CN203057635U - 一种节能型多路可调的led路灯恒流驱动电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源。该驱动电源由电源输入端、防反接电路、稳压电路、DC-DC变换电路、单片机控制电路、探测电路、反馈电路组成。电源输入端、防反接电路、DC-DC变换电路依次串联连接，DC-DC变换电路的输出端连接LED路灯负载提供恒流供电；防反接电路接稳压电路输出+5V电压；探测电路采集环境信号传给单片机控制电路进行处理，反馈电路将负载的反馈信号传给单片机控制电路；单片机控制电路综合处理获得的信息，输出信号控制DC-DC变换电路。本实用新型有电路简单，可实现多路输出，输出电流纹波小且可实时调节负载电流大小，节约电能，延长负载寿命等优点；根据DC-DC变换电路结构推导输入电压和输出电压的关系式。

Description

一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源
技术领域
本实用新型属于半导体照明控制技术领域，特别涉及一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源。
背景技术
在道路交通照明***中，采用发光效率高、功耗低、寿命长，安全可靠的LED路灯成为了近年建设节约型社会的重要举措，具有广阔的发展前景。由于LED路灯工作在复杂的室外环境，因此对其驱动电源有着很高的性能和可靠性要求，但是目前LED路灯的驱动电源都存在缺陷，成为制约其推广应用的瓶颈，第一点是目前的LED路灯驱动电源仍然存在能量转换效率低和输出功率低，浪费大量的电能，而且输出电流纹波大，稳定性差，严重影响了LED路灯的寿命；第二点是目前的道路交通照明***大多靠人工维护，智能化的程度很低，造成了人力资源的极大浪费，而且不能根据当前的交通状况实时的进行灯光控制，也浪费了很多电能；第三点是当前的驱动电源中大多结构复杂，使用了很多的器件，增加了成本，也降低了***的可靠性。针对当前LED路灯存在的缺陷，本实用新型设计出一种低成本、可靠性高、多路输出、能量转换率高和智能化的节约型LED路灯驱动电源。
实用新型内容
本实用新型通过改变DC-DC变换电路结构，提高LED路灯驱动电源的转换效率，且使输出电流稳定性好，延长了LED路灯的寿命；通过光强检测，车辆检测使驱动电源实现智能化，电源根据当前的交通状况和环境光线变化自动调节LED路灯的亮暗程度，从而节约大量的电能；通过温度检测电路，调节驱动电源的电流输出大小，可避免LED路灯因温升过高而烧毁。
为实现上述目的，本实用新型采用如下方案：该LED路灯驱动电源由外电源输入端、防反接电路、稳压电路、DC-DC变换电路、单片机控制电路、探测电路、反馈电路组成。其中探测电路包括温度检测电路、光强检测电路和车辆检测电路。外电源(太阳能电池板)接到防反接电路，防反接电路的作用是：防止接错电源的正负极，如果电源的正负极接反了则电路不会工作，并不会造成后级电路烧毁，起到保护电路元件的作用。防反接电路输出分成两路，一路接稳压电路，输出稳定的+5V电压，为单片机、运算放大器和各传感器供电；另一路接到DC-DC变换电路的输入端，且单片机输出的PWM调节信号也作用于DC-DC变换电路中，DC-DC变换电路输出接负载LED路灯，实时的输出符合当时交通状况和环境特点的恒定电压和电流。而单片机输出的PWM调节信号是根据当前的LED路灯的温度高低，此时环境的光强大小以及道路上车辆的多少来综合判断，从而输出实时的控制信号。
上述的DC-DC变换电路中包括了DC-AC变换电路、多路同步整流电路、多路输出电路，现以一路同步整流电路和一路输出电路为例，同步整流电路通过使用低通态电阻的MOSFET替代输出侧的整流二极管，而MOSFET的驱动信号来自辅助绕阻的输出电压，对于不同的功率MOSFET管，驱动电压可能有较大差异，由于辅助绕阻的匝数可以根据输出电压的需要而设计，可以有效的驱动不同导通门槛电压的功率MOSFET管。该同步整流技术的目的是最大限度降低整流功耗，提高输出效率。
