CN205320345U - 一种具有无线通讯功能的大功率led路灯电源电路*** - Google Patents

一种具有无线通讯功能的大功率led路灯电源电路*** Download PDF

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Abstract

一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于它包括LLC谐振变换器主电路单元、DSP控制电路单元及通讯电路单元；其优越性：1、可实现照明亮度调节；2、通过GSM/GPRS或ZigBee通讯电路接收路灯开关命令、气象条件等信息，并根据收到的气象信息以及检测到的路灯内部散热器表面温度进行亮度调节，并防止LED过热情况发生。

Description

一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***
(一)技术领域：
本实用新型涉及大功率灯光照明领域，特别是涉及一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***。
(二)背景技术：
目前，照明消耗占整个电力消耗的20％左右，节约能源的一个重要途径就是大量地降低照明用电。被誉为“照亮未来的技术”LED(发光二极管，lightemittingdiode)，从根本上为“绿色照明”点燃了光辉，成为引领21世纪最有价值的新一代光源。LED的出现和迅速发展，不仅将会逐渐的替代白炽灯等传统照明方式而成为市场主导，而且为照明技术迎来了革命性的发展机遇，进而在一定程度上改善着人类的生活方式和推动着了社会文明的进步，白光LED光源的成功研制，使得LED从之前的指示和景观照明光源进入到市场更为广阔的民用照明光源,以替代传统的白炽灯、日光灯、气体放电灯等光源。与白炽灯等传统光源相比较，显著的优势就节能和环保的特性。但是LED路灯虽然被称为固态冷光源，但实际上只有约20％-30％的电能转化为光能，而另外70％-80％的能量都要产生热量，且与白炽灯不同，过高的温度对白炽灯灯丝的发光影响不大(白炽灯灯丝温度可达几千度)，但LED芯片的性能受温度的影响极大，过高温度会使芯片产生严重的光衰，导致LED寿命急剧下降，所以本实用新型发明提出一种大功率LED路灯电源***设计方案，该***通过GSM/GPRS(移动通信全球***globalsystemofmobilecommunications/通用分组无线业务GeneralPacketRadioService)通讯电路接收路灯开关命令、气象条件等信息，并根据收到的气象信息以及检测到的路灯内部散热器表面温度进行亮度调节，并防止LED过热情况发生。
(三)实用新型内容：
本实用新型的目的在于提供一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、通讯方便、安全可靠的大功率LED路灯电源电路***。
本实用新型的技术方案：一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于它包括LLC(LogicalLinkControl——逻辑链路控制)谐振变换器主电路单元、DSP(数字信号处理器——DigitalSignalProcessor)控制电路单元及通讯电路单元；其中，由基于DSP的控制电路控制LLC谐振变换器主电路输出幅值可调的电压，调节照明功率；所述LLC谐振变换器主电路单元将电能由交流电变换为幅值可调的直流电信号；所述DSP控制电路单元通过通讯电路单元接收路灯开关、环境亮度、气象条件信息，并根据收到的气象信息以及检测到的路灯电源散热器表面温度进行亮度调节，将亮度信号发送给LED路灯。
所述LLC谐振变换器主电路单元采用半桥式电路结构；所述半桥LLC谐振变换器是由开关电路、谐振电路和输出电路构成；其连接为常规连接。
所述开关电路由两只分别带体二极管VD1和和VD2及寄生电容C1和C2的功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)开关管S1和功率MOSFET开关管S2构成；所述功率MOSFET开关管S1和功率MOSFET开关管S2相互串联；其输出端与谐振电路连接。
所述谐振电路由谐振电容Cs、谐振电感Lr和励磁电感Lm组成；所述谐振电容Cs同时也是隔直电容；所述励磁电感Lm的一端连接两个功率MOSFET开关管连接的中点，一端连接谐振电容Cs；所述谐振电容Cs的另一端与输出电路连接；所述励磁电感Lm是变压器初次绕组的电感；所述谐振电容Cs参与谐振的同时，也起到隔直电容的作用。
所述输出电路由二极管D1、二极管D2、滤波电容C0和负载电阻RL组成；其中二极管D1和二极管D2构成整流电路，C0为滤波电容与负载电阻RL并联。
所述DSP控制电路单元是由DSP最小***、散热器温度检测电路、RS232接口电路和隔离驱动电路组成；所述DSP最小***包括DSP芯片电路、电源模块电路、震荡电路、JTAG接口电路组成；所述散热器温度检测电路采用TC77集成温度传感器芯片电路；所述电源模块电路式提供12V和3.3V的电源。
所述DSP芯片电路是由数字信号控制器U1芯片TMS320F28027、U2接口芯片SP3232EEY的RS-232和EEPROM双线串行U3芯片AT24C512N-10SI-2.7构成。
