CN101969725B

CN101969725B - 智能型通用led路灯照明电源系统

Info

Publication number: CN101969725B
Application number: CN2010105023482A
Authority: CN
Inventors: 陈雄; 郭继强
Original assignee: SHANGHAI RESEARCH CENTER OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY FOR SOLID-STATE LIGHTING; Fudan University
Current assignee: SHANGHAI RESEARCH CENTER OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY FOR SOLID-STATE LIGHTING; Fudan University
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-10-11
Also published as: CN101969725A

Abstract

本发明属于光源照明和电子技术领域，具体为一种智能型通用LED路灯照明电源系统。该系统包括输入浪涌保护及电磁干扰抑制电路，BOOST-BUCK型隔离反激式功率因素校正开关电源电路，LED芯片温度检测电路，环境亮度检测电路，万年历芯片及其外围电路，LED故障检测电路，单片机电路及恒流输出控制电路。本发明的开关电源电路以有源PFC控制芯片L6562为基础，精简了电路结构、提高了电路效率；单片机电路以芯片STC12C5606AD为控制核心，对环境亮度，LED芯片温度，时间及LED故障进行实时监测，根据不同情况智能化地调整LED输出亮度，在节能的同时，有效地延长了LED路灯的使用寿命。

Description

智能型通用LED路灯照明电源系统

技术领域

本发明属于光源照明和电子技术领域，具体涉及一种通用LED路灯照明电源系统。

背景技术

LED照明具有突出的节能、环保、寿命长的三大优点。无论从我国节能减排战略还是从光源、灯具业界发展战略上看，都需极力发展半导体照明。

LED路灯照明亮度主要取决于流过其的电流量。根据LED的伏安特性曲线，微小的电压变化会引起电流的较大变化，导致LED路灯发光亮度的较大变化。因此，主流的大功率LED路灯电源系统采用恒流源驱动。传统的开关电源在二极管整流桥后接有大容量的电解电容滤波，这使得输入电流为一个尖脉冲。它含有极高的谐波分量，电能浪费严重，电路的功率因素很低，且作为一个谐波电流源，干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰。大规模LED路灯的采用，电源系统应考虑功率因数校正技术、LED路灯故障检测、环境亮度检测、LED芯片温度检测、万年历时钟芯片、浪涌保护、电磁干扰抑制、功率因素校正(PFC)等功能，便以LED路灯的科学管理和控制。

目前广泛采用的LED照明电源系统采用有源PFC升压变换器＋DC/DC变换器两级方案。两级PFC变换器使用两个开关和两个控制器（一个功率因数控制器和一个PWM控制器）。该方案存在电路复杂、效率低、成本高等缺点，其电源的最高效率无法达到82%左右，影响LED照明节能效果。

本发明克服现有LED照明电源系统的不足，采用有源PFC控制芯片L6562，构成BOOST-BUCK型隔离反激式开关电路，设计智能型通用LED路灯照明电源系统，精简电源系统结构、提高电路效率。

常规的恒流驱动电路，不能根据环境光的变化自适应调节输出亮度。另外LED长时间工作将导致芯片结温上升，而LED的有效寿命和输出光通量都与结温成反比。因此对LED的芯片结温进行实时检测，并根据检测结果自动调节输出功率，将有效控制结温，防止LED的提前老化，延长LED路灯的使用寿命。由于使用区域环境的不同，其昼夜的时差存在区别，根据不同的昼夜区别，电源系统自动调整LED路灯的亮度和启动时刻，能有效地节约能源，降低工作人员的工作量。

LED路灯使用过程中不可避免地出现某个LED灯发生故障烧断而使得这一串LED无法工作，而其它几串LED中流过的电流将超过其额定电流，造成一个LED灯烧坏，其它各路LED灯逐个烧毁的连锁反应。智能型电源系统通过对LED路灯的工作状况实时监测，一旦出现LED烧断的情况及时调整输出电流，让剩下的其它几路LED灯安全工作，并有效地延长LED路灯的使用寿命。

综上所述，根据时间、环境亮度、LED芯片温度及LED故障自动调整输出电流的智能型通用LED路灯电源系统，将给社会带来巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能根据时间、环境亮度、LED芯片温度及LED故障自动调整输出电流的智能型通用LED路灯电源系统，以便精简电源系统结构、提高电路效率。

