基于故障檢測(cè)的路燈LED驅(qū)動(dòng)電源的研究

　　1. 引言

　　近年來，伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和人民生活水平的提高，煤、石油、天然氣等能源短缺問題及全球溫室氣體排放量增加等環(huán)境問題日益惡化。全球普遍面臨著能源短缺和能源危機(jī)的嚴(yán)峻局勢(shì)，各國也都在尋求開發(fā)新能源和提高能源利用率的措施。對(duì)于生物能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉从捎谄渥陨砟芰棵芏鹊汀⒐┠苓^程的間歇性、隨機(jī)性、不能大規(guī)模存儲(chǔ)等缺點(diǎn)，使得其開發(fā)和利用的過程相當(dāng)漫長。故最有效的方法是提高現(xiàn)有能源的利用率。而電力能源的消耗占總能耗的40%左右，在我國，照明用電又占電力能耗的12%[1,2]。

　　所以發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)的意義深遠(yuǎn)。

　　2. LED的故障分析

　　目前，街道照明用LED光源功率大多數(shù)處于100W-200W之間。由于LED單顆功率等級(jí)偏低，因此，需要通過串并聯(lián)組成LED陣列。但是由于LED 是一種新興的光源，在其實(shí)際的應(yīng)用過程中還存在很多問題。其中LED常見的失效情況是不亮，即LED通電流后不發(fā)光，此時(shí)可能是開路故障或是短路故障。對(duì)于開路故障，可能是LED封裝出現(xiàn)斷線或粘晶等缺陷。對(duì)于短路故障，可能是由于LED沒有流經(jīng)LED芯片，而是流經(jīng)“旁門左道”引起的。兩種故障的示意圖如圖1所示。對(duì)于LED不亮這種失效情況，最常見的是開路故障。

　　由于在大功率照明應(yīng)用中，并聯(lián)支路較多，為每一支路提供獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器固然可以實(shí)現(xiàn)各支路的獨(dú)立恒流，并且不會(huì)因?yàn)閱晤wLED出現(xiàn)短路故障而影響其他LED的正常工作。但是需要每路設(shè)置開路保護(hù)。這樣每串LED都設(shè)有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器和開路保護(hù)會(huì)使得LED驅(qū)動(dòng)器體積過大，成本過高，不利于安裝和使用。所以目前應(yīng)用比較多的是采用總電流閉環(huán)控制的控制策略。

　　但是如果采用總電流閉環(huán)，一旦多并聯(lián)支路中有某一串LED開路，則其他并聯(lián)支路中的供電電流勢(shì)必會(huì)增大，就會(huì)造成連鎖反應(yīng)，會(huì)有并聯(lián)支路將會(huì)因?yàn)殡娏髟龃?，陸續(xù)出現(xiàn)開路故障，直至全部并聯(lián)支路開路。如果某顆LED出現(xiàn)短路故障，那么流經(jīng)本串LED的電流會(huì)增加，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致其他LED因過流而損壞。

　　本文針對(duì)這一問題對(duì)LED串并聯(lián)支路的開路故障檢測(cè)和短路故障進(jìn)行了研究，提出了一種可及時(shí)識(shí)別開路數(shù)，從而保證每一并聯(lián)支路電流維持不變的LED驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

　　3. 電路設(shè)計(jì)

　　如圖2所示是路燈LED恒流驅(qū)動(dòng)電源的原理示意圖。其中，LED陣列采用14串、8路并聯(lián)的形式。

　　驅(qū)動(dòng)器電路采用兩功率級(jí)結(jié)構(gòu)。前級(jí)為功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正為后級(jí)的DC-DC變換器提供穩(wěn)定母線。后級(jí)是諧振半橋DC-DC電流源變換器，控制器通過開關(guān)頻率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)?？刂?/p>

　　系統(tǒng)采用Infineon公司的XC822單片機(jī)作為控制芯片。

　　3.1 功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

　　為提高LED驅(qū)動(dòng)電源的功率因數(shù)，在驅(qū)動(dòng)電源中加入功率因數(shù)校正電路。目前對(duì)于100W-150W的驅(qū)動(dòng)電源，臨界模式(CRM)的Boost電路因?yàn)槠潆娐分衅骷碾妷弘娏鲬?yīng)力小，且二極管沒有反向恢復(fù)問題，控制電路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的采用，其輸出為400V的穩(wěn)壓值。

　　3.2 諧振直流變化器的設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，后級(jí)是一個(gè)諧振直流變換器。它是由是由一個(gè)LC諧振逆變器與一個(gè)不控整流橋組成的。

　　由[3]可知，LED負(fù)載可以等效為二極管、電壓源及電阻串聯(lián)的負(fù)載形式。在此基礎(chǔ)上可以將LED負(fù)載陣列也可以等效為電壓源與電阻串聯(lián)形式，如圖3所示。其中Von為LED的閾值電壓，取值在3.1V-3.4V之間。Rs為LED伏安特性的斜率，取值約為0.77Ω，m為每串LED的個(gè)數(shù)，n為LED的串?dāng)?shù)。在本次設(shè)計(jì)m取14，n取8。

　　將LED負(fù)載陣列折算到整流橋的原邊，其等效電路圖如圖4所示，其中輸入電壓時(shí)一個(gè)在0和400V之間變化的方波信號(hào)，而折算到整流橋輸入側(cè)的LED的等效模型為一個(gè)在-mVon與mVon之間變化的方波信號(hào)和電阻串聯(lián)的模型。