所述通讯电路单元是GSM/GPRS通讯电路或ZigBee通讯电路。
所述GSM/GPRS通讯电路是由天线和GSM/GPRS通讯模块构成；所述天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给GSM/GPRS通讯模块；所述GSM/GPRS通讯模块与DSP控制电路单元的RS232接口电路呈双向连接。
所述GSM/GPRS模块是法国Wavecom公司的带有AT指令功能的Q2406B芯片实现通讯功能。
所述ZigBee通讯电路是由天线和CC2530ZigBee协议芯片单元电路、RS232通讯电路构成；所述天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给CC2530ZigBee协议芯片单元电路；所述RS232通讯电路选用SP3232接口电路芯片。
所述隔离驱动电路，是由隔离脉冲式变压器、三极管、二极管、电阻、电容构成；所述三极管是由三极管NPN1和三极管NPN2组成，分别由12V电源电压为其供电；所述隔离脉冲式变压器原边采用推挽式电路结构，副边是两个对称的线圈；三极管NPN1与三极管NPN2成对称连接，轮流导通。
本实用新型的工作原理：由GSM/GPRS通讯电路(或由ZigBee通讯电路)接收气象信息，并通过RS232接口电路传输给DSP控制电路单元,DSP控制电路单元读取散热器温度检测电路检测到的路灯内部散热器表面温度，根据收到的气象信息以及检测到的路灯内部散热器表面温度进行亮度调节，亮度调节方式是指若：环境温度高则减小照明电压；若散热器温度过高则减小照明电压；环境温度正常且散热器温度正常则照明电压可以达到额定值；电压调节是通过控制LLC谐振变换器主电路开关电路的开关周期实现的。
此外，三极管NPN1与三极管NPN2接成对称关系，轮流导通不会发生同时导通的现象；当三极管NPN1导通时，隔离脉冲式变压器原边绕组与副边上侧绕组耦合，关断时原边绕组向副边绕组释放能量；NPN2同理。这样的电路结构可以使得两个功率开关管获得较大的功率输出，足以驱动上下MOSFET管。
本实用新型的优越性：1、可实现照明亮度调节；2、通过GSM/GPRS或ZigBee通讯电路接收路灯开关命令、气象条件等信息，并根据收到的气象信息以及检测到的路灯内部散热器表面温度进行亮度调节，并防止LED过热情况发生。
(四)附图说明：
图1为本实用新型所涉一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***的结构示意图；
图2为本实用新型所涉一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***中LLC谐振变换器主电路单元的电路结构示意图；
图3为本实用新型所涉一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***中DSP控制电路单元的电路结构示意图；
图4为本实用新型所涉一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***中驱动电路原理示意图。
图5为本实用新型所涉一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***中ZigBee通讯电路的原理示意图。
图6为本实用新型所涉一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源电路***的控制主流程框图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***(见图1)，其特征在于它包括LLC谐振变换器主电路单元、DSP控制电路单元及通讯电路单元；其中，由基于DSP的控制电路控制LLC谐振变换器主电路输出幅值可调的电压，调节照明功率；所述LLC谐振变换器主电路单元将电能由交流电变换为幅值可调的直流电信号；所述DSP控制电路单元通过通讯电路单元接收路灯开关、环境亮度、气象条件信息，并根据收到的气象信息以及检测到的路灯电源散热器表面温度进行亮度调节，将亮度信号发送给LED路灯。
所述LLC谐振变换器主电路单元采用半桥式电路结构(见图2)；所述半桥LLC谐振变换器是由开关电路、谐振电路和输出电路构成；其连接为常规连接。
所述开关电路由两只分别带体二极管VD1和和VD2及寄生电容C1和C2的功率MOSFET开关管S1和功率MOSFET开关管S2构成；所述功率MOSFET开关管S1和功率MOSFET开关管S2相互串联；其输出端与谐振电路连接(见图2)。
所述谐振电路由谐振电容Cs、谐振电感Lr和励磁电感Lm组成；所述谐振电容Cs同时也是隔直电容；所述励磁电感Lm的一端连接两个功率MOSFET开关管连接的中点，一端连接谐振电容Cs；所述谐振电容Cs的另一端与输出电路连接；所述励磁电感Lm是变压器初次绕组的电感；所述谐振电容Cs参与谐振的同时，也起到隔直电容的作用(见图2)。
所述输出电路由二极管D1、二极管D2、滤波电容C0和负载电阻RL组成；其中二极管D1和二极管D2构成整流电路，C0为滤波电容与负载电阻RL并联(见图2)。
所述DSP控制电路单元是由DSP最小***、散热器温度检测电路、RS232接口电路和隔离驱动电路组成；所述DSP最小***包括DSP芯片电路、电源模块电路、震荡电路、JTAG接口电路组成；所述散热器温度检测电路采用TC77集成温度传感器芯片电路；所述电源模块电路式提供12V和3.3V的电源(见图3)。