本发明设计的智能型通用LED路灯照明电源系统，由输入浪涌保护电路，电磁干扰抑制电路，BOOST-BUCK型隔离反激式功率因素校正开关电源电路，LED灯串电路，环境亮度检测电路，LED芯片温度检测电路，万年历芯片电路， LED故障检测电路，单片机电路及恒流输出控制电路组成。其结构框图如图1所示。其中：

所述浪涌保护电路和电磁干扰抑制电路（即EMI保护电路）依次连接在市电网络与所述开关电源电路两者之间，将两者隔离；所述开关电源电路受所述恒流输出控制电路控制，并向LED灯串电路供电；所述LED故障检测电路与LED灯串电路，用于检查LED灯串的故障情况；所述单片机电路分别与环境亮度检测电路、LED芯片温度检测电路、万年历芯片电路、LED故障检测电路及恒流输出控制电路连接，单片机电路根据环境亮度检测电路检测到的环境亮度、LED芯片温度检测电路检测到的LED芯片温度、万年历芯片电路检测到的时间、LED故障检测电路检测到的LED灯串故障情况，对恒流输出控制电路的输出电流进行控制；进而通过开关电源电路实现对LED灯串的智能化调光控制。

本发明中，所述开关电源电路以有源PFC控制芯片L6562为基础，设计了一种PFC单管反激恒流开关电源电路，跟传统的PFC升压变换器和DC/DC变换器二级电路相比，精简了电路结构、提高了电路效率。所述单片机电路采用单片机STC12C5406AD（宏晶科技公司）。

本发明具有以下特点：

1、PFC与开关电源整体设计

本发明采用单级功率因数校正器，将PFC级和DC／DC变换级集成在一起,两级共用开关管。它与传统的两级电路相比省掉了一个MOSFET，增加了一个二极管，简化了电路，提高了效率。

2、单片机采用宏晶科技公司的STC12C5606AD芯片。此芯片以通用的8051芯片为内核，同时增加了8个精度为8位的AD输入口，可以精确地测量出环境亮度和LED芯片温度。同时它还带有二个8位的PWM输出口，可以方便将数字信号转化为模拟信号输出，有效地简化了外围电路设计。

3、LED故障检测技术

单片机对每串LED的故障情况都进行实时检测，一旦检测到有短路或断路的情况，立即调整输出电流，其响应时间为毫秒级，可以有效地保护其它LED工作在正常范围之内，延长LED路灯的使用寿命，不至于出现一个LED灯坏，整个LED灯具都不亮的情况。在负载断开时，能够自动切换到恒压工作状态，避免了输出负载不断加大而烧毁器件。

3、LED照明亮度可调

LED采用恒压恒流双层控制，使LED上流过的电流不受外界电源电压变化、环境温度变化以及LED参数离散性的影响，保持电流恒定，从而使LED的亮度保持一致。

5、功率因数校正芯片选用L6562。L6562芯片采用双环控制方式，以BOOST电路作为开关变换器输入侧的电流反馈控制内环，电流检测信号经电流反馈网络送入乘法器，输出电流或电压反馈至控制外环，电压检测信号经误差放大器放大后也送入乘法器，最后从乘法器输出的信号送入PWM比较器，从而控制开关管Q1的占空比。内环控制大大提高了系统的瞬态响应能力；外环控制使系统具有高度的静态电压稳定性，而且展宽了AC/DC变换器输入电压的调节范围。

本发明独创性的设计了智能型通用LED路灯照明电源系统，可根据时间、环境亮度、LED芯片温度及LED故障因素，具有功率因数校正和自动调光功能。系统基于温度传感器、亮度传感器、时钟芯片及对每串LED灯的最后一个LED阳极电压进行采样，实时掌握环境的温度、亮度、时间及LED故障信息并据此实时调整LED输出电流，实现智能化调光控制，实现节能的同时延长了LED路灯的使用寿命。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明电路原理图。

