CN102215618A

CN102215618A - 一种自动调整输出亮度的led路灯驱动电路

Info

Publication number: CN102215618A
Application number: CN2010101447546A
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: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: CN102215618B

Abstract

本发明属电子技术领域，涉及一种自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路。包括输入浪涌保护及电磁干扰抑制电路，带功率因素校正功能的单管反激式开关电源电路，环境亮度检测电路，芯片温度检测电路，万年历芯片及其外围电路，微电脑控制的输出电流自动调整开关电路。本发明总开关控制模块采用光控为主，微电脑时控为辅的双控工作方式，主控失控时，辅控自动接替工作，光控按设定的照度控制路灯的启、闭运行。本发明具有功率因素校正，及根据时间，环境亮度，LED芯片温度自动调整输出电流，能控制发光亮度，以直接调整输出电流为控制方式，与传统低频PWM控制方法相比，电磁干扰小，对人眼更友好。

Description

一种自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路。尤其涉及一种可根据时间、环境亮度、LED芯片温度自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路。

背景技术

LED照明由电能直接转变为光能，效率高、有效流明数高，一般120W的LED路灯相当于400W传统高压钠灯的照度，可节省大量能源。另一方面，LED光源具有寿命长、免维修、易实现调光和智能控制，不含汞、铅等有害物质，无污染和环保等优势，使用LED照明可减少二氧化碳，二氧化硫等污染废气3亿5千万吨。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。

控制大功率LED的发光亮度，实质是控制它的输出光通量。LED的发光亮度与正向平均电流大小基本上成正比关系，可通过控制LED的正向电流IF来控制其发光亮度。根据I-V关系，也可以通过控制其正向电压VF控制其正向电流IF，从而控制其发光亮度。但如果采用恒压源驱动，微小的电压变化会引起IF的较大变化，引起LED发光亮度的较大变化。因此，大功率LED驱动电源技术一般采用恒流源驱动。与传统的电压型Buck，Boost，Buck-Boost变换器不同的是大功率LED的驱动电路的反馈量是流过LED的电流信号而不是输出电压信号，以此来实现LED的恒流驱动要求。

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的。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，将能够有效地控制住结温，防止LED的提前老化，大大延长LED路灯的使用寿命。由于全国各个地方的天亮与天黑的时间都不相同，就是同一个地方一年四季的天亮与天黑的时间也不相同。因此将各地的不同情况存储到微电脑中，根据地点和季节的变化自动开启和关闭路灯，将能够有效地节约能源，降低工作人员的工作量。

综上所述，一种可以根据时间，环境亮度，LED芯片温度自动调整输出亮度和开关的LED路灯控制系统，将给社会带来巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有LED驱动电路的不足，提供一种自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路。尤其涉及一种可根据时间、环境亮度、LED芯片温度自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路。

本发明提供了一种可以根据时间，环境亮度，LED芯片温度自动输出亮度的隔离式单管反激高性能通用照明LED路灯驱动电路，具有隔离式LED驱动电路的安全性，同时具有功率因数校正功能和自动调光功能，并且具有过压保护功能。本发明驱动电路的特征在于，其中总开关控制模块采用光控为主，微电脑时控为辅的双控工作方式，主控失控时(天气变化、外部干扰或自身故障)，辅控自动接替工作，定时1辅助(光控)夜间开灯，定时2辅助(光控)白天关灯。光控按设定的照度控制路灯的启、闭运行。当光控失控时，例如由黄昏区进入夜间区(或在夜间区)未开灯，则定时1将自动开灯，并至黎明区关灯；若光控经黎明区进入白天区未关灯(遇大雾天气)，则定时2将自动关灯并至黄昏区，由此确保夜间必开灯，白天必关灯。从控制技术上消除了盲灯和长明灯的出现。

具体而言，本发明的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，包括输入浪涌保护及电磁干扰抑制电路，带功率因素校正(PFC)功能的单管反激开关电源电路、LED芯片温度检测电路，环境亮度检测电路，万年历历时钟芯片及其外围电路，微电脑控制电路及过压保护电路，其特征在于：浪涌保护模块由压敏电阻R2构成；浪涌(surge)，又叫突波，是存在于供电系统中的一种极为普遍的电压/电流瞬间过大的波动现象。浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，避免浪涌对回路中其他设备的损害。本发明设计LED驱动电路时充分考虑浪涌的影响，避免异常情况下的浪涌损坏整个驱动电路。

