專利名稱：一種led照明燈控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED照明燈技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種LED照明路燈控制電路。
背景技術(shù)：
目前電子工程的熱點(diǎn)之一是LED的照明控制技術(shù)，主要有
提高照明用LED的發(fā)光功率、效率、改善光的頻譜、散熱等技術(shù)。路燈還有照明光學(xué)方面的要求；
LED照明控制電路技術(shù)。如LED日光燈、路燈(隧道燈)、景觀燈、投射燈的電路如何實(shí)現(xiàn)可靠、低成本、智能化、節(jié)電、長(zhǎng)壽命。就后者而言，目前廣泛采用方法是，使用220 V交流市電供電，用開關(guān)電源對(duì)LED燈分別進(jìn)行恒流控制。同時(shí)解決功率因素和電磁干擾問題以及防雷擊問題。此類方案有電路比較復(fù)雜，成本高，因而可靠性較差、維修麻煩等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)需要同步群控的LED路燈、隧道燈、小區(qū)照明LED燈，提供一種可以實(shí)現(xiàn)可靠、高效的智能亮度調(diào)節(jié)，同時(shí)降低生產(chǎn)、安裝和維護(hù)成本的LED照明燈控制電路。本發(fā)明提供的LED照明燈控制電路，是在路燈變壓器的輸出端另加一個(gè)控制柜，以完成對(duì)所有路燈的集中直流脈沖供電；所述的控制柜中，包括王控CPU,全橋整流電路，主開關(guān)電源，第二級(jí)開關(guān)電源，輔助電源，顯示和鍵盤面板及其電路；此外，必要時(shí)還可包括用于連接互聯(lián)網(wǎng)的modem, PLC (電力線通訊)modem。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見附圖1所示。所述的控制柜完成對(duì)交流380V電源的全橋整流、第一級(jí)開關(guān)電源(即主開關(guān)電源)恒流控制(限壓)和第二級(jí)開關(guān)電源低頻脈寬調(diào)制，產(chǎn)生的直流脈沖電壓再輸出到原來的路燈電源線上，傳送到路燈。原來從路燈變壓器輸出到各路燈的電源線中，相線和中線按電流相同的要求重新分為兩組，改用作脈沖電源的輸出電線，連接到各個(gè)LED路燈。各個(gè)路燈罩內(nèi)的LED燈加上簡(jiǎn)單的恒流電路來控制LED的恒流。LED的峰值電流由燈頭內(nèi)的恒流源電路控制，控制柜輸出直流的低頻脈寬占空比控制平均點(diǎn)亮?xí)r間，調(diào)節(jié)平均電流，即亮度。打個(gè)比方，此方法就如大樓里用集中空調(diào)機(jī)代替分散空調(diào)機(jī)一樣。本發(fā)明中，控制柜的核心是主控板CPU (如STM32107 32位單片機(jī))，其功能主要有
a,控制主開關(guān)電源的輸出電壓，使其達(dá)到額定亮度時(shí)的(第二級(jí)開關(guān)電源脈寬為最大時(shí))最小值，根據(jù)路燈亮度設(shè)定要求控制第二級(jí)直流脈沖電壓的占空比；
b,通過預(yù)設(shè)定的，基本按實(shí)時(shí)鐘，也可以根據(jù)室外自然光強(qiáng)度調(diào)整路燈的亮度?；蛲ㄟ^網(wǎng)絡(luò)接收命令調(diào)節(jié)亮度；
C，完成電源和系統(tǒng)的自檢和保護(hù)； d，通過modem向上連接互聯(lián)網(wǎng)。但是連接互聯(lián)網(wǎng)不是必需的。不接網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)按內(nèi)部實(shí)時(shí)鐘調(diào)節(jié)亮度。但實(shí)時(shí)改變亮度就不行了，好在此需求并不重要。