具体实施方式

下面结合图介绍具体实施方式：

如图2所示，本发明中，所述浪涌保护电路由压敏电阻R2构成，并联在输入市电网络上；所述电磁干扰抑制电路（即EMI保护电路）由电容C1、C2、C3、C4和电感L1组成，连接在浪涌保护电路之后；由这两个保护电路将市电网络与开关电源电路隔离；所述开关电源电路中，由电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、整流桥堆D1、二极管D2、D3、电容C5、C6、C7、C8、C9、MOS场效应管Q1、变压器T1的初级、以及功率因素校正芯片L6562（意法半导体公司）构成它的原级控制部分；由变压器T1的次级，光耦隔离反馈电路（由电阻R19及光耦U2组成），过压保护电路（由电阻R20、R21、R22、R23、R24、电容C13、C14、二极管D5、运算放大器U3－1组成）构成它的次级控制部分；所述单片机电路由变压器次级绕组T1－C、二极管D49、稳压块LM1117、电容C20、C21、C24、C25、晶振X2及单片机STC12C5406AD组成；所述LED灯串电路由变压器次级绕组T1－D、二极管D4、电容C10、C11、 C12及作为负载的发光二极管D7……D48组成；所述环境亮度检测电路由光敏传感器R45、电阻R44、电容C18组成，它们连接在单片机STC12C5406AD的AD输入口AD1上；所述LED芯片温度检测电路由温度传感器R47、电阻R46、电容C19组成，它们连接在单片机STC12C5406AD的AD输入口AD0上；所述万年历芯片电路由芯片DS1302，以及电阻R49、R50、R51、电容C23、晶振X1、电池BT1组成，它连接到单片机STC12C5406AD的P33、P34、P35口上与之通讯；所述LED故障检测电路由电阻R25、R26、R27、R32……R43、二极管D6、电容15、运算放大器U3－2组成，这个电阻网络一端接到LED灯串的最后一个阳极点上，另一端接到单片机STC12C5406AD的AD输入口AD2~AD7上；所述恒流输出控制电路由电阻R28、R29、R30、R31、电容C16、C17、C20、C21组成，单片机的PWM输出口信号，经过此电路后输入到开关电源电路中的运算放大器U3--1的正输入端5脚。