电磁干扰抑制电路中采用EMI保护模块，由电容C1、C2、C3、C4和电感L1组成；当开关电源工作时，内部的电压和电流波形都是以非常短的时间上升和下降的，形成一个时频干扰发射源。为此，在电源输入端接上滤波器抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，同时抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。

带功率因素校正(PFC)功能的单管反激开关电源电路中采用的PFC模块由电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、二极管D2、D3、电容C5、C6、C7、C8、C9、MOS场效应管Q1、变压器T1的初级及次级T1-B以及意法半导体公司的功率因素校正芯片L6562组成；为减少对交流电网的谐波污染，要求交流输入电源采取措施降低电流谐波含量，提高功率因数。功率因数的高低对LED驱动器高效、安全、稳定的运行有着直接影响。L6562芯片工作在过渡模式的电流型PFC控制器，在高线性乘法器中嵌入了AC输入电流总谐波失真(THD)最优化电路，从而能在宽范围的AC线路输入电压和一个大的负载范围内提供非常低的THD及高次谐波成份。

本发明中，开关电源模块的光耦隔离反馈电路由电阻R20、电容C13及光耦U2组成；过压保护电路由电阻R21、R22、R23、R24、电容C14、C15、二极管D5、运算放大器U3-1组成；功率级主电路由场效应管Q1、变压器的初级绕组及L6562组成；开关电源变换器中，为使输出电压保持稳定，并达到一定的稳定精度，采用反馈控制系统。开关电源的功率级主电路与反馈控制电路构成一个自动控制系统。反馈采用恒流与恒压双重反馈。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R20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串联的采样电阻R25将LED灯中流过的电流信号转化为电压信号，输入到运算放大器作为反馈控制信号，此时的输出电压值应该小于设定的恒压反馈值，所以恒压保护电路不起作用，电路为恒流输出。当负载断开，恒压反馈电路就开始工作，将输出电压稳定住，防止输出不断加大而烧毁器件。

本发明中，环境亮度检测电路由电阻R35、R33、电容C21、硫化镉光敏电阻R34组成；在黑暗环境里，硫化镉的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子-空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子-空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。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。

本发明中，LED芯片温度检测电路由电阻R38、R36、电容C22、温度传感器R37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。此电阻将热敏电阻R37与固定电阻R38、R36串联，接+5V电源，当温度改变时，R37阻值改变，其两端的电压随之改变，输入到微电脑的AD输入口，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。

本发明中，万年历电路由电阻R39、R40、R41、R42、R43、电容C25、二极管D43、D44、晶振X1、万年历芯片U5、电池BT1组成。万年历芯片采用上海贝岭公司的BL5372。BL5372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.BL5372内置了数字时间调整电路，可以保证时钟走时的高精度，并且有32KHz和32.768KHz两种晶振选择。它可以通过IIC接口与微电脑通讯，并且可以软件设定每小时或每分钟产生中断，使用起来很方便。

本发明中，单向整流输出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D11……D38组成；微电脑工作电源电路由变压器次级绕组T1-C、二极管D8、电容C20、C27、C28、C29、C30组成及U5LM1117稳压到+5V作为微电脑芯片的供电电源。LM1117跟传统的7805稳压块比较起来输出电压精度更高，达到1％，并且内部具有温度补偿功能，可以做为参考电压源使用。

本发明中，微电脑控制芯片采用宏晶科技公司的微电脑芯片STC12C5612AD。此芯片以8051为内核，带有8路精度达10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。

本发明具有以下特点：

1、光控时控双套控制技术

总开关控制模块设计采用光控为主，微电脑时控为辅的双控工作方式，主控失控时(天气变化、外部干扰或自身故障)，辅控自动接替工作，定时1辅助(光控)夜间开灯，定时2辅助(光控)白天关灯。光控按设定的照度控制路灯的启、闭运行。当光控失控时，例如由黄昏区进入夜间区(或在夜间区)未开灯，则定时1将自动开灯，并至黎明区关灯；若光控经黎明区进入白天区未关灯(遇大雾天气)，则定时2将自动关灯并至黄昏区，由此确保夜间必开灯，白天必关灯。从控制技术上消除了盲灯和长明灯的出现。