控制柜內(nèi)的CPU除了可用互聯(lián)網(wǎng)與外部通訊外，也可以利用路燈供電變壓器的初級(jí)次高壓(1-3萬伏)線，實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的PLC (電力線通訊)以太網(wǎng)連接。當(dāng)然，目前也不是必需的。本人認(rèn)為，PLC通訊技術(shù)尚不成熟，可能是可靠性未解決，目前未見很多民用介紹。如有需求，可用第二代PLC MODEM芯片SM2200來設(shè)計(jì)，以提高通訊可靠性。關(guān)于輔助電源，220v交流市電接到輔助電源變壓器。變壓器次級(jí)有幾個(gè)繞組，以產(chǎn)生控制電路要用的低壓直流電源。這里也可以不用輔助電源變壓器，改用有多檔直流電壓輸出的開關(guān)電源。本發(fā)明中，顯示和鍵盤面板。主控制板CPU連接到控制箱面板上的顯示和鍵盤面板。顯示和鍵盤面板電路如圖4所示。該電路由智能芯片HD7279A和一些外圍器件構(gòu)成。此電路驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管和8個(gè)鍵輸入。還有一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位鍵,用于主CPU和顯示CPU的復(fù)位。此面板通過扁線和接頭與圖3中主控板連接。它與主控CPU用SPI方式通訊。主控CPU是主，面板CPU為從。顯示內(nèi)容包括實(shí)時(shí)鐘顯示月日時(shí)分，電壓，電流，故障代碼如初級(jí)過壓，欠壓，過流，IGBT左右上管擊穿，左右下管擊穿，主回路失控等。通過鍵盤可以設(shè)置實(shí)時(shí)鐘，輸出最高限壓，額定輸出電流等參數(shù)。路燈開關(guān)時(shí)間和亮度按主控板CPU程序設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行?？紤]到時(shí)差和季節(jié)(可以由內(nèi)部程序校正)，各地各季節(jié)開關(guān)時(shí)間是不同的。當(dāng)然也可以根據(jù)網(wǎng)上即時(shí)命令運(yùn)行。還可用安裝在顯示板上的光敏電阻(或光敏三極管)測(cè)得的自然光強(qiáng)度來修正開關(guān)時(shí)間和路燈亮度。面板鍵盤也可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)路燈亮度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
實(shí)現(xiàn)集中的可靠的智能亮度調(diào)節(jié)，同時(shí)大幅度降低生產(chǎn)和安裝成本，并使路燈易于維修(僅是簡(jiǎn)單的換燈頭，燈罩內(nèi)幾乎沒有什么要維修的電子電路)。


圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明控制柜中主回路電路。圖3為本發(fā)明控制柜中主控板的電路。其中，A為CPU芯片和輔助電路，B為PWM脈沖形成和驅(qū)動(dòng)電路，C為第二級(jí)開關(guān)電源電路，D為過流檢測(cè)和關(guān)斷電路。圖4為本發(fā)明控制柜顯示和鍵盤面板電路。圖5為各個(gè)工作節(jié)拍示意波形圖。圖6是幫助分析用的等效電路。圖7為本發(fā)明程序流程圖。
具體實(shí)施例方式系統(tǒng)概述
系統(tǒng)如圖1所示。來自路燈變壓器的三相380v交流電壓和220v交流電壓由總電源開關(guān)接入控制柜，380v電壓接到到三相全橋整流電路。整流輸出電壓到主開關(guān)電源。在CPU的控制下進(jìn)行恒流限壓開關(guān)變換。變壓器的次級(jí)整流后的直流電壓接到第二級(jí)開關(guān)電源的輸入。第二級(jí)用于調(diào)節(jié)路燈的平均亮度。兩級(jí)開關(guān)電源是在CPU的閉環(huán)控制下運(yùn)行的。CPU即時(shí)采集它的輸出的電壓和電流，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過PID運(yùn)算，調(diào)整兩級(jí)開關(guān)電源的脈寬，使輸出平均電流穩(wěn)定在目標(biāo)值。