王飞
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摘要：大功率LED恒流驱动技术被广泛应用在太阳能LED路灯系统中。本文讨论了如何实现MPS公司MP4012系列芯片满足太阳能LED路灯照明系统中的应用。不仅实现了基本的升压恒流功能，还具有短路、开路等多重保护功能，保证LED光源稳定输出外，使系统得到更全面的保护，有效降低了太阳能路灯系统的使用和维护成本。
关键词：太阳能路灯；DC-DC恒流驱动；LED照明
1 引言
随着人类社会的快速发展，能源短缺问题变得日益突出。而太阳能作为取之不尽、用之不竭的绿色能源被广泛推广和应用。对比白炽灯、荧光灯等传统光源时，大功率LED光源具有寿命长、节能、发光效率高、响应快、环保等显著优点[1]。结合了太阳能光伏发电技术与大功率LED照明技术[2]的太阳能路灯系统因其无需铺设市电线路、节能环保、全自动运行等优点在户外道路照明领域得到了广泛应用。
LED光源属于非线性负载，驱动电源设计是否合理对LED光源的性能、寿命起着决定性的作用，设计不合理会引发光衰进一步增大、驱动电源自身故障率高等问题[3]。目前在太阳能LED路灯应用领域中已广泛采用了恒流驱动方式，但是该领域用的恒流驱动电源普遍存在电路复杂、恒流质量不高、保护功能不全面可靠等问题。本文以MPS公司的MP4012系列芯片为核心搭建的DC-DC升压恒流驱动电路，能够实现高质量高效率的调光功能，由于驱动芯片内部集成了多种保护及驱动电路，无需额外增加外部保护功能电路的情况下，可以实现输出短路保护、输出开路保护及自动恢复、输出过压保护、输入低压锁定输出等功能。本方案驱动电源电路拥有转换效率高且外围器件少的优点，具有一定的实用参考价值。
2 恒流驱动电源设计
图1为一种太阳能路灯使用的大功率LED恒流驱动电路图。本方案主要由MP4012芯片、微控制器接口和一些外围元器件构成。恒流源输入端Vin接电池，输出端LED+和LED-之间接大功率LED光源，本系统可以满足12V或24V系统电池电压输入，15~60V宽范围电压输出的太阳能LED路灯系统的应用。同时可以通过微控制器的接口Analog_Dim控制芯片的ISET引脚实现模拟调光功能，用户可自行设定LED灯的工作电流，具有很强的灵活性，拥有输出短路保护，输出过压保护等功能。
图1 大功率LED恒流驱动电路图
3 电路工作原理
3.1 Boost升压电路原理分析
如下图2是Boost升压电路的基本拓扑结构，主要由电感L1、开关管M1以及二极管D1组成。Boost升压电路的工作原理可以分为电感储能过程和电感释放能量过程。当开关管导通时，电感充电储能，在此过程中，二极管反向截止，由电容Cout给负载提供能量，维持负载工作；当开关管断开时，由于电感电流不能突变，此时电感和输入电压叠加共同给负载提供能量，并且给电容Cout充电。由此可知，对开关管的控制技术是该电路的核心。
图2 Boost升压电路的拓扑结构
3.2 大功率LED路灯恒流电路分析
经过上述分析，我们对Boost升压电路有了基本的概念，下面我们将介绍在大功率太阳能LED路灯上实用的恒流源电路，但本文不涉及电感、开关管、二极管等功率器件的电路参数选型。典型的太阳能路灯应用领域中，电池输入一般为12V系统，负载一般为标称1W每颗的大功率LED灯珠进行串、并联而成的灯具，通常为5-15串的LED灯（即15-45V额定工作电压），功率40W以下。为满足低压输入高压恒流输出的需求，本设计以MP4012芯片为核心组成了Boost升压恒流电路。图1的Boost升压恒流电路的主拓扑电路结合图2可知由功率电感L1、二极管D1、升压MOS管M1、输出电容Cout等元器件构成，MOS管M1、M2的驱动控制部分电路则由MP4012芯片内部集成。RT电阻确定了Boost升压MOS管M1的开关频率，取值为两种，一种为96K欧姆时，频率为580KHz左右；一种为500K欧姆时，频率为115KHz左右，过高的开关频率对PCB的设计要求较高同时也会增大开关损耗进而减小开关电源的转换效率，本方案选了115KHz频率作为驱动MOS管的开关频率。