2、PFC与开关电源整体设计

本设计采用单级功率因数校正器，主要是将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。

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，充分发挥LED的各种特性。

4、微电脑采用宏晶科技公司的STC12C560AD芯片。此芯片以通用的8051芯片为内核，同时增加了许多新的功能。它带有8个精度达到10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。

5、功率因数校正芯片选用L6562。L6562芯片工作在过渡模式的电流型PFC控制器，在高线性乘法器中嵌入了AC输入电流总谐波失真(THD)最优化电路，从而能在宽范围的AC线路输入电压和一个大的负载范围内提供非常低的THD及高次谐波成份。

附图说明

图1是本发明电路工作框图。

图2是本发明电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

实施例1

如图1所示，电路主要由浪涌保护和电磁干扰抑制电路、L6562、隔离式开关变压器T1、MOS场效应管Q1、微电脑芯片STC12C5612AD、稳压管LM1117、光耦隔离器PC817、运算放大器LM358及电阻、电容、二极管构成。由L6562及其外围电路构成功率因数校正，开关变压器T1完成电压转化，光耦PC817实现输出电路与输入市电电路隔离，运算放大器LM358完成了输出电压的采样及恒流恒压控制，以及它们之间的自动切换，时间由万年历芯片BL5372提供，温度传感电路由MFD-502-34型热敏电阻组成，亮度传感电路由硫化镉光敏电阻组成，微电脑芯片STC12C5612AD完成了温度与亮度信号的检测、与万年历芯片的通讯及输出电流的控制信号。

Claims

1.一种自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，包括输入浪涌保护及电磁干扰抑制电路，带功率因素校正功能的单管反激开关电源电路、LED芯片温度检测电路，环境亮度检测电路，万年历时钟芯片及其外围电路，微电脑控制电路及过压保护电路，其特征在于，所述的输入浪涌保护模块由压敏电阻R2构成；电磁干扰抑制电路中采用EMI保护模块，由电容C1、C2、C3、C4和电感L1组成；带功率因素校正功能的单管反激开关电源电路中模块由电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、二极管D2、D3、电容C5、C6、C7、C8、C9、MOS场效应管Q1、变压器T1的初级及次级T1-B以及功率因素校正芯片L6562组成；开关电源模块的光耦隔离反馈电路由电阻R20、电容C13及光耦U2组成；过压保护电路由电阻R21、R22、R23、R24、电容C14、C15、二极管D5、运算放大器U3-1组成；环境亮度检测电路由电阻R35、R33、电容C21、硫化镉光敏电阻R34组成LED芯片温度检测电路由电阻R38、R36、电容C22、温度传感器R37组成；万年历电路由电阻R39、R40、R41、R42、R43、电容C25、二极管D43、D44、晶振X1、万年历芯片U5、电池BT1组成；微电脑控制电路由变压器次级绕组T1-C、二极管D8、电容C20、C27、C28、C29、C30组成。

2.按权利要求1所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的驱动电路其总开关控制模块设计采用光控为主，微电脑时控为辅的双控工作方式，光控按设定的照度控制路灯的启、闭运行，主控失控时辅控自动接替工作。

3.根据权利要求1所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的微电脑控制电路中采用的控制芯片是STC12C5612AD控制芯片。

4.根据权利要求1所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的万年历时钟芯片电路中的万年历时钟芯片为BL5372芯片。

5.根据权利要求1所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的环境亮度检测电路中采用环境亮度传感器为硫化镉光敏电阻。

6.根据权利要求5所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的环境亮度传感器为硫化镉光敏电阻。

7.根据权利要求1所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的LED芯片温度检测电路中采用LED芯片温度传感器。

8.根据权利要求7所述的自动调整输出亮度的LED路灯驱动电路，其特征在于，所述的LED芯片温度传感器为MFD-502-34型热敏电阻。