基于一种蓄电池对LED供电的照明系统设计
前言
由于具有高发光效率、高可靠性、长寿命等优点，发光二极管（led）在照明、信号显示、显像等领域应用越来越广泛，被广泛认为是一种取代白炽灯、荧光灯等传统光源的新型光源。
驱动led有多种方法，而最简单的方法就是将led与限流电阻串联，再以电压源供电。这种驱动方式的优点是电路简单，但是也存在不少缺陷。首先是效率低，降压电阻会消耗大量电能，甚至有可能超过led所消耗的电能；其次是稳定电压能力极差，而led的v-i曲线具有负温度特性，随着结温的升高，流过led的电流会越来越大。所以，如果驱动电流得不到控制，led很容易被烧毁，即使没有烧毁，寿命也会大大缩短。所以，驱动大功率led时，电流控制是必需的。除此之外，led光源的照度直接与电流相关，所以控制led的驱动电流，其照度也将得到控制。
1 系统设计
系统的原理框图如图1所示。供电电源为铅酸蓄电池，负载为led组成的阵列，使用ltc3783作为控制器，实现pwm控制。本电路设计可以同时对led进行模拟调光和数字调光。并且本系统对于功率从几瓦到几十瓦的led阵列、端电压范围从6-36v的蓄电池均能正常工作，从而使得在对产品进行维护--需要更换led或需要更换蓄电池时，只要满足上述要求，无需更换电路模块，系统就能正常并稳定地工作。
图1 系统原理框图
由于发热量、散热技术等多方面的限制，使得单颗led的功率不能像传统光源那样做得很大，功率为1w的led即为大功率led了。实际应用中，通常使用多颗小功率led组成的阵列来满足较高的照度要求，并实现低成本，如图2所示。
图2 led阵列示意图
应用led阵列还有另一个显着优点。我们知道led可能会因某些故障发生短路和断路。当某个串，联支路中的led发生短路时，该支路中其他的led仍然能够正常工作。尽管通过led的电流可能上升，但是由于led的数量较多，上升的电流不大，上升后的电流仍不会超出led允许的工作范围。当某个串联支路中的led发生断路时，该串led熄灭。
但由于阵列由多个led串组成，其他led串仍能工作，并分担熄灭的led串中的电流，但是由于led的支路较多，上升的电流不大，上升后的电流仍不会超出led允许的工作范围。所以很明显，led阵列相对具有更高的稳定性和可靠性心1.而且，对于特定数目的led阵列，当使支路数目和支路中的led数目相一致时，将更有利于提升led组件工作的可靠性和稳定性。
实验中制作一个8串、每串20颗led的阵列和一个12串、每串12颗led的阵列。使用的led为o.1w子弹头形led，额定正向压降范围为3.0-3.3v，额定正向电流范围为10一30ma.实验中将led设计工作在20ma，这样可以减小散热量，并在led出现短路故障时能够有足够的电流裕量。
1.2 b00st变换器及控制器改进
主电路示意图如图3所示。对于主电路，恒流控制的电流通过采样电阻r将电流转换成电压，控制器通过开关管的开通与关断，能够实现恒定采样电阻上的电压，从而实现了恒定led阵列的电流。如果能够调节控制器恒定采样电阻上的电压值，则将实现led的模拟调光。基于以上思路，对ltc3783进行应用改进，见图4.
图3主电路示意图
图4控制电路示意图
图4中将采样电阻端接控制器的fbn负反馈端，而非接采样sense端。将参考电平vref经分压接入fbp正反馈端，再以可调电阻r2替代定值电阻。
要实现恒定采样电阻上的电压目标值，只需调节可调电阻。所恒定的led电流值由所恒定的采样电阻上的电压值所确定。即：
通过以上对控制器ltc3783进行应用创新，实现了对led进行模拟调光，同时实现了在需要更换led阵列时，只要功率不过大，均无需重新设计电路。
再结合控制器本身的特性，本电路设计还可以对led进行数字调光，对于功率从几瓦到几十瓦的led阵列和端电压范围从6-36v的蓄电池均能正常工作。
变换器的设计应满足以下要求：
（1）当以一个8串、每串20颗led的阵列作为负载时：
输出电压vo:60~66v
输出电流io:0.16a（恒定电流值）
工作频率f:45khz
当以12v蓄电池供电时：
电压变比m:5-5.5
占空比d:0.800-0.818
当以24v蓄电池供电时：
电压变比m:2.5~2.75
占空比d:o.600-o.636
（2）当以一个12串、每串12颗led的阵列作为负载时：
输出电压vo:36-39.6v
输出电流io:0.24a（恒定电流值）
工作频率f:45khz
当以12v蓄电池供电时：
电压变比m:3-3.3
占空比d:0.667-0.697
当以24v蓄电池供电时：
电压变比m:1.5~1.65
占空比d:0.333~0.394
调试时，只需调节可调电阻r2便可实现恒定的电流目标值，占空比会由控制器自行调整。boost电路中的电容大小决定了负载电压纹波大小，具体电容值可根据设计需要自行选取。电路中的电感值决定了电流纹波，为了便于系统参数的设计，通常都是设计系统工作于电流连续模式。本系统考虑在极端情况下，调光至10ma电感电流仍然连续，取值如下：
