LED路灯驱动电路技术
杨赫博+付贤松+牛萍娟
摘 要： 随着节能环保产品的推广，风光互补LED路灯以其独特的优势走入了人们的视野。风光互补系统和LED路灯的结合对LED驱动电路的设计产生了很大的挑战。目前采用单开关管DC/DC LED驱动控制器进行供电虽然能满足要求，但是功率不能达到很高，并且不能实现输出短路保护功能。为了输出短路保护功能并且达到较高的功率，设计了一种基于LT3791的4开关Buck?Boost DC/DC LED驱动控制器。此电路可由12/24 V蓄电池供电，输出功率可达100 W，恒流精度可达到±6%，效率可高达98.5%。输出能够达到70 V/2 A。该设计经测试能够达到设计要求，在实际生活中应用来满足夜晚照明需求。
关键词： 节能环保； 风光互补； LED； 驱动电路
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）04?0159?04
Design of drive circuit for 100 W wind?solar complementary LED street lamp
YANG He?bo1，2， FU Xian?song2，3，4， NIU Ping?juan2，3，4
（1. School of Electronics & Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；
2. MOE Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；
3. School of Electrical Engineering & Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；
4. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）
Abstract： With the promotion of energy saving and environmental protection products， the wind?solar complementary LED street lamp has entered people's vision by the aid of its unique advantages. The combination of wind?solar complementation and LED street lamp evoked a great challenge for the design of LED driver circuit. The DC/DC LED drive controller with simple switching tube cannot reach very high power， and can not realize the functon of output short circuit protection though it can meet the power supply requirements currently. In order to achieve output short circuit protection and high power， a 4?switch Buck?Boost DC / DC LED driver controller based on LT3791 was designed in this paper. This circuit can be powered by 12/24 V storage battery， whose output power can be up to 100 W， constant current precision can reach ± 6%， efficiency can be up to 98.5% and output can reach 50 V/2 A. This design was tested. It satisfied the design requirements and the night lighting needs in real life.
Keywords： energy saving and environmental protection； wind?solar complementation； LED； drive circuit
0 引 言
美观的路灯给大家夜晚的生活带来光明，并把城市的夜晚装点得多姿多彩。但是路灯耗电量大，低压输电线路长导致输电线路上的耗电也很大。而随着能源危机日益临近，新能源已经成为当今世界的主要能源之一。其太阳能和中风能是最常有的自然能源，夏天阳光照射强度高，而冬天风大，晴天阳光充足，然而阴雨天则风大，这给风光互补型路灯的产生创造了条件[1?2]。
LED路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为目前世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源。从而LED和风光互补系统的结合能够实现真正意义上的节能环保。因此，风光互补型LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。
LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是温度敏感的半导体器件，又具有非线性的伏安特性，因此在应用过程中必须使用特定的电源提供能够使LED正常工作的额定电压和电流，并对LED进行保护稳定其工作状态[3]。而风光互补系统和LED的结合给LED驱动电路的设计带来了巨大的挑战。
