大功率太陽能led照明路燈恒流驅動電源及其設計方法
【專利摘要】本發明提供了一種大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源，包括功率電感L、PWM調制電路A1、PWM調制電路A2、續流二極管D、電源負載RL、濾波電容C、開關管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的另一端與所述續流二極管D的正極輸入端連接，所述續流二極管D的負極輸出端分別與所述電源負載RL的一端、濾波電容C的一端連接，所述電源負載RL的另一端、濾波電容C的另一端分別與所述電源DC的負極連接，所述電源負載RL、濾波電容C相并聯。本發明還提供了一種如上述任一項所述的大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源的設計方法。本發明的有益效果是：具有成本低廉、轉換效率高、可靠性高的優點。
【專利說明】
大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源及其設計方法
技術領域
[0001] 本發明設及驅動電源，尤其設及一種大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源及 其設計方法。
【背景技術】
[0002] 近年來隨著太陽能光伏發電技術和Lm)照明技術的發展，太陽能L邸路燈已進入了 城市照明領域。太陽能LED路燈無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費等特點，具有節能、 經濟、環保和實用等特點。Lm)是一種半導體發光器件，其壽命極易受到溫度影響。為了延長 太陽能LED路燈的使用壽命，要采用恒流驅動電源來驅動太陽能LED燈。目前大多數的恒流 驅動電源存在著電路設計復雜、可靠性低、轉換效率不高、價格比昂貴等缺點。因此，研發成 本低廉、轉換效率高、可靠性高的恒流驅動電源具有重大的實現意義。
【發明內容】
[0003] 為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種成本低廉、轉換效率高、可靠性高 的大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源及其設計方法。
[0004] 本發明提供了一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源，包括功率電感L、PWM 調制電路Al、P歷調制電路A2、續流二極管D、電源負載Rl、濾波電容C、開關管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的另一端與所述續流 二極管D的正極輸入端連接，所述續流二極管D的負極輸出端分別與所述電源負載化的一 端、濾波電容C的一端連接，所述電源負載化的另一端、濾波電容C的另一端分別與所述電源 DC的負極連接，所述電源負載化、濾波電容C相并聯，所述開關管T的源極與所述電源DC的負 極連接，所述開關管T的漏極連接于所述功率電感L、續流二極管D之間，所述開關管T的柵極 與所述PWM調制電路A2的輸出端連接，所述PWM調制電路A2的正極輸入端與所述PWM調制電路 Al的輸出端連接，所述PWM調制電路Al的負極輸入端連接于所述續流二極管D、電源負載化之 間。
[0005] 作為本發明的進一步改進，所述PWM調制電路Al、PWM調制電路A2產生開關電壓Ug， 開關管T在開關電壓Ug的作用下，斷開和閉合。
[0006] 作為本發明的進一步改進，當開關管T閉合時，續流二極管D反偏而截止。
[0007] 作為本發明的進一步改進，當開關管T斷開時，續流二極管D正偏而導通。
[000引本發明還提供了一種如上述任一項所述的大功率太陽能Lm)照明路燈恒流驅動電 源的設計方法，包括W下步驟：
[0009] 當開關管T閉合時，流過功率電感L上的電流性線增大，運時功率電感L儲能，功率 電感L上電壓表示為
[0010]
W
[0011] 對(1)式兩邊進行積分，整理得到功率電感L的電流iL增量
[0012]
(2)
[0013] 其中，Ton為開關閉合時間，當開關管T斷開時，流過功率電感L上的電流性線變小， 功率電感L放能，電流iL減少量表示為
[0014]
巧）
[001引其中，Toff為開關斷開時間；
[0016] 當電路工作在穩態時，功率電感L上的電流的變化量相等，即（2)式等于（3)式，所 W有
[0017] UinToN=(Uo-Uin)ToFF (4)
[001引令Di = Ton/Ts，= Toff/Ts，Ts為開關周期，利用Di+化=1關系式，可得到輸出電壓與 輸入電壓的關系
[0019]
喊
[0020] 由（2)式，得到電感紋波電流、開關頻率和電感之間的關系為
[0021]
㈱
[00剖 （6)式表明，功率電感L的紋波電流大小與輸入電壓Uin和占空比化成正比與電感量 L和開關頻率fS成反比，（6)式是選定電感量的重要的理論依據；