所述DSP芯片电路是由数字信号控制器U1芯片TMS320F28027、U2接口芯片SP3232EEY的RS-232和EEPROM双线串行U3芯片AT24C512N-10SI-2.7构成(见图3)。
所述通讯电路单元(见图1)是ZigBee通讯电路。
所述ZigBee通讯电路(见图5)是由天线和CC2530ZigBee协议芯片单元电路、RS232通讯电路构成；所述天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给CC2530ZigBee协议芯片单元电路；所述RS232通讯电路选用SP3232接口电路芯片。
所述隔离驱动电路(见图4)，是由隔离脉冲式变压器、三极管、二极管、电阻、电容构成；所述三极管是由三极管NPN1和三极管NPN2组成，分别由12V电源电压为其供电；所述隔离脉冲式变压器原边采用推挽式电路结构，副边是两个对称的线圈；三极管NPN1与三极管NPN2成对称连接，轮流导通。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明提供的一种大功率LED路灯照明电源***结构示意图，其特征在于，包括LLC谐振变换器主电路、基于DSP的控制电路、GSM/GPRS通讯电路、ZigBee通讯电路；其中GSM/GPRS通讯电路、ZigBee通讯电路为***根据需要可选用的通讯模块，都通过RS232串口与DSP主控制芯片实现通讯。GSM/GPRS模块选用法国Wavecom公司的Q2406B，该模块与DSP的串口相连，在利用AT指令实现短信功能。GSM/GPRS通讯电路所用天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给GSM/GPRS通讯模块；
图2是本发明涉及的LLC谐振变换器主电路；半桥LLC谐振变换器主要包括三大部分：开关网络、谐振网络和输出网络。
开关网络由两只功率开关管MOSFET(S1和S2)构成，由LLC控制器部分直接控制，VD1和VD2是开关管的体二极管，C1和C2是开关管的寄生电容，为了防止电流反向击穿。S1和S2的栅极驱动信号为互补信号(实际信号占空比应小于50％，S1和S2之间应有导通死区)，它们的开关频率取决于反馈环路。Cs是谐振电容，Lr是谐振电感，Lm是励磁电感，即变压器初次绕组的电感。它们三者共同组成半桥LLC谐振变换器的谐振网络，Cs参与谐振的同时，也起到隔直电容的作用。对于输出网络，D1和D2构成整流电路，C0为滤波电容，时输出电压可以近似为平滑稳定的直流电压，RL为负载电阻(LED阵列等效电阻)。
图3是本发明提供的一种大功率LED路灯照明功率智能照明***DSP控制***示意图。U1为数字信号控制器芯片TMS320F28027。U2采用的是型号为SP3232EEY的RS-232接口芯片，用于连接GSM/GPRS通讯电路，实现接收路灯开关命令、气象条件等信息。U3采用AT24C512N-10SI-2.7，其功能是双线串行的EEPROM，作用是用于保存***配置参数，防止数据丢失。U_power为芯片供电电源模块，用于把12V电压转换成3.3V的供电电压，供给芯片TMS320F2812使用。U_pwm为驱动脉冲信号电路模块，此模块用来产生两路不共地的ePMW驱动信号分别供给两个功率开关管，防止其互通。其驱动隔离电路如附图4，由于半桥LLC谐振变换器的两个功率开关管在结构上是串联的，所以开关管接收到的驱动信号时不能共地的，本设计中采用隔离脉冲变压器隔离信号并进行变压，把驱动信号分成两路单独驱动每一个功率开关管。
散热器温度检测采用TC77集成温度传感器芯片，连接至GPIO12,GPIO28，GPIO20管脚(13-15管脚)，见附图3。
图4是隔离驱动电路，是由隔离脉冲式变压器、三极管、二极管、电阻、电容构成，12V电源电压为2个三极管供电。隔离脉冲式变压器原边采用推挽式电路，副边是两个对称的线圈，NPN1与NPN2接成对称关系，轮流导通不会发生同时导通的现象。当NPN1导通时，原边绕组与副边上侧绕组耦合，关断时原边绕组向副边绕组释放能量，NPN2同理。这样的电路结构可以使得两个功率开关管获得较大的功率输出，足以驱动上下MOSFET管。
图5是ZigBee通讯电路，是由天线和CC2530ZigBee协议芯片单元电路、RS232通讯电路构成。所述天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给CC2530ZigBee协议芯片单元电路，天线电路由天线、C251、C261、C252、C262、C253、C254、C255、L251、L252、L261等原件构成，与CC2530RF_P、RF_N管脚连接；RS232通讯电路选用SP3232接口电路芯片，与芯片连接的C216、C217、C218、C219、R218、R219构成完整通讯接口电路，与CC2530P0.2、P0.3、P0.4、P0.5管脚连接。
图6是***主流程，LLC谐振变换器的控制在中断服务程序中完成。路灯开关、环境亮度、气象条件等信息的接收在通讯中断服务程序中完成。在主流程中完成DSP***初始化、控制参数初始化，以及循环处理接收到命令信息、环境亮度、气象条件信息、检测到温度信息，并根据更新后的上述数据调用控制算法子程序，更新LLC谐振变换器配置参数。