1 风光互补型LED路灯总体结构
风光互补型LED路灯由以下几部分组成：风能发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池、LED、LED驱动电源、灯杆，外形示意图如图1所示。风能发电机和太阳能电池板产生电能，控制器把调整后的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电。在需要时控制器把蓄电池的电能送往LED供电，在输送过程中LED驱动电路经蓄电池的电压进行升压变换供给LED，使LED路灯正常工作[4?5]。功能框图如图2所示。
图1 风光互补型LED路灯示意图
图2 风光互补型LED路灯功能模块示意图
2 LED路灯驱动电路设计
风光互补型LED路灯采用蓄电池供电，所以LED驱动电路一般输入电压为DC 12/24 V，采用升压拓扑结构，输出电压可达几十伏，而输出电流一般比较大可达到1～2 A。这就给设计带来了困难，如何实现升压的同时实现恒流驱动就成为了风光互补LED路灯驱动电路设计的关键[6]。虽然采用单开关管DC/DC LED驱动控制器进行供电虽然能满足要求，但是不能达到较高的功率，并且不能实现输出短路保护功能。为了输出短路保护功能并且达到较高的功率，本文设计了一种基于LT3791的4开关Buck?Boost DC/DC LED驱动控制器[7?8]。
2.1 LT3791简介[7]
LT3791是美国凌力尔特公司生产的同步4开关buck?boost LED驱动控制器，38引脚SSOP封装芯片，封装结构如图3所示。
图3 LT3782封装结构图
LT3791可提供从5～100 W或更高的LED功率，其开关频率可在200～700 kHz范围内设定。 LED 的电流准度为±6%，可确保恒流照明。 LT3791 按照应用要求，可采用模拟或 PWM 调光。由于采用4开关管同步开关结构，效率可高达 98.5%，并且能实现输出短路保护功能。其他特点包括输入和输出电流监视、输入过压保护，LED 开路保护等。
2.2 电源总体设计[7，9?10]
基于LT3791设计的升压电路如图4所示。在升压模式下，开关管Q1总是导通，Q2总是关闭。在每个周期开始时Q4先导通给电感L1充能。然后Q4关闭，Q3导通，经过电容C8滤波后输出。在图4中，电阻R7用来设定LT3791的开关频率，这里选择LT3791的开关频率为300 kHz，参考表1选择R7=84.5 kΩ。电路的输出电流是通过R11来设定的，LT3791的ISP和ISN引脚之间的参考电压为100 mV，这样输出电流就可以通过下式计算：Iout=[100R11]。
表1 LT3791开关频率和电阻值的关系
LED驱动电路输出电压的纹波大小与输出端的滤波电感及电容的取值有很大影响，电感和电容的取值越大，纹波就会越小。在输出端加上滤波电感及电容后驱动电路的性能将更加优化。输出滤波电感计算如下：
[L=UiDΔILfs] （1）
[D=1-UiUo] （2）
[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）
式中：D为占空比，Ui为输入电压，Uo为输出电压，Io为输出电流，ΔL为电感取值的中间变量，fs为开关频率。当输入电压为24 V，输出电压为50 V，频率为300 kHz时，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本设计中取L=0.1 μH。
3 测试结果
为了验证电路性能师傅达到要求，在此利用美国力科公司生产的lecroy 44Xs?A示波器对设计的电路进行输出测试。当输入电压取24 V时所测得的输出电压值如图5所示。图5显示输出电压为50.2 V能够满足要求。电路的输出总电流应该达到2 A，但是由于LED采用四串并联的形式，每串LED应该保持电流稳定在500 mA。 所以对每串电流进行测试。其中任意一串的测试结果如图6所示。从图中可看出，电流波动的最大值为520 mA，最小值为466 mA，有效值为503.4 mA，这足以证明输出电流能够稳定在500 mA左右使LED正常工作，从而说明了电路的输出电流可以达到2 A。
图5 输出电压波形
设计电路的成功与否在于能够在风光互补LED路灯系统中得到实际应用，使风光互补系统与LED路灯巧妙结合起来。将结合后的样品在道路上进行测试。经过检测实际情况证实此风光互补LED路灯能够满足夜晚照明要求。测试如图7所示。
4 结 语
本文设计一种可以使风光互补系统和LED路灯巧妙结合的LED驱动电路。
图6 输出电流波形
图7 风光互补型LED路灯实际应用图
电路在低输入电压情况下，输出能达到50 V/2 A，能够驱动100 W LED并使其正常工作，效率能够达到98.5%，并且实现了输出短路保护功能。并在实际路灯系统中测试，满足夜晚的照明要求。在提倡节能环保的今天，风光互补型LED路灯已崭露头角，相信以后会成为节能路灯的主流产品。
参考文献
[1] 肖贵贤， 汪有源. 风光互补发电系统的研究与应用[J].中国科技信息，2009（22）：20?21.
[2] 吴治坚.新能源和可再生能源的利用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 佩敏.白色LED驱动器的发展概况[J].今日电子，2002（11）：42?46.
[4] 朱芳，王培红.风能与太阳能光伏互补发电应用及其优化[J].上海电力，2009（1）：23?26.
[5] 王宇.风光互补发电控制系统的研究与开发[D].天津：天津大学，2004.
[6] 计长安，张秀彬，赵兴勇.基于模糊控制的风光互补能源系统[J].电工技术学报，2007，22（10）：178?184.