[0023] 當轉換器工作在穩態時，轉換器的輸入電功率與輸出電功率相等
[0024] UinlLA=UoIo (7)
[0025] 其中，Ila電感上的平均輸入電流，Io為輸出平均電流，把巧)代入(7)式得電感上的 平均輸入電流表達式
[0026]
(8)
[0027] (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（I-Di)成反比，因 (I-Di)小于1,所WIla大于Io;
[0028] 巧據轉換由路的由流關系，電容兩端的紋波電壓為
[0029]
巧）
[0030] (9)式是選定開關電源中的濾波電容C的容量理論依據，在設計過程中，LC 一定滿 足
[0031] (!。)°
[0032] 本發明的有益效果是:通過上述方案，具有成本低廉、轉換效率高、可靠性高的優 點。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發明一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源的電路圖。
[0034] 圖2是本發明一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源的開關管T閉合時的等 效電路圖。
[0035] 圖3是本發明一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源的開關管T斷開時的等 效電路圖。
[0036] 圖4是本發明一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源的示例圖。
[0037] 圖5是Boost升壓型開關電源的升壓比與轉換效率的擬合曲線圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合【附圖說明】及【具體實施方式】對本發明進一步說明。
[0039] 如圖1至圖3所示，本發明利用Boost開關電源技術和嵌入式技術，設計基于連續工 作模式的太陽能LED照明路燈恒流驅動電源，具有設計電路簡單，成本低廉和轉換率高等優 點，有較好的市場價值。
[0040] 如圖1至圖3所示，一種大功率太陽能L抓照明路燈恒流驅動電源，為Boos t升壓型 開關電源，包括功率電感L、PWM調制電路Al、PWM調制電路A2、續流二極管D、電源負載化、濾波 電容C、開關管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的另一端與所述續流二極管D的正極輸入端連接，所述續流二極管D的負極輸出端分 別與所述電源負載化的一端、濾波電容C的一端連接，所述電源負載化的另一端、濾波電容C 的另一端分別與所述電源DC的負極連接，所述電源負載化、濾波電容C相并聯，所述開關管T 的源極與所述電源DC的負極連接，所述開關管T的漏極連接于所述功率電感L、續流二極管D 之間，所述開關管T的柵極與所述PWM調制電路A2的輸出端連接，所述PWM調制電路A2的正極 輸入端與所述PWM調制電路Al的輸出端連接，所述PWM調制電路Al的負極輸入端連接于所述 續流二極管D、電源負載化之間。
[0041 ] 如圖1至圖3所示，所述PWM調制電路Al、PWM調制電路A2產生開關電壓Ug，開關管T在 開關電壓Ug的作用下，斷開和閉合。
[0042] 如圖2所示，當開關管T閉合時，續流二極管D反偏而截止。
[0043] 如圖3所示，當開關管T斷開時，續流二極管D正偏而導通。
[0044] 本發明提供的一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源的性能指標如下：
[0045] 現在分析性能指標，在圖2中，當開關管T閉合時，流過功率電感L上的電流性線增 大，運時功率電感L儲能，功率電感L上電壓表示為
[0046]
。）
[0047] 對(1)式兩邊進行積分，整理得到功率電感L的電流iL增量
[004引
（2)
[0049] 其中，Ton為開關閉合時間。當開關管T斷開時，如圖3所示，流過功率電感L上的電流 性線變小，功率電感L放能，電流iL減少量可W表示為
[0050]
口）
[0051] 其中，Toff為開關斷開時間。當電路工作在穩態時，功率電感L上的電流的變化量相 等，即（2)式等于(3)式，所W有
[0052 ] UinT 日N =( Uo-Uin) Toff (4)
[0053] 令Di = Ton/Ts，D2 = Toff/Ts，Ts為開關周期，利用Di+化=I關系式，可得到輸出電壓與 輸入電壓的關系
[0054]
喊
[0055] 由（2)式，得到電感紋波電流、開關頻率和電感之間的關系為
[005W
城
[0057] (6)式表明，功率電感L的紋波電流大小與輸入電壓Uin和占空比化成正比與電感量 L和開關頻率fs成反比，（6)式是選定電感量的重要的理論依據。