　　由于諧振電容的值對(duì)電路影響較小，取為100nF,為防止音頻的干擾[5]，設(shè)定開管起始頻率為35kHz,設(shè)定LED正常工作時(shí)的電流為330mA。經(jīng)計(jì)算可以得到電感值為507uH。

　　進(jìn)而可以計(jì)算得出不同開路數(shù)下,即當(dāng)n變化時(shí)，

　　對(duì)應(yīng)的不同的開關(guān)頻率，如表1所示。

　　3.3 開路故障檢測(cè)電路

　　圖5為本次設(shè)計(jì)的開路故障檢測(cè)電路的原理圖，采用光耦TLP521作為隔離判斷電路，當(dāng)次串LED正常工作時(shí)，開路信號(hào)有送一個(gè)低電平信號(hào)到控制器的I/O口，當(dāng)此串LED出現(xiàn)開路故障時(shí)，便有一個(gè)高電平信號(hào)送到控制器的I/O口?？刂破魍ㄟ^檢測(cè)發(fā)生開路的LED串的數(shù)目來調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，從而調(diào)節(jié)總電流的閉環(huán)值，正常工作的LED串自動(dòng)均流，保持每串LED的恒流驅(qū)動(dòng)。其中，各個(gè)參數(shù)的取值為：R=5Ω，R1=27Ω，R2=15KΩ,R3=7.5KΩ。

　　3.4 短路故障檢測(cè)電路

　　圖6所示的為短路故障檢測(cè)電路，即在開關(guān)管Q2橋臂上并聯(lián)故障電流檢測(cè)電阻，當(dāng)LED負(fù)載中出現(xiàn)短路故障時(shí)，此時(shí)電路中的電流就會(huì)迅速增大，若通過檢測(cè)電阻檢測(cè)到電流超過一定的值時(shí)，此時(shí)控制器就會(huì)將停止對(duì)LED負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，以防止進(jìn)一步的損壞。

　　4. 仿真分析

　　基于以上對(duì)系統(tǒng)整體分析和設(shè)計(jì)，采用Saber仿真軟件對(duì)系統(tǒng)建立仿真模型，然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行仿真分析。

　　圖7是LED在滿載運(yùn)行時(shí)其兩端的電壓波形及流過LED的電流的波形圖，從圖中可以看出在滿載運(yùn)行時(shí)LED兩端的電壓基本穩(wěn)定在47V。流過LED的平均電流為2.57A，基本可以滿足系統(tǒng)的要求。

　　圖8是諧振電流波形及整流橋輸入側(cè)的電壓波形，在0.4s時(shí)正常工作的LED串?dāng)?shù)由8串變?yōu)?串，從整流橋輸入側(cè)電壓的仿真波形中可以看出開關(guān)頻率是增加的，隨著開關(guān)頻率的增加流經(jīng)諧振電路的電感電流是減小的。

　　圖9是流過LED負(fù)載的總電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真波形。在0.4s時(shí)正常工作的LED串的數(shù)目由8串變?yōu)?串，從圖中可以看出流過LED的閉環(huán)總電流值減小，從而保證流經(jīng)每串LED的電流是恒定的。圖10是LED負(fù)載兩端的電壓波形，可以看出當(dāng)正常工作的LED串的數(shù)目發(fā)生變化時(shí)，LED負(fù)載兩端的電壓基本保持不變。

　　5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)。樣機(jī)實(shí)物圖如圖11所示。

　　圖12為8串LED正常工作時(shí)，LED負(fù)載兩端的電壓波形及流經(jīng)LED的總電流波形。圖13是只有4串正常工作時(shí)LED負(fù)載兩端的電壓波形及流經(jīng)LED的總電流波形，從圖中可以看出LED兩端的電壓基本不變，LED的總電流變小。

　　圖14和圖15是當(dāng)8串LED正常工作時(shí)及只有4串LED正常工作時(shí)，流過某一串的LED的電流波形，從圖中可以看出雖然LED負(fù)載的并聯(lián)的支路數(shù)不同，但是流過每串的LED的電流值基本是維持在300mA不變，這就說明該驅(qū)動(dòng)電源可以再不用的開路數(shù)目下實(shí)現(xiàn)LED串的恒流驅(qū)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了開路保護(hù)功能。

　　6. 結(jié)論

　　本文提出了一種可自動(dòng)檢測(cè)開路故障，并且具有短路保護(hù)功能的路燈LED驅(qū)動(dòng)電源方案。文中給出了電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和過程，對(duì)控制策略進(jìn)行了簡要分析。然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。最后112W搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在某些并聯(lián)支路出現(xiàn)開路的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)器能夠自動(dòng)的修正閉環(huán)參考值，保證了單串并聯(lián)支路的電流的恒定。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Evan Mills. The $230-billion Global Lighting Energy Bill[C]. Proceedings of the 5th International Conference on Energy-Efficient Lighting, France, 2002：1-2.

　　[2] 鄭文彬. 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的回顧與展望[J]. 華東電力，2005，33(6)：20-21.

　　[3] Mineiro Sa, E. Low Cost Self-Oscillating ZVS-CV Driver for Power LEDs[C]. IEEE，Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC：4196 -4201.

　　[4] 孫明坤，羅全明. 串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動(dòng)電源的分析及設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù). 2010，44(8)：

　　[5] Xu Dianguo,Zhang Xiangjun, and Liu Huaiyuan. “Study of Digital LED Driving Technology based on Auto-identifying Open Strings in LED Array”. IECON 2011-37th Annual Conference IEEE Industrial Electronics Society, 7-10 Nov. 2011, Page(s): 2964 – 2968.