压敏电阻R2并联在220V电源火线与中线上，当电路中出现雷电过电压及大功率器件开关带来的瞬间高压VS时，它以纳秒级时间迅速提供一条大电流通路，使得压敏电阻器两端电压迅速下降，使设备及元器件免遭过电压的冲击。在火线上与中线上串联的电感L1可以将电网传过来的瞬变电流抑制住，同时也防止电路中的瞬变电流反馈给电网。火线与地线及中线与地线间接入的耐高压的电容C1、C2、C3、C4可以将辐射来的共模高压吸收掉。整流桥堆D1将交流市电整流输出，此电压经过电阻R7、R8、R9、电容C8供给芯片L6562的3脚MULT做为输入电压值的采样信号供给内部乘法器。整流输出电压还经过电阻R5、R6、C6、C7供给芯片L6562的8脚VCC做为它的启动电压。正常工作时VCC电压由变压器的次级绕组T1－B经二极管D3整流，电容C6、C7滤波后供电。变压器的次级绕组T1－B还通过电阻R10接入芯片L6562的5脚ZCD作为电流过零点的检测信号。L6562的7脚GD经过电阻R14驱动MOS场效应管Q1的栅极；电阻R16接在场效应管Q1的源极与地之间作为输入电流的采样信号。串联在电路中的NTC电阻R1可以防止启动电流过大。并联在变压器初级绕组上的电阻R3、电容C5、二极管D2可以吸收场效应管Q1关断时初级绕组上漏磁感应出的高压。光耦U2的接收端将反馈回来的电流信号转化为电压信号经过电阻R17、R18后送入L6562的误差信号放大器的反向输入端1脚INV。此信号再经过电阻R12、R13、电容C9接入误差信号放大器的输出端L6562的2脚COMP作为补偿信号。变压器的次级绕组T1－C的输出经过二极管D49整流、电容C25、滤波后输入到芯片U5LM1117稳压到＋5V作为微电脑芯片的供电电源。变压器的次级绕组T1－D的输出经过二极管D4整流、电容C10、C11、C12滤波后供给负载LED，同时也作为运算放大器U3及光耦U2发送端的电源。＋5V电源经过电阻R20、R21分压后输入到运算放大器U3－1的＋输入端作为参考电压，负载输出电压经过电阻R22、R23分压后输入到运算放大器U3－1的－输入端，作为输出电压的采样信号。LED灯的负端通过采样电阻R25接地，同时通过电阻R26接到运算放大器U3－2的－输入端。运算放大器的两个输出端分别通过一个二极管D5、D6，经过电阻R19接到光耦发送端的负极。这两个输出信号相当于组成了一个或门，哪一路信号先到达阈值，哪一路就起作用。设计时正常使用的情况下通过与LED串联的一个0.1欧姆的采样电阻R25感应出电路中的电流为2A时输出电压大约在23V左右，所以25V稳压保护电路不起作用，电路为恒流输出。当负载断开，稳压电路就开始工作，将输出电压稳定在25V，防止输出不断加大而烧毁器件。LED灯的故障检测点设在每一串LED灯的最后一个灯的阳极上，从这一点接一个限流电阻到微电脑的AD输入口，同时AD输入口上接一个下拉电阻到地。正常工作时最后一个LED灯的阳极电压大约为3V左右，AD输入口的输入电压也大约为＋1.5V。当最后一个LED灯烧断时，负载电压经过限流电阻输入到AD口的电压大约为4.7V左右。当这一路其它的LED灯烧断时，AD输入口的输入电压大约为0V。AD输入口将这个输入电压经过AD转化后，从AD转化值上就可以很容易判断出有没有灯烧断了。微电脑根据故障就可立即减少输出电流，从而保护了其它几路LED灯。微电脑的工作频率为24MHz，它的响应时间为几十微秒，完全可以满足我们的要求。此微电脑芯片将根据要求输出一个占空比可调的频率大约为20KHz的PWM信号，经过电阻R31、R30、电容C17、C16两级RC低通滤波后转化为直流电压再经过电阻R29、R28分压后输入到运算放大器U3－2的＋输入端。PWM口输出信号的占空比越大，输出电流就越大。输出电流的调节范围可以达到0.1A~2A。硫化镉光敏电阻R34一端接+5V电源，另一端接微电脑的AD输入口，同时通过电阻R44，C18接地。在黑暗环境里，硫化镉的电阻值很高，当受到光照时，它的阻值迅速降低。光照愈强，阻值愈低。对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域,与人眼的响应很相似，可以有效地防止红外线及紫外线的干扰。此电路将电阻值的变化转化为电压值的变化，输入到微电脑的AD输入口，微电脑根据预先保存好的亮度与电压曲线就可以知道当前的环境亮度了。LED芯片温度检测电路由电阻R46、电容C19、温度传感器R47组成；热敏电阻是一种新型半导体感温元件，具有灵敏度高、体积小、寿命长的优点。热敏电阻的阻值与温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大，在实际使用中要进行线性化处理。当温度改变时，R47阻值改变，其两端的电压随之改变，微电脑根据预先保存好的温度与电压曲线就可以知道LED芯片的温度了。万年历芯片电路由电阻R49、R50、R51、电容C23、晶振X1、万年历芯片U5、电池BT1组成。万年历芯片DS1302是由DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片。DS1302 内部集成了一低功耗的稳压电源,故能够使恶劣的环境条件下仍能保持振荡器正常在很低的功耗工作；它的工作电流在3.6工作电压下只有400nA。因此一颗普通的锂电池将可以使用十年以上。在正常工作条件下，它由市电电源供电。当断电时，它自动切换到由电池供电。它还具有晶振停振检测锁存的功能.通过检测该位可以检测内部时钟数据的有效性. DS1302内置了数字时间调整电路,可以保证时钟走时的高精度。它可以通过三线串口与微电脑通讯，使用起来很方便。微电脑控制芯片采用宏晶科技公司的单片机芯片STC12C5606AD。此芯片以8051为内核，带有8路精度为8位的AD输入口，使得与温度传感器及亮度传感器的接口电路十分简单，简化了外围电路设计，降低了成本。它还带有两路精度为8位的PWM输出口，输出电流控制由PWM信号口输出一个占空比可调的数字信号经过两级RC低通滤波电路转化为直流模拟电压信号作为反馈电流的控制信号。

