一种大功率太阳能LED路灯恒流驱动电路的设计

发表时间：2019-08-27T16:10:22.717Z 来源：《建筑细部》2018年第29期作者：王飞[导读] 大功率LED恒流驱动技术被广泛应用在太阳能LED路灯系统中。

王飞

南京普天大唐信息电子有限公司江苏南京 210000 摘要：大功率LED恒流驱动技术被广泛应用在太阳能LED路灯系统中。本文讨论了如何实现MPS公司MP4012系列芯片满足太阳能LED路灯照明系统中的应用。不仅实现了基本的升压恒流功能，还具有短路、开路等多重保护功能，保证LED光源稳定输出外，使系统得到更全面的保护，有效降低了太阳能路灯系统的使用和维护成本。

关键词：太阳能路灯；DC-DC恒流驱动；LED照明 1 引言

随着人类社会的快速发展，能源短缺问题变得日益突出。而太阳能作为取之不尽、用之不竭的绿色能源被广泛推广和应用。对比白炽灯、荧光灯等传统光源时，大功率LED光源具有寿命长、节能、发光效率高、响应快、环保等显著优点[1]。结合了太阳能光伏发电技术与大功率LED照明技术[2]的太阳能路灯系统因其无需铺设市电线路、节能环保、全自动运行等优点在户外道路照明领域得到了广泛应用。

LED光源属于非线性负载，驱动电源设计是否合理对LED光源的性能、寿命起着决定性的作用，设计不合理会引发光衰进一步增大、驱动电源自身故障率高等问题[3]。目前在太阳能LED路灯应用领域中已广泛采用了恒流驱动方式，但是该领域用的恒流驱动电源普遍存在电路复杂、恒流质量不高、保护功能不全面可靠等问题。本文以MPS公司的MP4012系列芯片为核心搭建的DC-DC升压恒流驱动电路，能够实现高质量高效率的调光功能，由于驱动芯片内部集成了多种保护及驱动电路，无需额外增加外部保护功能电路的情况下，可以实现输出短路保护、输出开路保护及自动恢复、输出过压保护、输入低压锁定输出等功能。本方案驱动电源电路拥有转换效率高且外围器件少的优点，具有一定的实用参考价值。

2 恒流驱动电源设计

图1为一种太阳能路灯使用的大功率LED恒流驱动电路图。本方案主要由MP4012芯片、微控制器接口和一些外围元器件构成。恒流源输入端Vin接电池，输出端LED+和LED-之间接大功率LED光源，本系统可以满足12V或24V系统电池电压输入，15~60V宽范围电压输出的太阳能LED路灯系统的应用。同时可以通过微控制器的接口Analog_Dim控制芯片的ISET引脚实现模拟调光功能，用户可自行设定LED灯的工作电流，具有很强的灵活性，拥有输出短路保护，输出过压保护等功能。

图1 大功率LED恒流驱动电路图 3 电路工作原理 3.1 Boost升压电路原理分析

如下图2是Boost升压电路的基本拓扑结构，主要由电感L1、开关管M1以及二极管D1组成。Boost升压电路的工作原理可以分为电感储能过程和电感释放能量过程。当开关管导通时，电感充电储能，在此过程中，二极管反向截止，由电容Cout给负载提供能量，维持负载工作；当开关管断开时，由于电感电流不能突变，此时电感和输入电压叠加共同给负载提供能量，并且给电容Cout充电。由此可知，对开关管的控制技术是该电路的核心。

图2 Boost升压电路的拓扑结构 3.2 大功率LED路灯恒流电路分析

经过上述分析，我们对Boost升压电路有了基本的概念，下面我们将介绍在大功率太阳能LED路灯上实用的恒流源电路，但本文不涉及电感、开关管、二极管等功率器件的电路参数选型。典型的太阳能路灯应用领域中，电池输入一般为12V系统，负载一般为标称1W每颗的大功率LED灯珠进行串、并联而成的灯具，通常为5-15串的LED灯（即15-45V额定工作电压），功率40W以下。为满足低压输入高压恒流输出的需求，本设计以MP4012芯片为核心组成了Boost升压恒流电路。图1的Boost升压恒流电路的主拓扑电路结合图2可知由功率电感L1、二极管D1、升压MOS管M1、输出电容Cout等元器件构成，MOS管M1、M2的驱动控制部分电路则由MP4012芯片内部集成。RT电阻确定了Boost升压MOS管M1的开关频率，取值为两种，一种为96K欧姆时，频率为580KHz左右；一种为500K欧姆时，频率为115KHz左右，过高的开关频率对PCB的设计要求较高同时也会增大开关损耗进而减小开关电源的转换效率，本方案选了115KHz频率作为驱动MOS 管的开关频率。