[7] 美国凌力尔特公司.LT3791器件手册[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.
[8] 佚名.高效率的DC/DC转换器技术[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.
[9] 周志敏，周纪海.开关电源设计实用技术设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[10] HUANG Bruce.隔离式DC/ DC电源转换器推陈出新[J].电子设计应用，2007（10）：107?109.
LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是温度敏感的半导体器件，又具有非线性的伏安特性，因此在应用过程中必须使用特定的电源提供能够使LED正常工作的额定电压和电流，并对LED进行保护稳定其工作状态[3]。而风光互补系统和LED的结合给LED驱动电路的设计带来了巨大的挑战。
1 风光互补型LED路灯总体结构
风光互补型LED路灯由以下几部分组成：风能发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池、LED、LED驱动电源、灯杆，外形示意图如图1所示。风能发电机和太阳能电池板产生电能，控制器把调整后的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电。在需要时控制器把蓄电池的电能送往LED供电，在输送过程中LED驱动电路经蓄电池的电压进行升压变换供给LED，使LED路灯正常工作[4?5]。功能框图如图2所示。
图1 风光互补型LED路灯示意图
图2 风光互补型LED路灯功能模块示意图
2 LED路灯驱动电路设计
风光互补型LED路灯采用蓄电池供电，所以LED驱动电路一般输入电压为DC 12/24 V，采用升压拓扑结构，输出电压可达几十伏，而输出电流一般比较大可达到1～2 A。这就给设计带来了困难，如何实现升压的同时实现恒流驱动就成为了风光互补LED路灯驱动电路设计的关键[6]。虽然采用单开关管DC/DC LED驱动控制器进行供电虽然能满足要求，但是不能达到较高的功率，并且不能实现输出短路保护功能。为了输出短路保护功能并且达到较高的功率，本文设计了一种基于LT3791的4开关Buck?Boost DC/DC LED驱动控制器[7?8]。
2.1 LT3791简介[7]
LT3791是美国凌力尔特公司生产的同步4开关buck?boost LED驱动控制器，38引脚SSOP封装芯片，封装结构如图3所示。
图3 LT3782封装结构图
LT3791可提供从5～100 W或更高的LED功率，其开关频率可在200～700 kHz范围内设定。 LED 的电流准度为±6%，可确保恒流照明。 LT3791 按照应用要求，可采用模拟或 PWM 调光。由于采用4开关管同步开关结构，效率可高达 98.5%，并且能实现输出短路保护功能。其他特点包括输入和输出电流监视、输入过压保护，LED 开路保护等。
2.2 电源总体设计[7，9?10]
基于LT3791设计的升压电路如图4所示。在升压模式下，开关管Q1总是导通，Q2总是关闭。在每个周期开始时Q4先导通给电感L1充能。然后Q4关闭，Q3导通，经过电容C8滤波后输出。在图4中，电阻R7用来设定LT3791的开关频率，这里选择LT3791的开关频率为300 kHz，参考表1选择R7=84.5 kΩ。电路的输出电流是通过R11来设定的，LT3791的ISP和ISN引脚之间的参考电压为100 mV，这样输出电流就可以通过下式计算：Iout=[100R11]。
表1 LT3791开关频率和电阻值的关系
LED驱动电路输出电压的纹波大小与输出端的滤波电感及电容的取值有很大影响，电感和电容的取值越大，纹波就会越小。在输出端加上滤波电感及电容后驱动电路的性能将更加优化。输出滤波电感计算如下：
[L=UiDΔILfs] （1）
[D=1-UiUo] （2）
[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）
式中：D为占空比，Ui为输入电压，Uo为输出电压，Io为输出电流，ΔL为电感取值的中间变量，fs为开关频率。当输入电压为24 V，输出电压为50 V，频率为300 kHz时，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本设计中取L=0.1 μH。
3 测试结果