Claims (10)

1.一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于它包括LLC谐振变换器主电路单元、DSP控制电路单元及通讯电路单元；其中，由基于DSP的控制电路控制LLC谐振变换器主电路输出幅值可调的电压，调节照明功率；所述LLC谐振变换器主电路单元将电能由交流电变换为幅值可调的直流电信号；所述DSP控制电路单元通过通讯电路单元接收路灯开关、环境亮度、气象条件信息，并根据收到的气象信息以及检测到的路灯电源散热器表面温度进行亮度调节，将亮度信号发送给LED路灯。
2.根据权利要求1所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述LLC谐振变换器主电路单元采用半桥式电路结构；所述半桥LLC谐振变换器是由开关电路、谐振电路和输出电路构成；其连接为常规连接。
3.根据权利要求2所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述开关电路由两只分别带体二极管VD1和和VD2及寄生电容C1和C2的功率MOSFET开关管S1和功率MOSFET开关管S2构成；所述功率MOSFET开关管S1和功率MOSFET开关管S2相互串联；其输出端与谐振电路连接。
4.根据权利要求2所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述谐振电路由谐振电容Cs、谐振电感Lr和励磁电感Lm组成；所述谐振电容Cs同时也是隔直电容；所述励磁电感Lm的一端连接两个功率MOSFET开关管连接的中点，一端连接谐振电容Cs；所述谐振电容Cs的另一端与输出电路连接；所述励磁电感Lm是变压器初次绕组的电感；所述谐振电容Cs参与谐振的同时，也起到隔直电容的作用。
5.根据权利要求2所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述输出电路由二极管D1、二极管D2、滤波电容C0和负载电阻RL组成；其中二极管D1和二极管D2构成整流电路，C0为滤波电容与负载电阻RL并联。
6.根据权利要求1所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述DSP控制电路单元是由DSP最小***、散热器温度检测电路、RS232接口电路和隔离驱动电路组成；所述DSP最小***包括DSP芯片电路、电源模块电路、震荡电路、JTAG接口电路组成；所述散热器温度检测电路采用TC77集成温度传感器芯片电路；所述电源模块电路式提供12V和3.3V的电源。
7.根据权利要求6所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述DSP芯片电路是由数字信号控制器U1芯片TMS320F28027、U2接口芯片SP3232EEY的RS-232和EEPROM双线串行U3芯片AT24C512N-10SI-2.7构成；所述通讯电路单元是GSM/GPRS通讯电路或ZigBee通讯电路；所述隔离驱动电路，是由隔离脉冲式变压器、三极管、二极管、电阻、电容构成；所述三极管是由三极管NPN1和三极管NPN2组成，分别由12V电源电压为其供电；所述隔离脉冲式变压器原边采用推挽式电路结构，副边是两个对称的线圈；三极管NPN1与三极管NPN2成对称连接，轮流导通。
8.根据权利要求7所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述GSM/GPRS通讯电路是由天线和GSM/GPRS通讯模块构成；所述天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给GSM/GPRS通讯模块；所述GSM/GPRS通讯模块与DSP控制电路单元的RS232接口电路呈双向连接。
9.根据权利要求7所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述所述ZigBee通讯电路是由天线和CC2530ZigBee协议芯片单元电路、RS232通讯电路构成；所述天线采用鞭状天线，将接收到的LED路灯电源的控制信号发送给CC2530ZigBee协议芯片单元电路；所述RS232通讯电路选用SP3232接口电路芯片。
10.根据权利要求8所述一种具有无线通讯功能的大功率LED路灯电源***，其特征在于所述GSM/GPRS模块是法国Wavecom公司的带有AT指令功能的Q2406B芯片实现通讯功能。
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