大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的制作方法

本实用新型涉及驱动电源，尤其涉及一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源。

背景技术：

近年来随着太阳能光伏发电技术和LED照明技术的发展，太阳能LED路灯已进入了城市照明领域。太阳能LED路灯无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费等特点，具有节能、经济、环保和实用等特点。LED是一种半导体发光器件，其寿命极易受到温度影响。为了延长太阳能LED路灯的使用寿命，要采用恒流驱动电源来驱动太阳能LED灯。目前大多数的恒流驱动电源存在着电路设计复杂、可靠性低、转换效率不高、价格比昂贵等缺点。因此，研发成本低廉、转换效率高、可靠性高的恒流驱动电源具有重大的实现意义。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种成本低廉、转换效率高、可靠性高的大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源。

本实用新型提供了一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，包括功率电感L、PWM调制电路A₁、PWM调制电路A₂、续流二极管D、电源负载R_L、滤波电容C、开关管T和电源DC，其中，所述电源DC的正极与所述功率电感L的一端连接，所述功率电感L的另一端与所述续流二极管D的正极输入端连接，所述续流二极管D的负极输出端分别与所述电源负载R_L的一端、滤波电容C的一端连接，所述电源负载R_L的另一端、滤波电容C的另一端分别与所述电源DC的负极连接，所述电源负载R_L、滤波电容C相并联，所述开关管T的源极与所述电源DC的负极连接，所述开关管T的漏极连接于所述功率电感L、续流二极管D之间，所述开关管T的栅极与所述PWM调制电路A₂的输出端连接，所述PWM调制电路A₂的正极输入端与所述PWM调制电路A₁的输出端连接，所述PWM调制电路A₁的负极输入端连接于所述续流二极管D、电源负载R_L之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述PWM调制电路A₁、PWM调制电路A₂产生开关电压U_g，开关管T在开关电压U_g的作用下，断开和闭合。

作为本实用新型的进一步改进，当开关管T闭合时，续流二极管D反偏而截止。

作为本实用新型的进一步改进，当开关管T断开时，续流二极管D正偏而导通。

本实用新型还提供了一种如上述任一项所述的大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的设计方法，包括以下步骤：

当开关管T闭合时，流过功率电感L上的电流性线增大，这时功率电感L储能，功率电感L上电压表示为

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

对(1)式两边进行积分,整理得到功率电感L的电流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为开关闭合时间，当开关管T断开时，流过功率电感L上的电流性线变小，功率电感L放能,电流i_L减少量表示为

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

其中，T_OFF为开关断开时间；

当电路工作在稳态时,功率电感L上的电流的变化量相等,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为开关周期,利用D₁+D₂＝1关系式，可得到输出电压与输入电压的关系

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

由(2)式，得到电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为

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

(6)式表明，功率电感L的纹波电流大小与输入电压U_in和占空比D₁成正比与电感量L和开关频率fs成反比,(6)式是选定电感量的重要的理论依据；

当转换器工作在稳态时，转换器的输入电功率与输出电功率相等

U_inI_LA＝U_OI_O (7)

其中,I_LA电感上的平均输入电流,I_O为输出平均电流，把(5)代入(7)式得电感上的平均输入电流表达式

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

(8)式表明,功率电感L的平均电流与输出平均电流成正比,与(1-D₁)成反比,因(1-D₁)小于1,所以I_LA大于I_O；

根据转换电路的电流关系，电容两端的纹波电压为

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

(9)式是选定开关电源中的滤波电容C的容量理论依据，在设计过程中，LC一定满足

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

本实用新型的有益效果是：通过上述方案，具有成本低廉、转换效率高、可靠性高的优点。

附图说明

图1是本实用新型一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的电路图。

图2是本实用新型一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的开关管T闭合时的等效电路图。

图3是本实用新型一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的开关管T断开时的等效电路图。

图4是本实用新型一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的示例图。

图5是Boost升压型开关电源的升压比与转换效率的拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1至图3所示，本实用新型利用Boost开关电源技术和嵌入式技术，设计基于连续工作模式的太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，具有设计电路简单，成本低廉和转换率高等优点，有较好的市场价值。