上文提到单片机控制电路输出实时的PWM调节信号，其调光信号的输出受控于环境的光强、道路车辆以及LED路灯的温度等因素的影响，单片机通过数据不断的采集、分析、综合，实时输出控制信号，最大程度上节约电能和保证LED路灯的安全。当车辆检测中的电感线圈信号传送到单片机，如果判断出没有车辆经过，单片机输出PWM信号关闭LED路灯；如果判断出有车辆经过，则还需要判断当前LED路灯的温度高低和环境光强大小，当LED路灯温度不高且环境光强弱，则单片机输出PWM信号开启LED路灯；当温度比较高，光强比较弱时，单片机根据采集到的温度大小和光强大小分等级输出，光强方面：如果光强强度在50lux-100lux；PWM控制信号输出电流为正常工作电流的二分之一，如果光强在20lux-50lux；输出电流为正常工作电流的四分之三，如果光强低于20lux，电流额定输出。温度方面：LED路灯的温度高于85℃，输出电流减半，75℃-85℃，输出电流为四分之三，65℃-75℃，输出电流为六分之五，低于65℃，额定电流输出。
本实用新型的有益效果在于：首先是它采用了转换效率更高的电路结构，使得LED路灯能量利用率更高，更加环保和节能；其次输出电流更稳定的DC-DC变换结构，使得LED路灯的寿命延长；再者是DC-DC变换结构简单，使得成本更低，易于广泛的推广；最后是智能调节电流输出，根据实时的交通状况输出符合当前条件的驱动电源信号，从而合理的利用电能，节约电能，为建设节约型社会又迈进一步。
附图说明
图1是本实用新型一种节能型多路可调LED路灯驱动电源的整体机构框图
图2是本实用新型防反接电路原理图
图3是本实用新型稳压电路原理图
图4是本实用新型光强检测电路原理图
图5是本实用新型温度检测电路原理图
图6是本实用新型车辆检测***原理框图
图7是本实用新型DC-DC变换电路原理图
图8是本实用新型反馈电路原理图
图9是本实用新型单片机控制电路原理图
具体实施方式
下面结合图对本实用新型做进一步的说明。
如图1所示，本实用新型是一种节能型多路可调LED路灯驱动电源，包括电源输入端、防反接电路、稳压电路、DC-DC变换电路、单片机控制电路、探测电路、反馈电路。其中探测电路包括温度检测电路、光强检测电路和车辆检测电路。外部直流电源(太阳能电池板)接到输入防反接电路，防反接电路的作用是：防止接错电源的正负极，如果电源的正负极接反了则电路不会工作，并不会造成后级电路烧毁，起到保护电路元件的作用。防反接电路输出分成两路，一路接稳压电路，输出稳定的+5V电压，为控制***的单片机、运算放大器和各传感器供电；另一路接到DC-DC变换电路的输入端，且单片机输出的PWM调节信号也作用于DC-DC变换电路中，DC-DC变换电路输出接负载LED路灯，实时的输出符合当时交通状况和环境特点的恒定电压和电流。其中单片机输出的PWM调节信号是根据当前的LED路灯的温度高低，此时环境的光强大小以及道路上车辆的多少来综合判断，从而输出实时的控制信号。
如图2是防反接电路的具体实现电路，该电路主要是由P型MOS管Q1、R1、R2、R3、C1、C3和D1组成。R1和C1是缓冲电路，防止上电瞬间电压过高造成Q1损坏；D1是稳压管，防止源极电压过大，烧毁MOSFET管。当输入电压正常的时候，P沟道MOS管Q1的体二极管首先导通，使得Q1的栅极电压较低，Q1导通，负载正常工作；当输入电压反接时，P沟道MOS管Q1的体二极管反向截止，Q1的栅极电压较高，MOS管Q1截止，电路中没有电流流过，防止了后级负载因输入电压反接而损坏。
如图3是稳压电路，电路主要是由低功耗三端稳压器LM7805为核心组成，输入端接防反接保护电路的输出端，输出稳定的+5V电压，为控制***的单片机、运放以及各传感器供电。
如图4是光强检测电路，由U5可见光传感器GB5-A3C为核心，R4为***器件组成。U4是一种低成本的环境光强变化和输出电流成正比可见光传感器，具有不受红外线的干扰，暗电流非常小，工作温度范围宽，在工作温度范围内几乎不受温度影响等特点。U5的引脚3通过电阻R4接地构成模拟电压输出端，该电压是根据环境光强的强弱而正比输出的，控制***中单片机实时采集到该电压的值，为输出调光信号提供依据。
如图5是温度检测电路，由U7高精度数字温度传感器ADT7311为核心器件，***器件R18、R19和C9组成，U7的第八引脚接+5V，第七引脚接地，R18两端分别接+5V和U7的第六引脚，R19两端分别接+5V和U7的第五引脚，并且U7的第1，2，3，4，5，6引脚分别接控制***的单片机P2.1，P2.2，P2.3，P2.4，P2.5，P2.6引脚。U7内置一个带隙温度基准源和一个16位ADC，用来监控温度并进行数字转换，分辨率为0.0078℃，将LED路灯的温度实时的传送给单片机，为单片机输出调光信号提供依据。