考虑一定的裕量，最终选取电感量为1.5mh.如果电感量选取过小，易导致当负载功率较大时，设计电路输出功率不足，无法使负载正常工作。
1.3恒流控制
实际上，变换器的输出电流不是完全恒定不变的，而是具有一定的纹波，如图5所示。mos管开通时输出电流上升，关断时下降。这里的控制策略就是当输出电流达到设定上限时，将mos管关断，使得电流下降，直到下一个ltc3783控制器内部的触发脉冲（频率即为45khz）到来时产生驱动信号将它再次开启。具体所设置的电流可通过调节可调电阻实现。
由于直接对输出电流进行采样形成反馈，所以不论led的v-i特性发生什么变化，都能由反馈形成调整，维持输出电流不变。
图5控制策略的示意图
2实验结果
图6（a）中的上波形是输出电压，下波形是开关管驱动波形，图6（b）是与之相对应的采样电阻输出电压波形，该波形中的尖刺是寄生电感和电容等引起的噪声。图6中两组波形是以12v蓄电池供电，以一个8串、每串20颗led的阵列为负载的实验波形。
图6变换器的输出波形
从图6（a）中所测得的数据，可以算出占空比为：
与前面计算的理论值：占空比d:o.800~0.818相吻合。经实验，12v蓄电池供电下，以一个12串、每串12颗led的阵列为负载，和以端电压为24v蓄电池对以上两种led阵列进行供电时，占空比均与前面的理论分析值一致，并且能稳定地工作。
因此证明了本系统对于大功率范围内的led阵列，使用端电压范围从6-36v的蓄电池均能正常工作。而且，在对产品进行维护--需要更换led或需要更换蓄电池时，只要满足上述要求，无需更换电路模块，系统就能正常并稳定地工作。
3结论
boost电路不但能够升压，而且拓扑本身所需元器件少，有利于提高效率，非常适合需要以蓄电池对led供电的应用。通过对控制器ltc3783应用创新，实现了对led进行模拟调光和数字调光。并且所设计的系统对于功率从几瓦到几十瓦的led阵列、端电压范围从6-36v的蓄电池均能正常工作，而且对产品进行维护--需要更换led或是在需要更换蓄电池时，只要满足上述要求，无需更换电路模块，系统就能正常并稳定地工作。
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1 系统设计
系统的原理框图如图1所示。供电电源为铅酸蓄电池，负载为led组成的阵列，使用ltc3783作为控制器，实现pwm控制。本电路设计可以同时对led进行模拟调光和数字调光。并且本系统对于功率从几瓦到几十瓦的led阵列、端电压范围从6-36v的蓄电池均能正常工作，从而使得在对产品进行维护--需要更换led或需要更换蓄电池时，只要满足上述要求，无需更换电路模块，系统就能正常并稳定地工作。
图1 系统原理框图
由于发热量、散热技术等多方面的限制，使得单颗led的功率不能像传统光源那样做得很大，功率为1w的led即为大功率led了。实际应用中，通常使用多颗小功率led组成的阵列来满足较高的照度要求，并实现低成本，如图2所示。
图2 led阵列示意图
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但由于阵列由多个led串组成，其他led串仍能工作，并分担熄灭的led串中的电流，但是由于led的支路较多，上升的电流不大，上升后的电流仍不会超出led允许的工作范围。所以很明显，led阵列相对具有更高的稳定性和可靠性心1.而且，对于特定数目的led阵列，当使支路数目和支路中的led数目相一致时，将更有利于提升led组件工作的可靠性和稳定性。
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图3主电路示意图
图4控制电路示意图
图4中将采样电阻端接控制器的fbn负反馈端，而非接采样sense端。将参考电平vref经分压接入fbp正反馈端，再以可调电阻r2替代定值电阻。
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1.3恒流控制
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由于直接对输出电流进行采样形成反馈，所以不论led的v-i特性发生什么变化，都能由反馈形成调整，维持输出电流不变。
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图6（a）中的上波形是输出电压，下波形是开关管驱动波形，图6（b）是与之相对应的采样电阻输出电压波形，该波形中的尖刺是寄生电感和电容等引起的噪声。图6中两组波形是以12v蓄电池供电，以一个8串、每串20颗led的阵列为负载的实验波形。
图6变换器的输出波形
从图6（a）中所测得的数据，可以算出占空比为：
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