發(fā)布時間:2018/9/25 16:16:45 來源:本站
太陽能路燈采用的大功率LED燈,一般是由小功率的LED燈串聯(lián)而成;因此,在太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中,需要一個升壓式開關(guān)電源(DC/DC變換電路來驅(qū)動大功率LED照明燈。升壓式開關(guān)電源的原理圖如圖1所示,其中:L為功率電感;A1和A2構(gòu)成PWM調(diào)制電路;D為續(xù)流二極管;C為濾波電容;RL為電源的負載。圖2(a)為當(dāng)T閉合時的等效電路,圖2(b)為當(dāng)T斷開時等效電路。在圖2中,當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時,電感器上的電流的變化量相等,根據(jù)電路知識可得到如下等式:
式中:TON為開關(guān)閉合時間;TOFF為開關(guān)斷開時間,令D1= TONTS,D2=TOFFTS;TS為開關(guān)周期,利用D1+D2=1關(guān)系式,可得到輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系:
分析可知電感紋波電流、開關(guān)頻率和電感之間的關(guān)系為:
式中,電感器的紋波電流大小與輸入電壓Ui和占空比D1成正比,與電感量L和開關(guān)頻率fs成反比,它是選定電感量的重要的理論依據(jù)。
圖1 Boost變換電路工作原理圖
圖2 Boost變換電路的等效電路圖
當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)態(tài)時,得電感上的平均輸入電流如下:
式中:ILA電感上的平均輸入電流;Io為平均輸出電流。
2.1 電路原理圖
圖3為LED路燈用的恒流驅(qū)動開關(guān)電源的電路圖。由圖3可知,本設(shè)計主要由XL6006芯片、微控制器、儲電池和一些外圍元件構(gòu)成。XL6006是一塊高效升壓型開關(guān)型恒流驅(qū)動芯片,其內(nèi)部集成了功率開關(guān)管,具有電源轉(zhuǎn)換率高和外圍元件少等優(yōu)點,是理想的LED恒流驅(qū)動芯片。L為大功率儲能電感器,D1為開關(guān)電源的續(xù)流二極管,當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開關(guān)管閉合時,XL6006第3引腳接地,二極管D1反偏截止,電感器中的電流線性增大,電感器儲能;當(dāng)XL6006內(nèi)部的功率開關(guān)管斷開時,XL6006第3引腳懸空,二極管D1正偏導(dǎo)通,電感器中的電流流向負載LED。ST15W 401為一片單片機,內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器和PWM控制器,R1和R2為分壓電路,儲電池的電壓通過分壓電路分壓之后,輸?shù)絾纹瑱C的第1腳。RS為電流取樣電阻,D3和RF為開關(guān)電源的功率控制路,控制太陽能路燈恒流驅(qū)動電源輸出功率。
圖3 電源電路原理圖
2.2 電路參數(shù)的計算
在計算PWM占空比D1時,按輸入電壓為12.5 V,輸出電壓為24 V計算,所以根據(jù)式(2)可以計算此驅(qū)動電源的占空比D1為:
在計算電感器的平均電流ILA時,按輸出的電流為1 A計算,根據(jù)式(4)可計算出電感器的平均電流(單位為A):
在設(shè)計電路時,為了讓變轉(zhuǎn)換器工作在CCM模式下,電感器的電流的變化量不大于電感器平均電流的50%,在此設(shè)計中,電感器最大電流變化量按40%計算(單位為A):
因此,可計算出電感器的峰值電流(單位為A):
因為 XL6006的開關(guān)頻率fs為180 kHz,根據(jù)式(3)可以計算出轉(zhuǎn)換器的電感值(單位為μH):
根據(jù)以上的電感的計算結(jié)果,本設(shè)計選用47μH,5 A的電感器。
為了驗證設(shè)計的正確性,根據(jù)以上的電路圖和計算出來的元件參數(shù)值試制一臺樣機,并對樣機進行測試。在測試時,選用臺灣晶元大功率LED燈珠進行實驗,把6顆5 W的LED燈珠串聯(lián)成30 W的大功率LED燈,并把這些LED燈貼在一個大散熱器上進行實驗。調(diào)節(jié)輸入電壓值,用萬用表測量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率,計算轉(zhuǎn)換效率,并用表格記錄下每次測量結(jié)果,如表1所示。
表1 Boost升壓恒流驅(qū)動電源效率
由表1可以看出,當(dāng)輸入電壓在11 V左右時,恒流驅(qū)動電源的轉(zhuǎn)換效率在87%左右;當(dāng)輸入電壓在12 V左右時,恒流驅(qū)動電源的轉(zhuǎn)換效率在89%左右;當(dāng)輸入電壓在13 V左右時,恒流驅(qū)動電源的轉(zhuǎn)換效率在90%左右;當(dāng)輸入電壓在14 V左右時,恒流驅(qū)動電源的轉(zhuǎn)換效率在91%左右。由此可見,本恒流轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換效率。為了進一步地了解Boost升壓型開關(guān)電源的升壓比與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,用數(shù)值計算方法擬合升壓比和效率數(shù)據(jù),擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出,升壓比和效率成反比關(guān)系。從圖可以看出,當(dāng)升壓比為1.4時,其轉(zhuǎn)換效率約為92%,當(dāng)升壓比為1.5時,其轉(zhuǎn)換效率約為91%,當(dāng)升壓比為2時,其轉(zhuǎn)換效率約為87%,通過計算,由此可見,在設(shè)計Boost恒流驅(qū)動電源時,為了得到較高的轉(zhuǎn)換效率,升壓比控制在2倍以內(nèi)。
圖4 Boost升壓恒流驅(qū)動電源升壓比-效率關(guān)系圖
太陽能LED恒流驅(qū)動電源,是光伏太陽能LED路燈照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其設(shè)計質(zhì)量,直接影響LED路燈的使用壽命。針對Boost恒流驅(qū)動技術(shù)在太陽能LED路燈中應(yīng)用,本文介紹太陽能LED路燈恒流驅(qū)動開關(guān)電源設(shè)計方法,并通過實例參數(shù)試制一臺實驗樣機,用數(shù)值計算方法擬合了樣機升壓比和效率數(shù)據(jù),當(dāng)升壓比為1.4時,其轉(zhuǎn)換效率約為92%,當(dāng)升壓比為1.5時,其轉(zhuǎn)換效率約為91%,當(dāng)升壓比為2時,其轉(zhuǎn)換效率約為87%。測試表明,該恒流驅(qū)動的設(shè)計方法可行,能為設(shè)計大功率LED太陽能路燈恒流驅(qū)動電源提供一個參考。
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