为了验证电路性能师傅达到要求，在此利用美国力科公司生产的lecroy 44Xs?A示波器对设计的电路进行输出测试。当输入电压取24 V时所测得的输出电压值如图5所示。图5显示输出电压为50.2 V能够满足要求。电路的输出总电流应该达到2 A，但是由于LED采用四串并联的形式，每串LED应该保持电流稳定在500 mA。 所以对每串电流进行测试。其中任意一串的测试结果如图6所示。从图中可看出，电流波动的最大值为520 mA，最小值为466 mA，有效值为503.4 mA，这足以证明输出电流能够稳定在500 mA左右使LED正常工作，从而说明了电路的输出电流可以达到2 A。
图5 输出电压波形
设计电路的成功与否在于能够在风光互补LED路灯系统中得到实际应用，使风光互补系统与LED路灯巧妙结合起来。将结合后的样品在道路上进行测试。经过检测实际情况证实此风光互补LED路灯能够满足夜晚照明要求。测试如图7所示。
4 结 语
本文设计一种可以使风光互补系统和LED路灯巧妙结合的LED驱动电路。
图6 输出电流波形
图7 风光互补型LED路灯实际应用图
电路在低输入电压情况下，输出能达到50 V/2 A，能够驱动100 W LED并使其正常工作，效率能够达到98.5%，并且实现了输出短路保护功能。并在实际路灯系统中测试，满足夜晚的照明要求。在提倡节能环保的今天，风光互补型LED路灯已崭露头角，相信以后会成为节能路灯的主流产品。
参考文献
[1] 肖贵贤， 汪有源. 风光互补发电系统的研究与应用[J].中国科技信息，2009（22）：20?21.
[2] 吴治坚.新能源和可再生能源的利用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 佩敏.白色LED驱动器的发展概况[J].今日电子，2002（11）：42?46.
[4] 朱芳，王培红.风能与太阳能光伏互补发电应用及其优化[J].上海电力，2009（1）：23?26.
[5] 王宇.风光互补发电控制系统的研究与开发[D].天津：天津大学，2004.
[6] 计长安，张秀彬，赵兴勇.基于模糊控制的风光互补能源系统[J].电工技术学报，2007，22（10）：178?184.
[7] 美国凌力尔特公司.LT3791器件手册[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.
[8] 佚名.高效率的DC/DC转换器技术[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.
[9] 周志敏，周纪海.开关电源设计实用技术设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[10] HUANG Bruce.隔离式DC/ DC电源转换器推陈出新[J].电子设计应用，2007（10）：107?109.
LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是由于LED是温度敏感的半导体器件，又具有非线性的伏安特性，因此在应用过程中必须使用特定的电源提供能够使LED正常工作的额定电压和电流，并对LED进行保护稳定其工作状态[3]。而风光互补系统和LED的结合给LED驱动电路的设计带来了巨大的挑战。
1 风光互补型LED路灯总体结构
风光互补型LED路灯由以下几部分组成：风能发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池、LED、LED驱动电源、灯杆，外形示意图如图1所示。风能发电机和太阳能电池板产生电能，控制器把调整后的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电。在需要时控制器把蓄电池的电能送往LED供电，在输送过程中LED驱动电路经蓄电池的电压进行升压变换供给LED，使LED路灯正常工作[4?5]。功能框图如图2所示。
图1 风光互补型LED路灯示意图
图2 风光互补型LED路灯功能模块示意图
2 LED路灯驱动电路设计
风光互补型LED路灯采用蓄电池供电，所以LED驱动电路一般输入电压为DC 12/24 V，采用升压拓扑结构，输出电压可达几十伏，而输出电流一般比较大可达到1～2 A。这就给设计带来了困难，如何实现升压的同时实现恒流驱动就成为了风光互补LED路灯驱动电路设计的关键[6]。虽然采用单开关管DC/DC LED驱动控制器进行供电虽然能满足要求，但是不能达到较高的功率，并且不能实现输出短路保护功能。为了输出短路保护功能并且达到较高的功率，本文设计了一种基于LT3791的4开关Buck?Boost DC/DC LED驱动控制器[7?8]。
2.1 LT3791简介[7]