[0058] 當轉換器工作在穩態時，轉換器的輸入電功率與輸出電功率相等
[0化9] UinlLA=UoI 日 (7)
[0060] 其中，Ila電感上的平均輸入電流，Io為輸出平均電流，把巧)代入(7)式得電感上的 平均輸入電流表達式
[0061]
W
[0062] (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（I-Di)成反比，因 (I-Dl)小干1.所PiIlA大干1〇。報據轉換電路的電流關系，電容兩端的紋波電壓為
[0063]
獻
[0064] (9)式是選定開關電源中的濾波電容C的容量理論依據，在設計過程中，LC 一定滿 足
[0065]
(1口）
[0066] 本發明提供的一種大功率太陽能L邸照明路燈恒流驅動電源的設計實例如下：
[0067] 1.1設計要求
[0068] 試設計一個太陽能LED路燈用的恒流驅動開關電源，設計要求如下：（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不大于 0.1%; (3)恒流驅動開關電源輸出功率可控;（4)驅動電源的體積要小。
[00例 1.2實例原理圖設計
[0070]根據設計要求，設計LED路燈用的恒流驅動開關電源的電路圖，如圖4所示，采用了 一片專用的Boost恒流驅動忍片化6006進行設計，有利于提高轉換效率和縮小設計體積。由 圖可知，本設計主要由化6006忍片、微控制器器、儲電池和一些外圍元件構成。XL6006是一 塊高效升壓型開關型恒流驅動忍片，其內部集成了功率開關管，具有電源轉換率高和外圍 元件少等優點，是理想的Lm)恒流驅動忍片。L為大功率儲能電感器，Di為開關電源的續流二 極管，當化6006內部的功率開關管閉合時，XL6006第3引腳接地，二極管化反偏截止，電感器 中的電流線性增大，電感器儲能；當化6006內部的功率開關管斷開時，XL6006第3引腳懸空， 二極管化正偏導通，電感器中的電流流向負載LED。ST15W401為一片單片機，內部集成了 AD 轉換器和PWM控制器，扣和1?2為分壓電路，儲電池的電壓通過分壓電路分壓之后，輸到單片機 的第1腳。Rs為電流取樣電阻，〇3和化為開關電源的功率控制路，控制太陽能路燈恒流驅動電 源輸出功率。
[0071] 1.3電路參數的計算
[0072] 在計算PWM占空比化時，因輸入電壓為12.5伏，輸出電壓為24伏，所W根據式(5)可 W計算此驅動電源的占空比化為
[007引
山）
[0074]在計算電感器的平均電流Ilav時，因輸出的電流為1安培，根據式(8)可計算出電感 器的平巧由流
[00對
（似
[0076] 在設計電路時，為了讓變轉換器工作在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%，在此設計中，電感器最大電流變化量按40%計算
[0077] AIl=Ilav*0.4=1.9*0.4A-0.77A (13)
[0078] 根據式(12)和式(13)可計算出電感器的峰值電流
[0079] Ipeak=IiAV+A I = 1.9A+0.77A= 2.67A (14)
[0080] 因為化6006的開關頻率fs為180化Z，根據式(6)可W計算出轉換器的電感值
[0081]
川5)
[0082] 根據W上的電感的計算結果，本設計選用47iiH 5A的電感器。
[0083] 根據直流電源的紋波系數的定義，計算出直流電源的電壓值變化
[0084] AUo = A*Uo = 0.001^4V = 0.024V (16)
[0085] 把上式的值代入式(10)，可W計算濾波電容的容量
[0086]
(巧）
[0087] 根據計算結果，本設計選擇50V IOOiiF的電容作為濾波器。
[0088] 設計實例樣機的試制及性能指標的測試
[0089] 為了驗證設計的正確性，根據W上的電路圖和計算出來的元件參數值試制一臺樣 機，并對樣機進行測試。在測試時，選用中國臺灣晶元大功率LED燈珠進行實驗，把6顆5W的 L抓燈珠串聯成30W的大功率L抓燈，并把運些L抓燈貼在一個大散熱器上進行實驗。調節輸 入電壓值，用萬用表測量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率，計算轉換效率，并用表格 記錄下每次測量結果，如表1所示。由表1可W看出，當輸入電壓在11伏左右時，恒流驅動電 源的轉換效率在87%左右；當輸入電壓在12伏左右時，恒流驅動電源的轉換效率在89%左 右；當輸入電壓在13伏左右時，恒流驅動電源的轉換效率在90%左右；當輸入電壓在14伏左 右時，恒流驅動電源的轉換效率在91 %左右，由此可見，本恒流轉換器有較高的轉換效率。
[0090] 表1 Boost升壓恒流驅動電源效率
[0091]
