大功率太阳能led照明路灯恒流驱动电源及其设计方法
【专利摘要】本发明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RL、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RL的一端、滤波电容C的一端连接，所述电源负载RL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RL、滤波电容C相并联。本发明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。本发明的有益效果是：具有成本低廉、转换效率高、可靠性高的优点。
【专利说明】
大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及驱动电源，尤其设及一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源及 其设计方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着太阳能光伏发电技术和Lm)照明技术的发展，太阳能L邸路灯已进入了 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。Lm)是一种半导体发光器件，其寿命极易受到溫度影响。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。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术中的问题，本发明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L邸照明路灯恒流驱动电源及其设计方法。
[0004] 本发明提供了一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源，包括功率电感L、PWM 调制电路Al、P歷调制电路A2、续流二极管D、电源负载Rl、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化的一 端、滤波电容C的一端连接，所述电源负载化的另一端、滤波电容C的另一端分别与所述电源 DC的负极连接，所述电源负载化、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 Al的输出端连接，所述PWM调制电路Al的负极输入端连接于所述续流二极管D、电源负载化之 间。
[0005] 作为本发明的进一步改进，所述PWM调制电路Al、PWM调制电路A2产生开关电压Ug， 开关管T在开关电压Ug的作用下，断开和闭合。
[0006] 作为本发明的进一步改进，当开关管T闭合时，续流二极管D反偏而截止。
[0007] 作为本发明的进一步改进，当开关管T断开时，续流二极管D正偏而导通。
[000引本发明还提供了一种如上述任一项所述的大功率太阳能Lm)照明路灯恒流驱动电 源的设计方法，包括W下步骤：
[0009] 当开关管T闭合时，流过功率电感L上的电流性线增大，运时功率电感L储能，功率 电感L上电压表示为
[0010]
W
[0011] 对(1)式两边进行积分，整理得到功率电感L的电流iL增量
[0012]
(2)
[0013] 其中，Ton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iL减少量表示为
[0014]
巧）
[001引其中，Toff为开关断开时间；
[0016] 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 W有
[0017] UinToN=(Uo-Uin)ToFF (4)
[001引令Di = Ton/Ts，= Toff/Ts，Ts为开关周期，利用Di+化=1关系式，可得到输出电压与 输入电压的关系
[0019]
喊
[0020] 由（2)式，得到电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为
[0021]
㈱
[00剖 （6)式表明，功率电感L的纹波电流大小与输入电压Uin和占空比化成正比与电感量 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；
[0023] 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
[0024] UinlLA=UoIo (7)
[0025] 其中，Ila电感上的平均输入电流，Io为输出平均电流，把巧)代入(7)式得电感上的 平均输入电流表达式
[0026]
(8)
[0027] (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（I-Di)成反比，因 (I-Di)小于1,所WIla大于Io;
[0028] 巧据转换由路的由流关系，电容两端的纹波电压为
[0029]
巧）
[0030] (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
[0031] (!。)°
[0032] 本发明的有益效果是: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】
[0033] 图1是本发明一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源的电路图。
[0034] 图2是本发明一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源的开关管T闭合时的等 效电路图。
[0035] 图3是本发明一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源的开关管T断开时的等 效电路图。
[0036] 图4是本发明一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源的示例图。
[0037] 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】
[0038] 下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0039] 如图1至图3所示，本发明利用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。
[0040] 如图1至图3所示，一种大功率太阳能L抓照明路灯恒流驱动电源，为Boos t升压型 开关电源，包括功率电感L、PWM调制电路Al、PWM调制电路A2、续流二极管D、电源负载化、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 别与所述电源负载化的一端、滤波电容C的一端连接，所述电源负载化的另一端、滤波电容C 的另一端分别与所述电源DC的负极连接，所述电源负载化、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Al的输出端连接，所述PWM调制电路Al的负极输入端连接于所述 续流二极管D、电源负载化之间。
[0041 ] 如图1至图3所示，所述PWM调制电路Al、PWM调制电路A2产生开关电压Ug，开关管T在 开关电压Ug的作用下，断开和闭合。
[0042] 如图2所示，当开关管T闭合时，续流二极管D反偏而截止。
[0043] 如图3所示，当开关管T断开时，续流二极管D正偏而导通。
[0044] 本发明提供的一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源的性能指标如下：
[0045] 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，运时功率电感L储能，功率电感L上电压表示为
[0046]
。）
[0047] 对(1)式两边进行积分，整理得到功率电感L的电流iL增量
[004引
（2)
[0049] 其中，Ton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iL减少量可W表示为
[0050]
口）
[0051] 其中，Toff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W有
[0052 ] UinT 日N =( Uo-Uin) Toff (4)
[0053] 令Di = Ton/Ts，D2 = Toff/Ts，Ts为开关周期，利用Di+化=I关系式，可得到输出电压与 输入电压的关系
[0054]
喊
[0055] 由（2)式，得到电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为
[005W
城