LT3791是美国凌力尔特公司生产的同步4开关buck?boost LED驱动控制器，38引脚SSOP封装芯片，封装结构如图3所示。
图3 LT3782封装结构图
LT3791可提供从5～100 W或更高的LED功率，其开关频率可在200～700 kHz范围内设定。 LED 的电流准度为±6%，可确保恒流照明。 LT3791 按照应用要求，可采用模拟或 PWM 调光。由于采用4开关管同步开关结构，效率可高达 98.5%，并且能实现输出短路保护功能。其他特点包括输入和输出电流监视、输入过压保护，LED 开路保护等。
2.2 电源总体设计[7，9?10]
基于LT3791设计的升压电路如图4所示。在升压模式下，开关管Q1总是导通，Q2总是关闭。在每个周期开始时Q4先导通给电感L1充能。然后Q4关闭，Q3导通，经过电容C8滤波后输出。在图4中，电阻R7用来设定LT3791的开关频率，这里选择LT3791的开关频率为300 kHz，参考表1选择R7=84.5 kΩ。电路的输出电流是通过R11来设定的，LT3791的ISP和ISN引脚之间的参考电压为100 mV，这样输出电流就可以通过下式计算：Iout=[100R11]。
表1 LT3791开关频率和电阻值的关系
LED驱动电路输出电压的纹波大小与输出端的滤波电感及电容的取值有很大影响，电感和电容的取值越大，纹波就会越小。在输出端加上滤波电感及电容后驱动电路的性能将更加优化。输出滤波电感计算如下：
[L=UiDΔILfs] （1）
[D=1-UiUo] （2）
[ΔIL=0.2×IoUoUi] （3）
式中：D为占空比，Ui为输入电压，Uo为输出电压，Io为输出电流，ΔL为电感取值的中间变量，fs为开关频率。当输入电压为24 V，输出电压为50 V，频率为300 kHz时，由式（1）～式（3） 可得L=0.1 μH，在本设计中取L=0.1 μH。
3 测试结果
为了验证电路性能师傅达到要求，在此利用美国力科公司生产的lecroy 44Xs?A示波器对设计的电路进行输出测试。当输入电压取24 V时所测得的输出电压值如图5所示。图5显示输出电压为50.2 V能够满足要求。电路的输出总电流应该达到2 A，但是由于LED采用四串并联的形式，每串LED应该保持电流稳定在500 mA。 所以对每串电流进行测试。其中任意一串的测试结果如图6所示。从图中可看出，电流波动的最大值为520 mA，最小值为466 mA，有效值为503.4 mA，这足以证明输出电流能够稳定在500 mA左右使LED正常工作，从而说明了电路的输出电流可以达到2 A。
图5 输出电压波形
设计电路的成功与否在于能够在风光互补LED路灯系统中得到实际应用，使风光互补系统与LED路灯巧妙结合起来。将结合后的样品在道路上进行测试。经过检测实际情况证实此风光互补LED路灯能够满足夜晚照明要求。测试如图7所示。
4 结 语
本文设计一种可以使风光互补系统和LED路灯巧妙结合的LED驱动电路。
图6 输出电流波形
图7 风光互补型LED路灯实际应用图
电路在低输入电压情况下，输出能达到50 V/2 A，能够驱动100 W LED并使其正常工作，效率能够达到98.5%，并且实现了输出短路保护功能。并在实际路灯系统中测试，满足夜晚的照明要求。在提倡节能环保的今天，风光互补型LED路灯已崭露头角，相信以后会成为节能路灯的主流产品。
参考文献
[1] 肖贵贤， 汪有源. 风光互补发电系统的研究与应用[J].中国科技信息，2009（22）：20?21.
[2] 吴治坚.新能源和可再生能源的利用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 佩敏.白色LED驱动器的发展概况[J].今日电子，2002（11）：42?46.
[4] 朱芳，王培红.风能与太阳能光伏互补发电应用及其优化[J].上海电力，2009（1）：23?26.
[5] 王宇.风光互补发电控制系统的研究与开发[D].天津：天津大学，2004.
[6] 计长安，张秀彬，赵兴勇.基于模糊控制的风光互补能源系统[J].电工技术学报，2007，22（10）：178?184.
[7] 美国凌力尔特公司.LT3791器件手册[EB/OL].[2012?09?12].http：//www.linear.com.
[8] 佚名.高效率的DC/DC转换器技术[EB/OL].[2005?02?14].http：//www.knowsky.com/10700.html.
[9] 周志敏，周纪海.开关电源设计实用技术设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[10] HUANG Bruce.隔离式DC/ DC电源转换器推陈出新[J].电子设计应用，2007（10）：107?109.