CPU不僅采集輸出電壓電流，還采集變換器初級(jí)電壓等，以并監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)。顯示和鍵盤安裝在面板上，也是基本環(huán)節(jié)。CPU還與面板顯示鍵盤用的智能芯片(CPU )進(jìn)行SPI通訊，以輸入設(shè)置參數(shù)和顯示控制器工作情況。輔助電源也是不可缺少的。它在控制箱內(nèi)，使用220v交流供電。它提供電路用的各檔直流電源。圖1中，虛線部分用于網(wǎng)絡(luò)連接，CPU已提供了相關(guān)接口。整個(gè)系統(tǒng)包括控制柜，供電電纜和LED路燈燈頭三部分。其中，控制柜中包括路燈變壓器，全橋整流電路，主開關(guān)電源，第二級(jí)開關(guān)電源，主控制板CPU，輔助電源，顯示和鍵盤面板，PLC (moden)等。具體分述如下1、輔助電源。220v交流市電接到輔助電源變壓器。變壓器次級(jí)有幾個(gè)繞組，以產(chǎn)生控制電路要用的低壓直流電源。這里也可以不用輔助電源變壓器，改用有多檔直流電壓輸出的開關(guān)電源。輔助電源可提供+15v，-15v，5v ,3. 3v直流電源給控制電路。還有另一獨(dú)立的15v電源，用于IGBT管驅(qū)動(dòng)電路，圖沒有畫出。2、顯示和鍵盤面板。主控制板CPU連接到控制箱面板上的顯示和鍵盤面板。它的電路如圖4所示。它由智能芯片HD7279A和一些外圍器件構(gòu)成。此電路驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管和8個(gè)鍵輸入。還有一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位鍵，用于主CPU和顯示CPU的復(fù)位。此面板通過扁線和接頭與圖3中主控板連接。它與主CPU用SPI方式通訊。主CPU是主，面板CPU為從。顯示內(nèi)容包括實(shí)時(shí)鐘顯示月日時(shí)分，電壓，電流，故障代碼如初級(jí)過壓，欠壓，過流，IGBT左右上管擊穿，左右下管擊穿，主回路失控等。通過鍵盤可以設(shè)置實(shí)時(shí)鐘，輸出最高限壓，額定輸出電流等參數(shù)。路燈開關(guān)時(shí)間和亮度按主CPU程序設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行?？紤]到時(shí)差和季節(jié)(可以由內(nèi)部程序校正)，各地各季節(jié)開關(guān)時(shí)間是不同的。當(dāng)然也可以根據(jù)網(wǎng)上即時(shí)命令運(yùn)行。還可用安裝在顯示板上的光敏電阻(或光敏三極管)測(cè)得的自然光強(qiáng)度來修正開關(guān)時(shí)間和路燈亮度。面板鍵盤也可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)路燈亮度。隧道燈應(yīng)是常亮的。3、可靠性，功率因數(shù)，電磁干擾抑制，PID
第一級(jí)電壓變換要確保不會(huì)輸出超限高電壓，否則可能有嚴(yán)重后果。如長(zhǎng)時(shí)間過壓，過壓部分的功率加在各路燈燈頭中的恒流管上，使它溫度上升，管子可能燒毀。此問題由CPU的ADC監(jiān)測(cè)電路調(diào)節(jié)和硬件過流關(guān)斷電路來保證。由于使用交流380V電源的全橋整流，整流輸出交流分量(300hz)本身很小，且負(fù)載是阻性，功率因數(shù)看似不成問題。但是，新的功率因數(shù)定義包含了各諧波功率分量，所以，后面的電路開關(guān)發(fā)生的各諧波功率要小于國標(biāo)要求。下面介紹的ZVS-ZCS (零電壓-零電流開關(guān))軟開關(guān)變換技術(shù)很好的滿足了這一點(diǎn)。軟開關(guān)使電壓電流變化率在開關(guān)瞬間變小，于是有改善功率因數(shù)的好處。使用軟開關(guān)效率高是優(yōu)點(diǎn)之一。