LED驱动电流的大小由MP4012芯片的Iset引脚电压和电流采样电阻Rfb确定，其电流大小公式为I=VIset/Rfb，通过改变Iset引脚的电压便可改变输出电流大小从而实现模拟调光功能。由图1可知MP4012的Iset引脚Analog_Dim与微控制器接口相连，下面介绍两种常用方式进行Iset引脚电压的设定，第一种方式如果微控制器内部带有DAC模块且方便使用的话，可以将DAC模块的输出通道直接连接至Iset引脚，通过DAC模块产生的直流电压直接控制Iset引脚电压；第二种方式是将微控制器管脚产生的PWM波形进行RC滤波处理后连接至Iset引脚，来实现一个可调的直流电压输出。具体的选择哪种方式去设定LED的驱动电流需要根据主控芯片的引脚资源决定。
输出过压保护值由Rovp1和Rovp2的分压比进行调整，Vovp=4.95*（Rovp1+Rovp2）/Rovp2。
输出过压及开路保护都是通过MP4012芯片监测OVP引脚电压是否超过4.95V来进行保护动作的，当高于4.95V时，芯片会通过FAULT输出低而关闭MOS管M2并且会除能MP4012，
当低于4.95V时，芯片会自动恢复正常工作。这种模式会一直重复进行，直至输出过压或开路状态解除。当从开路保护自恢复的时候，可能会存在因高压而产生的尖峰电流触发短路保护的动作。因此在实际使用的情况下，为了避免MOS管因过压保护及过压保护恢复两种状态频繁切换而导致的过电压损坏，建议增加输出电压的AD采样，这样主控芯片通过ADC_OVP也采样输出电压，当输出电压超过所设定的阈值时，恒流源电路停止工作。通过电阻Rfb采样到LED高压侧的输出回路电流为稳定电流的2倍以上且满足一定延时时间将触发输出短路保护功能。通过RCL1和RCL2可以设定流经MOS管M1回路上的电流限定值，CL引脚的电压值可以根据以下公式进行设定，VCL >1.2*IPK*Rcs+4.5*Rsc/RSL，IPK为电感的峰值电流，VCL 的电压值不超过450mV。当M1导通时，电感储能，此时通过Rcs电阻采样恒流源输入端的电流反馈至MP4012芯片的CS引脚，避免此电感储能过程中回路电流过大导致电感特性发生改变最终导致MOS管M1损坏。
4 结语
大功率LED恒流驱动电源是太阳能路灯照明系统的核心部件，其质量好坏直接影响了整个系统的稳定性。本文介绍了利用MP4012芯片为核心实现的一种应用在太阳能LED路灯领域的DC-DC升压恒流驱动电源电路。该芯片内部集成了驱动电路及保护电路，外围电路简单且工作参数可调。该驱动电源可实现模拟调光功能，同时具有输出短路、输出过压等全面实用的保护功能。
参考文献：
[1]刘 琦，秦会斌*，张振银.可单组调光的1W LED阵列驱动设计[J].机电工程，2011.
[2]曹卫锋，段现星，胡智宏.大功率太阳能 LED 路灯控制系统设计[J].电源技术，2013.
[3]王世福，魏 波，梁 伟. LED照明的负载特性[J].中国照明电器，2013.
作者简介：王飞（1992-）：男，江苏省人，工程师，研究方向为太阳能发电、电源管理及嵌入式控制方面。
论文作者:王飞
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第29期
论文发表时间:2019/8/27
标签：电路论文; 电压论文; 太阳能论文; 路灯论文; 电感论文; 芯片论文; 电流论文; 《建筑细部》2018年第29期论文;