如图1至图3所示，一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，为Boost升压型开关电源，包括功率电感L、PWM调制电路A₁、PWM调制电路A₂、续流二极管D、电源负载R_L、滤波电容C、开关管T和电源DC，其中，所述电源DC的正极与所述功率电感L的一端连接，所述功率电感L的另一端与所述续流二极管D的正极输入端连接，所述续流二极管D的负极输出端分别与所述电源负载R_L的一端、滤波电容C的一端连接，所述电源负载R_L的另一端、滤波电容C的另一端分别与所述电源DC的负极连接，所述电源负载R_L、滤波电容C相并联，所述开关管T的源极与所述电源DC的负极连接，所述开关管T的漏极连接于所述功率电感L、续流二极管D之间，所述开关管T的栅极与所述PWM调制电路A₂的输出端连接，所述PWM调制电路A₂的正极输入端与所述PWM调制电路A₁的输出端连接，所述PWM调制电路A₁的负极输入端连接于所述续流二极管D、电源负载R_L之间。

如图1至图3所示，所述PWM调制电路A₁、PWM调制电路A₂产生开关电压U_g，开关管T在开关电压U_g的作用下，断开和闭合。

如图2所示，当开关管T闭合时，续流二极管D反偏而截止。

如图3所示，当开关管T断开时，续流二极管D正偏而导通。

本实用新型提供的一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的性能指标如下：

现在分析性能指标，在图2中，当开关管T闭合时，流过功率电感L上的电流性线增大，这时功率电感L储能，功率电感L上电压表示为

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

对(1)式两边进行积分,整理得到功率电感L的电流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为开关闭合时间。当开关管T断开时，如图3所示，流过功率电感L上的电流性线变小，功率电感L放能,电流i_L减少量可以表示为

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

其中，T_OFF为开关断开时间。当电路工作在稳态时,功率电感L上的电流的变化量相等,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为开关周期,利用D₁+D₂＝1关系式，可得到输出电压与输入电压的关系

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

由(2)式，得到电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为

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

(6)式表明，功率电感L的纹波电流大小与输入电压U_in和占空比D₁成正比与电感量L和开关频率fs成反比,(6)式是选定电感量的重要的理论依据。

当转换器工作在稳态时，转换器的输入电功率与输出电功率相等

U_inI_LA＝U_OI_O (7)

其中,I_LA电感上的平均输入电流,I_O为输出平均电流，把(5)代入(7)式得电感上的平均输入电流表达式

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

(8)式表明,功率电感L的平均电流与输出平均电流成正比,与(1-D₁)成反比,因(1-D₁)小于1,所以I_LA大于I_O。根据转换电路的电流关系，电容两端的纹波电压为

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

(9)式是选定开关电源中的滤波电容C的容量理论依据，在设计过程中，LC一定满足

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

本实用新型提供的一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源的设计实例如下：

1.1设计要求

试设计一个太阳能LED路灯用的恒流驱动开关电源，设计要求如下：(1)输入电压在12.5伏左右，输出电流1安培，输出电压在24伏左右；(2)，输出电压的纹波系数不大于0.1％；(3)恒流驱动开关电源输出功率可控；(4)驱动电源的体积要小。

1.2实例原理图设计

根据设计要求，设计LED路灯用的恒流驱动开关电源的电路图，如图4所示，采用了一片专用的Boost恒流驱动芯片XL6006进行设计，有利于提高转换效率和缩小设计体积。由图可知，本设计主要由XL6006芯片、微控制器器、储电池和一些外围元件构成。XL6006是一块高效升压型开关型恒流驱动芯片，其内部集成了功率开关管，具有电源转换率高和外围元件少等优点，是理想的LED恒流驱动芯片。L为大功率储能电感器，D₁为开关电源的续流二极管，当XL6006内部的功率开关管闭合时，XL6006第3引脚接地，二极管D₁反偏截止，电感器中的电流线性增大，电感器储能；当XL6006内部的功率开关管断开时，XL6006第3引脚悬空，二极管D₁正偏导通，电感器中的电流流向负载LED。ST15W401为一片单片机，内部集成了AD转换器和PWM控制器，R₁和R₂为分压电路，储电池的电压通过分压电路分压之后，输到单片机的第1脚。R_S为电流取样电阻，D₃和R_F为开关电源的功率控制路，控制太阳能路灯恒流驱动电源输出功率。

