǎn)單性富有吸引力， 但是這種方式對(duì)很多應(yīng)用不合適， 因?yàn)?模擬調(diào)光僅在 10:1 的亮度調(diào)節(jié)時(shí)， 就損失超過(guò)25%的準(zhǔn)確度， 而且這種調(diào)光方式使 LED 產(chǎn)生色彩失真。 相比之下， PWM 調(diào)光可以在準(zhǔn)確度沒(méi)有任何顯著損 失的情況下，產(chǎn)生 3000:1 以及更高的調(diào)光比 （在 100Hz 時(shí)），而且 LED色彩沒(méi)有改變。

　　圖3：用于汽車(chē)前燈、具備25:1的內(nèi)部 PWM 調(diào)光、效率為94%的升壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器

　　3 LED 路燈控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　LED 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，本系統(tǒng)中關(guān)鍵部件是控制器，控制器的功能主要有：

圖4 控制器結(jié)構(gòu)框圖

　?。?）白天對(duì)太陽(yáng)能電池板的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò) MPPT 算法追蹤太陽(yáng)能電池板最大輸出功率點(diǎn)， 使太陽(yáng)能電池板以最大輸出功率給蓄電池充電， 并控制太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的方式;（2）控制光電互補(bǔ)自動(dòng)轉(zhuǎn)換， 晚上控制蓄電池放電， 驅(qū)動(dòng) LED 負(fù)載照明;當(dāng)在太陽(yáng)光照不足或陰雨天氣， 蓄電池放電電壓達(dá)最低電壓時(shí)，能自動(dòng)切換到市電供 LED 路燈點(diǎn)亮;（3）對(duì)蓄電池實(shí)行過(guò)放電保護(hù) 、過(guò)充電保護(hù)、短路保護(hù)、反接保護(hù)和極性保護(hù);（4）控制 LED燈的開(kāi)關(guān)，通過(guò)對(duì)外環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以控制 LED 燈開(kāi)燈、關(guān)燈時(shí)間。

　　4 充電電路及輸出控制

　　4.1 充電電路

　　充電電路用來(lái)調(diào)節(jié)充電電流與電壓， 使太陽(yáng)能電池板穩(wěn)定地對(duì)蓄電池充電。 由于每天在各個(gè)時(shí)段太陽(yáng)能電池板所轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射能不同， 使得太陽(yáng)能電池輸出 的電流和電壓各不相同，這就需要通過(guò)必要的充電電路來(lái)控制。本電路就是用 TL494 實(shí)現(xiàn)的電壓型脈寬調(diào)制（PWM）控制電路，電路圖如圖5所示。

圖5 充電電路

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本文所采用最新技術(shù)、高容量Li+電池提供照明解決方案，避免多級(jí)電源轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的效率低下問(wèn)題，有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。通過(guò)對(duì)LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)試觀察，其結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。
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