[0057] (6)式表明，功率电感L的纹波电流大小与输入电压Uin和占空比化成正比与电感量 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。
[0058] 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
[0化9] UinlLA=UoI 日 (7)
[0060] 其中，Ila电感上的平均输入电流，Io为输出平均电流，把巧)代入(7)式得电感上的 平均输入电流表达式
[0061]
W
[0062] (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（I-Di)成反比，因 (I-Dl)小干1.所PiIlA大干1〇。报据转换电路的电流关系，电容两端的纹波电压为
[0063]
獻
[0064] (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
[0065]
(1口）
[0066] 本发明提供的一种大功率太阳能L邸照明路灯恒流驱动电源的设计实例如下：
[0067] 1.1设计要求
[0068] 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。
[00例 1.2实例原理图设计
[0070]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恒流驱动忍片化6006进行设计，有利于提高转换效率和缩小设计体积。由 图可知，本设计主要由化6006忍片、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忍片，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Lm)恒流驱动忍片。L为大功率储能电感器，Di为开关电源的续流二 极管，当化6006内部的功率开关管闭合时，XL6006第3引脚接地，二极管化反偏截止，电感器 中的电流线性增大，电感器储能；当化6006内部的功率开关管断开时，XL6006第3引脚悬空， 二极管化正偏导通，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，扣和1?2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。Rs为电流取样电阻，〇3和化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。
[0071] 1.3电路参数的计算
[0072] 在计算PWM占空比化时，因输入电压为12.5伏，输出电压为24伏，所W根据式(5)可 W计算此驱动电源的占空比化为
[007引
山）
[0074]在计算电感器的平均电流Ilav时，因输出的电流为1安培，根据式(8)可计算出电感 器的平巧由流
[00对
（似
[0076] 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
[0077] AIl=Ilav*0.4=1.9*0.4A-0.77A (13)
[0078] 根据式(12)和式(13)可计算出电感器的峰值电流
[0079] Ipeak=IiAV+A I = 1.9A+0.77A= 2.67A (14)
[0080] 因为化6006的开关频率fs为180化Z，根据式(6)可W计算出转换器的电感值
[0081]
川5)
[0082] 根据W上的电感的计算结果，本设计选用47iiH 5A的电感器。
[0083] 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
[0084] AUo = A*Uo = 0.001^4V = 0.024V (16)
[0085] 把上式的值代入式(10)，可W计算滤波电容的容量
[0086]
(巧）
[0087] 根据计算结果，本设计选择50V IOOiiF的电容作为滤波器。
[0088] 设计实例样机的试制及性能指标的测试
[0089] 为了验证设计的正确性，根据W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，选用中国台湾晶元大功率LED灯珠进行实验，把6颗5W的 L抓灯珠串联成30W的大功率L抓灯，并把运些L抓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W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。
[0090] 表1 Boost升压恒流驱动电源效率
[0091]
[0092] 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W看出，升压比和效率成反 比关系。从图可W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W内。
[0093] 结论:太阳能Lm)恒流驱动电源，是光伏太阳能L邸路灯照明系统的关键部件，其设 计质量，直接影响Lm)路灯的使用寿命。针对Boost恒流驱动技术在太阳能Lm)路灯中应用， 本文介绍太阳能Lm)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。
[0094] W上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于运些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，其特征在于:包括功率电感L、PWM调 制电路Ai、P丽调制电路A 2、续流二极管D、电源负载Rl、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Rl的一端、滤 波电容C的一端连接，所述电源负载Rl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Rl、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A 2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Αχ的 输出端连接，所述PWM调制电路^的负极输入端连接于所述续流二极管D、电源负载仇之间。2. 根据权利要求1所述的大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，其特征在于:所述 PWM调制电路A^PWM调制电路知产生开关电压Ug，开关管T在开关电压仏的作用下，断开和闭 合。3. 根据权利要求2所述的大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，其特征在于：当开 关管T闭合时，续流二极管D反偏而截止。4. 根据权利要求2所述的大功率太阳能LED照明路灯恒流驱动电源，其特征在于：当开 关管T断开时，续流二极管D正偏而导通。5. -种如权利要求1至4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，其特征在于，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 上电压表示为对(1)式两边进行积分，整理得到功率电感L的电流k增量其中，Tern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ix减少量表示为其中，Toff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 UinT〇N= (U〇-Uin)T〇FF (4) 令〇1 = 1'(^/^，〇2 = 1'(^/^，15为开关周期，利用〇1+〇2=1关系式，可得到输出电压与输入 电压的关系由（2)式，得到电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为(6)式表明，功率电感L的纹波电流大小与输入电压Uir^P占空比正比与电感量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 UinlLA=U〇I〇 (7) 其中，Iu电感上的平均输入电流，Ιο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(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-DO成反比，因（Hh) 小于1，所以Iu大于Ιο; 根据转换电路的电流关系，电容两端的纹波电压为(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
【文档编号】H05B33/08GK105828482SQ201610332548
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】杨秀增
【申请人】广西民族师范学院