详解LED设计原理及调光电路设计 —电路图天天读（244）

　　随着LED制造技术以及电池技术的进步，高亮度（HB） LED广泛用于各种照明设备，其光输出量（发光效率）通常以流明/瓦为单位计量，已经超过了荧光灯的发光效率。

　　1 概述

　　高 亮度（HB） LED目前已广泛用于各种照明设备，其光输出量（发光效率）通常以流明/瓦为单位计量，已经超过了荧光灯的发光效率。而采用高容量、单节Li+电池驱动高 效率LED光源时，由于电池电压仅为3V至4V，需要解决电源转换问题。可靠性及安全特性使得HB LED成为电池备份照明系统（应急照明等）的优选方案。

　　随着LED制造技术以及电池技术的进步，目前最高容量的锂离子（Li+）电池能量密度可以 达到 750kJ/kg左右；镍氢（NiMH）电池的能量密度略低一些，大约为200kJ/kg （而汽油的能量密度为44MJ/kg）。单节Li+电池的端电压约为3.7V，要想直接驱动多个串联的LED，则需把多节电池串联在一起，但这会带来功率 分配等设计问题，用户也往往首选单节电池供电的方案。

　　2 采用连续boost模式驱动LED灯串

　　以常见的boost配置拓扑为例，例如：标准的MAX16834 HB LED驱动器评估板（EV） MAX16834EVKIT （图1）。

　　为了向开关MOSFET提供足够的栅极驱动电压，MAX16834要求工作电压至少为4.5V，以便MOSFET进入低阻导通状态。对于采用n沟道FET工作在boost模式的HB LED驱动器，这者要求很常见。

　　单节Li+电池的驱动电压可能低至3V，无法支持电路中FET及其它电路的正常工作。这就需要将电池电压提升到较高电压，器件即可正常工作。

　　图2:HB LED 驱动器和升压转换器

　　为了消除电池放电期间对电压的影响或电池阻抗的升高，可采用大电流、低电压电源代替电池，从而使输入电压保持基本稳定，通过改变LED 驱动电流改变系统负载。

　　LED 调光能以两种方式进行：模拟调光和脉冲宽度调制（PWM） 调光。模拟调光简单地调节LED 串的 DC 电流， 以改变 LED 的光输出， 而 PWM 调光则 改变 LED 串中恒定电流的占空比，以有效改变 LED 串中的平均电流，以此实现调光。尽管模拟调光的简单性富有吸引力， 但是这种方式对很多应用不合适， 因为 模拟调光仅在 10:1 的亮度调节时， 就损失超过25%的准确度， 而且这种调光方式使 LED 产生色彩失真。 相比之下， PWM 调光可以在准确度没有任何显著损 失的情况下，产生 3000:1 以及更高的调光比 （在 100Hz 时），而且 LED色彩没有改变。

　　图3：用于汽车前灯、具备25:1的内部 PWM 调光、效率为94%的升压模式 LED 驱动器

　　3  LED 路灯控制器系统结构

　　LED 路灯控制系统结构框图如图4所示，本系统中关键部件是控制器，控制器的功能主要有：

图4  控制器结构框图

　　（1）白天对太阳能电池板的电压和电流进行检测，通过 MPPT 算法追踪太阳能电池板最大输出功率点， 使太阳能电池板以最大输出功率给蓄电池充电， 并控制太阳能电池对蓄电池进行充电的方式;（2）控制光电互补自动转换， 晚上控制蓄电池放电， 驱动 LED 负载照明;当在太阳光照不足或阴雨天气， 蓄电池放电电压达最低电压时，能自动切换到市电供 LED 路灯点亮;（3）对蓄电池实行过放电保护 、过充电保护、短路保护、反接保护和极性保护;（4）控制 LED灯的开关，通过对外环境监测，可以控制 LED 灯开灯、关灯时间。

　　4  充电电路及输出控制

　　4.1 充电电路

　　充电电路用来调节充电电流与电压， 使太阳能电池板稳定地对蓄电池充电。 由于每天在各个时段太阳能电池板所转换的太阳辐射能不同， 使得太阳能电池输出 的电流和电压各不相同，这就需要通过必要的充电电路来控制。本电路就是用 TL494 实现的电压型脉宽调制（PWM）控制电路，电路图如图5所示。

图5  充电电路

　　编辑点评：本文所采用最新技术、高容量Li+电池提供照明解决方案，避免多级电源转换而导致的效率低下问题，有助于延长电池使用寿命。通过对LED 路灯系统设计和实际测试观察，其结果基本符合设计要求。
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