如图6是车辆检测电路，该电路主要是由线圈回路、调谐回路、恒流电源、相位锁定器、相位比较器、输出放大器、数字信号模块组成。具体工作过程是：埋设在地下的线圈通过变压器连接到被恒流源支持的调谐回路，并在线圈周围的空间产生电磁场。进人线圈磁场范围时，车辆铁构件内产生自闭合回路的感应电涡流，此涡流又产生与原有磁场方向相反的新磁场，导致线圈的总电感变小，引起调谐频率偏离原有数值`偏离的频率被送到相位比较器，与压控振荡器频率相比较，确认其偏离值，从而发出车辆通过或存在的信号。该信号传送到单片机为输出调光提供依据。
如图7是DC-DC变换电路，主要由电感磁心L1、L2、功率MOSFET管Q2、Q3、变压器T1，稳压管D2、D6，二极管D3、电容C5、C7组成。DC-DC变换电路分为两个部分，第一部分是由变压器T1、电感磁心L1、L2、电容C5、C6、C7、功率MOSFET管Q3、续流二极管D3组成，该部分实现能量的转换，工作过程如下：当功率MOSFET管Q3导通，外部输入电压U1通过L1接地，所以此时L1充电，电容C6的电压加在变压器T1的初级线圈上，C1开始放电，次级线圈感应出的电流对负载供电，此时C5和C6都是放电状态，次级线圈中C5的电流对负载供电并且供电感磁心L2储能，续流二极管D3反偏而截止；当功率MOSFET管截止时，电感L1释放能量，电容C6充电储能，初级电流变化使次级线圈感应到电流对C5充电，负载电流从续流二极管D3流过，电感磁心L2将储能释放给负载放电。可以看出该电路具有如下特点：首先是元器件少，控制结构简单；其次是功率MOSFET管Q3无论是导通还是截止，都会从变压器T1的初级线圈向次级线圈传输能量，供给负载，所以效率很高；最后是变压器T1的初级和次级线圈都没有直流电流通过，其磁心不需要加气隙，因此无磁心饱和的问题。第二部分是由功率MOSFET管Q2、稳压管D2、D6和电阻R5组成，该部分实现同步整流，同步整流技术通过使用低通态电阻的MOSFET管Q2替代输出侧的整流二极管，而Q2的驱动信号来自变压器T1的次级线圈输出的电压，对于不同的功率MOSFET管，驱动电压可能有较大差异，由于变压器T1的次级线圈的匝数可以根据输出电压的需要而设计，可以有效的驱动不同导通门槛电压的功率MOSFET管。该同步整流技术的目的是最大限度降低整流功耗，提高输出效率。
如图8是反馈电路，其中恒压电路是由线性光耦U1、稳压器U8、运放U2、电容C8、和电阻R11、R12、R13、R15、R16、R17组成。恒压原理是：U8是TI公司精密稳压器TL431，它内部有一个2.5V的参考电压，该稳压器通过调节其1、2脚之间的电压来调节输出电压U0的数值，使R12和R15的分压电压，即U8的3脚电压，保持在2.5V，从而达到稳定输出电压的目的，输电压U0的数值就由R12和R15来决定。线性光耦U1对变压器T1初次级线圈进行电气隔离。稳压调节过程如下：当U0波动时，例如偏小了，R12和R15的将分压减小，U8的内部调节机制会提高其1、2脚之间的电压，U1的第一引脚上的电压升高，以阻止U0减小的趋势，这样会使光耦U1的原方电流减小，其付方电流随之减小，R16上的电压也会减小。图中所示的运算放大器是PWM控制器内部的误差放大器，R16上的电压减小会使误差放大器的输出增加，将该变化值传送到控制***单片机中处理，从而增加PWM波的脉宽，脉宽的增加就会使U0增加，起到稳定输出的作用。R14、R17及C8是用来调节误差放大器的增益的，它们构成的反馈网络对输出电压的响应特性和控制部分的调节特性有很大的影响。
恒流电路是由R6、R7、R8、R9、R10以及运放U3组成。电路结构是：负载LED灯的负极通过0.1欧姆的精密电阻R6接地，同时通过R8接到运放U3的正向输入端，经过电阻R7、R9、R10将R6上的采样电压放大，输出到单片机的第22引脚，经单片机模数转换，再分析，运算输出PWM调光信号，起到恒定电流的作用。
如图9是单片机控制电路，电路主要由U1单片机STC12C5412AD为核心，晶振AR1、电容C1、C2为***器件组成，U1的第28管脚接电源+5V，第14脚接地，U1的第6，7引脚分别接到晶振AR1的两端，通过C2，C4分别接地，单片机第26引脚输出PWM控制信号。单片机控制电路的工作过程如下：单片机通过数据不断的采集、分析、综合，实时输出控制信号，最大程度上节约电能和保证LED路灯的安全。当车辆检测中的电感线圈信号传送到单片机，如果判断出没有车辆经过，单片机输出PWM信号关闭LED路灯；如果判断出有车辆经过，则还需要判断当前LED路灯的温度高低和环境光强大小，当LED路灯温度不高且环境光强弱，则单片机输出PWM信号开启LED路灯；当温度比较高，光强比较弱时，单片机根据采集到的温度大小和光强大小分等级输出，光强方面：如果光强强度在50lux-100lux；PWM控制信号输出电流为正常工作电流的二分之一，如果光强在20lux-50lux；输出电流为正常工作电流的四分之三，如果光强低于20lux，电流额定输出。温度方面：LED路灯的温度高于85℃，输出电流减半，75℃-85℃，输出电流为四分之三，65℃-75℃，输出电流为六分之五，低于65℃，额定电流输出。