[0092] 為了進一步地的了解Boost升壓型開關電源的升壓比與轉換效率的關系，用數值 計算方法擬合升壓比和效率數據，擬合曲線如圖5所示。從圖可W看出，升壓比和效率成反 比關系。從圖可W看出，當升壓比為1.4時，其轉換效率約為92%，當升壓比為1.5時，其轉換 效率約為91%，當升壓比為2時，其轉換效率約為87%，通過計算，當升壓比升到3倍時，恒流 開關型效率下降到77%左右，由此可見，在設計Boost恒流驅動電源時，為了得到較高的轉 換效率，升壓比控制2倍W內。
[0093] 結論:太陽能Lm)恒流驅動電源，是光伏太陽能L邸路燈照明系統的關鍵部件，其設 計質量，直接影響Lm)路燈的使用壽命。針對Boost恒流驅動技術在太陽能Lm)路燈中應用， 本文介紹太陽能Lm)路燈恒流驅動開關電源設計方法，并通過實例參數試制一臺實驗樣機， 用數值計算方法擬合了樣機升壓比和效率數據，當升壓比為1.4時，其轉換效率約為92%， 當升壓比為1.5時，其轉換效率約為91%，當升壓比為2時，其轉換效率約為87%，測試表 明，該恒流驅動的設計方法可行，能為設計大功率LED太陽能路燈恒流驅動電源提供一個參 考。
[0094] W上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于運些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可W做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保護犯i圍。
【主權項】
1. 一種大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源，其特征在于:包括功率電感L、PWM調 制電路Ai、P麗調制電路A 2、續流二極管D、電源負載Rl、濾波電容C、開關管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的另一端與所述續流二極 管D的正極輸入端連接，所述續流二極管D的負極輸出端分別與所述電源負載Rl的一端、濾 波電容C的一端連接，所述電源負載Rl的另一端、濾波電容C的另一端分別與所述電源DC的 負極連接，所述電源負載Rl、濾波電容C相并聯，所述開關管T的源極與所述電源DC的負極連 接，所述開關管T的漏極連接于所述功率電感L、續流二極管D之間，所述開關管T的柵極與所 述PWM調制電路A 2的輸出端連接，所述PWM調制電路A2的正極輸入端與所述PWM調制電路Αχ的 輸出端連接，所述PWM調制電路^的負極輸入端連接于所述續流二極管D、電源負載仇之間。2. 根據權利要求1所述的大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源，其特征在于:所述 PWM調制電路A^PWM調制電路知產生開關電壓Ug，開關管T在開關電壓仏的作用下，斷開和閉 合。3. 根據權利要求2所述的大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源，其特征在于：當開 關管T閉合時，續流二極管D反偏而截止。4. 根據權利要求2所述的大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源，其特征在于：當開 關管T斷開時，續流二極管D正偏而導通。5. -種如權利要求1至4任一項所述的大功率太陽能LED照明路燈恒流驅動電源的設計 方法，其特征在于，包括以下步驟： 當開關管T閉合時，流過功率電感L上的電流性線增大，這時功率電感L儲能，功率電感L 上電壓表示為對(1)式兩邊進行積分，整理得到功率電感L的電流k增量其中，Tern為開關閉合時間，當開關管T斷開時，流過功率電感L上的電流性線變小，功率 電感L放能，電流ix減少量表示為其中，Toff為開關斷開時間； 當電路工作在穩態時，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 UinT〇N= (U〇-Uin)T〇FF (4) 令〇1 = 1'(^/^，〇2 = 1'(^/^，15為開關周期，利用〇1+〇2=1關系式，可得到輸出電壓與輸入 電壓的關系由（2)式，得到電感紋波電流、開關頻率和電感之間的關系為(6)式表明，功率電感L的紋波電流大小與輸入電壓Uir^P占空比正比與電感量L和 開關頻率fs成反比，（6)式是選定電感量的重要的理論依據； 當轉換器工作在穩態時，轉換器的輸入電功率與輸出電功率相等 UinlLA=U〇I〇 (7) 其中，Iu電感上的平均輸入電流，Ιο為輸出平均電流，把(5)代入(7)式得電感上的平均 輸入電流表達式(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-DO成反比，因（Hh) 小于1，所以Iu大于Ιο; 根據轉換電路的電流關系，電容兩端的紋波電壓為(9) 式是選定開關電源中的濾波電容C的容量理論依據，在設計過程中，LC 一定滿足
【文檔編號】H05B33/08GK105828482SQ201610332548
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】楊秀增
【申請人】廣西民族師范學院