Claims

1.一种智能型通用LED路灯照明电源系统，其特征在于由输入浪涌保护电路，电磁干扰抑制电路，BOOST-BUCK型隔离反激式功率因素校正开关电源电路，LED灯串电路，环境亮度检测电路，LED芯片温度检测电路，万年历芯片电路，LED故障检测电路，单片机电路及恒流输出控制电路组成；其中：

所述浪涌保护电路和电磁干扰抑制电路依次连接在市电网络与所述开关电源电路两者之间，将两者隔离；所述开关电源电路受所述恒流输出控制电路控制，并向LED灯串电路供电；所述LED故障检测电路与LED灯串电路串联，用于检查LED灯串的故障情况；所述单片机电路分别与环境亮度检测电路、LED芯片温度检测电路、万年历芯片电路、LED故障检测电路及恒流输出控制电路连接，单片机电路根据环境亮度检测电路检测到的环境亮度、LED芯片温度检测电路检测到的LED芯片温度、万年历芯片电路检测到的时间、LED故障检测电路检测到的LED灯串故障情况，对恒流输出控制电路的输出电流进行控制；进而通过开关电源电路实现对LED灯串的智能化调光控制；

所述浪涌保护电路由压敏电阻R2构成，并联在输入市电网络上；所述电磁干扰抑制电路由第一、第二、第三、第四电容（C1、C2、C3、C4）和第一电感（L1）组成，连接在浪涌保护电路之后；所述开关电源电路中，由第三、第四…… 第十八电阻（R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18）、第一整流桥堆（D1）、第二、第三二极管（D2、D3）、第五、第六、第七、第八电容、第九电容（C5、C6、C7、C8、C9）、MOS场效应管Q1、变压器T1的初级、以及功率因素校正芯片L6562构成它的原级控制部分；由变压器T1的次级、光耦隔离反馈电路、过压保护电路构成它的次级控制部分，所述光耦隔离反馈电路由第十九电阻（R19）及光耦U2组成，过压保护电路由第二十、第二十一、第二十二、第二十三、第二十四电阻（R20、R21、R22、R23、R24）、第十三、第十四电容（C13、C14）、第五二极管（D5）、第一运算放大器（U3－1）组成。

2.根据权利要求1所述的智能型通用LED路灯照明电源系统，其特征在于所述单片机电路由变压器次级绕组T1－C、第四十九二极管（D49）、稳压块LM1117、第二十、第二十一、第二十四、第二十五电容（C20、C21、C24、C25）、晶振X2及单片机STC12C5406AD组成；所述LED灯串电路由变压器次级绕组(T1－D)、第四二极管（D4）、第十、第十一、第十二电容（C10、C11、C12）及作为负载的发光第七、第八……第四十八二极管（D7……D48）组成。

3.根据权利要求2所述的智能型通用LED路灯照明电源系统，其特征在于所述环境亮度检测电路由光敏传感器即第四十五电阻(R45)、第四十四电阻（R44）、第十八电容（C18）组成，它们连接在单片机STC12C5406AD的AD输入口AD1上；所述LED芯片温度检测电路由温度传感器即第四十七电阻（R47）、第四十六电阻（R46）、第十九电容（C19）组成，它们连接在单片机STC12C5406AD的AD输入口AD0上；所述万年历芯片电路由芯片DS1302，以及第四十九、第五十、第五十一电阻（R49、R50、R51）、第二十三电容（C23）、晶振（X1）、电池（BT1）组成，它连接到单片机STC12C5406AD的P33、P34、P35口上与之通讯；所述LED故障检测电路由第二十五、第二十六、第二十七、第三十二……第四十三电阻(R25、R26、R27、R32……R43)、第六二极管（D6）、第十五电容（C15）、第二运算放大器（U3－2）组成，该电阻网络一端接到LED灯串的最后一个阳极点上，另一端接到单片机STC12C5406AD的AD输入口AD2~AD7上；所述恒流输出控制电路由第二十八、第二十九、第三十、第三十一电阻（R28、R29、R30、R31）、第十六、第十七、第二十、第二十一电容（C16、C17、C20、C21）组成，单片机的PWM输出口信号，经过此电路后输入到开关电源电路中的第一运算放大器（U3—1）的正输入端5脚。