Claims (4)

1.一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源，包括电源输入端、防反接电路、稳压电路、DC-DC变换电路、单片机控制电路、探测电路、反馈电路，其特征在于：电源输入端、防反接电路、DC-DC变换电路依次串联连接，DC-DC变换电路的输出端连接LED路灯负载提供恒流供电；防反接电路输出同时接到稳压电路，稳压电路输出为单片机、运算放大器、温度传感器、电感线圈、光敏传感器供电；恒流恒压反馈电路和探测电路并联，输出端各自连接到单片机控制电路输入端，探测电路将采集到的温度、光强、车辆有无状况的信号传给单片机控制电路运算处理，恒流恒压反馈电路将负载的电压电流情况实时传给单片机控制***电路；单片机控制电路输出端连接DC-DC变换电路输入端，单片机控制电路根据当前获得的信息输出调光的PWM信号，所述DC-DC变换电路包括DC-AC变换电路、多路同步整流电路、多路输出电路，还根据DC-DC变换电路变换结构，推导出输入电压和输出电压的关系式，探测电路包括光强检测电路、温度检测电路、车辆检测电路。
2.根据权利要求1所述的一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源，其特征在于：所述防反接电路包括P型MOSFET管Q1、电阻R1、R2、R3、电容C1、C3和二极管D1组成，MOSFET管Q1的漏极接到电源输入端，电阻R1和电容C1串联之后一起并联在MOSFET管Q1的漏极和源极两端，电阻R2、二极管D1和电容C3一起并联在MOSFET管Q1的栅极和源极之间，电阻R3接在MOSFET管Q1栅极与地之间，MOSFET管Q1的源极是电压输出端。
3.根据权利要求1所述的一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源，其特征在于：所述探测电路包括光强检测电路、温度检测电路，光强检测电路由可见光传感器GB5-A3C、电阻R4组成，可见光传感器GB5-A3C的第二引脚接+5V，可见光传感器GB5-A3C的第三引脚通过电阻R4接地，可见光传感器GB5-A3C的第四引脚接地；温度检测电路由高精度数字温度传感器ADT7311、电阻R18、R19和电容C9组成，ADT7311的第一引脚，第二引脚，第三引脚，第四引脚，第五引脚，第六引脚分别接单片机STC12C5412AD的第二十七引脚，第一引脚，第二引脚，第十三引脚，第十五引脚，第十六引脚，R18一端接+5V，一端接ADT7311的第六引脚，R19一端接+5V，一端接ADT7311的第五引脚，ADT7311的第七引脚接地，ADT7311的第八引脚接+5V，同时通过电容C9接地。
4.根据权利要求1所述的一种节能型多路可调的LED路灯恒流驱动电源，其特征在于：所述DC-DC变换电路包括DC-AC变换电路、多路同步整流电路、多路输出电路，现以一路多路同步整流电路和一路输出电路进行说明，该电路由电感磁心L1、L2、功率MOSFET管Q2、Q3、变压器T1，稳压管D2、D6，二极管D3、电容C5、C7组成，其中变压器T1包括一个初级线圈，两个次级线圈，分别称作T1初级线圈、T1次级线圈1和T1次级线圈2，电感磁心L1同名端接防反接电路输出端，异名端通过电容C6接地，同时接功率MOSFET管Q3漏极，功率MOSFET管Q3的栅极接单片机控制***电路输出端，功率MOSFET管Q3的源极接地，稳压管D2、D6串联与电阻R5并联在T1次级线圈2两端，T1次级线圈2同名端连接到功率MOSFET管Q2的栅极，T1次级线圈2异名端连接在MOSFET管Q2的漏极，MOSFET管Q2的源极接T1次级线圈1的异名端，电容C5一端接T1次级线圈1的同名端，另一端接MOSFET管Q2的漏极，二极管D3的正端和负端分别接MOSFET管Q2的漏极和源极两端，二极管D3正端通过电感磁心L2接地，二极管D3的负端通过电容C7接地，二极管D3的负端是输出端。
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