1.3电路参数的计算

在计算PWM占空比D₁时,因输入电压为12.5伏，输出电压为24伏，所以根据式(5)可以计算此驱动电源的占空比D₁为

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

在计算电感器的平均电流I_LAV时，因输出的电流为1安培，根据式(8)可计算出电感器的平均电流

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

在设计电路时，为了让变转换器工作在CCM模式下，电感器的电流的变化量不大于电感器平均电流的50％，在此设计中，电感器最大电流变化量按40％计算

ΔI_L＝I_LAV*0.4＝1.9*0.4A≈0.77A (13)

根据式(12)和式(13)可计算出电感器的峰值电流

I_peak＝I_LAV+ΔI＝1.9A+0.77A＝2.67A (14)

因为XL6006的开关频率f_s为180khz,根据式(6)可以计算出转换器的电感值

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

根据以上的电感的计算结果，本设计选用47μH 5A的电感器。

根据直流电源的纹波系数的定义，计算出直流电源的电压值变化

ΔU_O＝λ*U_O＝0.001*24V＝0.024V (16)

把上式的值代入式(10)，可以计算滤波电容的容量

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

根据计算结果，本设计选择50V 100μF的电容作为滤波器。

设计实例样机的试制及性能指标的测试

为了验证设计的正确性，根据以上的电路图和计算出来的元件参数值试制一台样机，并对样机进行测试。在测试时，选用台湾晶元大功率LED灯珠进行实验，把6颗5W的LED灯珠串联成30W的大功率LED灯，并把这些LED灯贴在一个大散热器上进行实验。调节输入电压值，用万用表测量不同输入电压下的输入功率与输出功率，计算转换效率，并用表格记录下每次测量结果，如表1所示。由表1可以看出，当输入电压在11伏左右时，恒流驱动电源的转换效率在87％左右；当输入电压在12伏左右时，恒流驱动电源的转换效率在89％左右；当输入电压在13伏左右时，恒流驱动电源的转换效率在90％左右；当输入电压在14伏左右时，恒流驱动电源的转换效率在91％左右，由此可见，本恒流转换器有较高的转换效率。

表1Boost升压恒流驱动电源效率

为了进一步地的了解Boost升压型开关电源的升压比与转换效率的关系，用数值计算方法拟合升压比和效率数据，拟合曲线如图5所示。从图可以看出，升压比和效率成反比关系。从图可以看出，当升压比为1.4时，其转换效率约为92％，当升压比为1.5时，其转换效率约为91％，当升压比为2时，其转换效率约为87％，通过计算，当升压比升到3倍时，恒流开关型效率下降到77％左右，由此可见，在设计Boost恒流驱动电源时，为了得到较高的转换效率，升压比控制2倍以内。

结论：太阳能LED恒流驱动电源，是光伏太阳能LED路灯照明系统的关键部件，其设计质量，直接影响LED路灯的使用寿命。针对Boost恒流驱动技术在太阳能LED路灯中应用，本文介绍太阳能LED路灯恒流驱动开关电源设计方法，并通过实例参数试制一台实验样机，用数值计算方法拟合了样机升压比和效率数据，当升压比为1.4时，其转换效率约为92％，当升压比为1.5时，其转换效率约为91％，当升压比为2时，其转换效率约为87％，测试表明，该恒流驱动的设计方法可行，能为设计大功率LED太阳能路灯恒流驱动电源提供一个参考。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。