還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是電磁干擾被有效抑制。電磁干擾強(qiáng)度也是開關(guān)電源的主要指標(biāo)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性用PID參數(shù)調(diào)節(jié)。CPU用STM32107單片機(jī)。它運(yùn)行速度極快，有12通道ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間是I微秒?？芍饌€(gè)PWM周期調(diào)節(jié)參數(shù)。因此，只改變PI參數(shù)就可獲得滿意效果。4、電路解析-主回路
本設(shè)計(jì)涉及數(shù)字化的大功率開關(guān)電源核心技術(shù)。開關(guān)電源的輸出由CPU控制亮度為設(shè)定值。10 KW級(jí)的開關(guān)電源變換是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。主回路電路見圖2。本發(fā)明采用的是全橋IGBT ZVS-ZCS變換器，是一種高效的軟開關(guān)變換器。IGBT 是 1200v40A 的三管并聯(lián)。四只開關(guān)管構(gòu)成電全橋變換器是人們所熟悉的。它通過開通兩組對(duì)角線上的開關(guān)把電源交替加在主變壓器輸入繞組不同接頭上，經(jīng)變壓器藕合到它的次級(jí)，再經(jīng)過整流電路產(chǎn)生隔離的直流電源。全橋硬開關(guān)只有四個(gè)重復(fù)的節(jié)拍前半周期，一個(gè)對(duì)角線開關(guān)開，另一對(duì)角線開關(guān)關(guān)，等一會(huì)，大家全部關(guān)掉。接著后半周期開始，另一對(duì)角線開關(guān)開，前一對(duì)角線開關(guān)關(guān)，然后都關(guān)。上述過程重復(fù)交替，進(jìn)行變換。調(diào)節(jié)接通時(shí)間(PWM)即可改變輸出電壓。如果不使用軟開關(guān)技術(shù)，關(guān)斷期間沒有使開關(guān)管和變壓器復(fù)位，在下次開通時(shí)它們的電壓或電流不是0，則會(huì)產(chǎn)生較多負(fù)效應(yīng)。例如開關(guān)電壓應(yīng)力大,功耗大,效率低,漏感電流積累使主變壓器磁飽和，電磁干擾嚴(yán)重等。本發(fā)明采用移相型PWM設(shè)計(jì)。它的特點(diǎn)是把全橋的開關(guān)時(shí)序進(jìn)行分解，不再是四個(gè)重復(fù)的節(jié)拍。它對(duì)角線開關(guān)不是同時(shí)開，同時(shí)關(guān)，而是多出幾個(gè)節(jié)拍，也就是對(duì)角開關(guān)有多個(gè)開通關(guān)斷過渡節(jié)拍，以完成ZVS-ZCS變換。為要實(shí)現(xiàn)較理想的ZVS-ZCS，加了一個(gè)輔助變壓器和兩個(gè)兩極管把主變壓器漏感和變壓器次級(jí)反射能量導(dǎo)流到初級(jí)高壓電源。對(duì)照?qǐng)D2，圖的左上角的高壓大電流整流兩極管模塊D1-D6構(gòu)成三相橋式整流電路，電容Cl，C2是濾波電容。整流輸出平均電壓約為380*1. 35v。紋波頻率為300HZ。輸出電壓供給由圖中Q1-Q4和主變壓器T4等構(gòu)成的主開關(guān)電路。Q1-Q4必要時(shí)用多管并聯(lián)。圖2中左上角是電流互感器Tl。D13-D16等組成的是初級(jí)輸入電流取樣整流電路。它的輸出通過接插件和連接電線送到主控制板圖3D中，用于過流檢測(cè)和主回路硬關(guān)斷?；ジ衅鬏敵鲭妷菏荲0=I*R/N。I是初級(jí)電流，R是次級(jí)等效外接電阻，N是匝數(shù)。圖2下部T2是輔助電源變壓器，經(jīng)過整流濾波和穩(wěn)壓，為控制電路提供電源。如用開關(guān)電源，就無輔助電源變壓器。Q1-Q4構(gòu)成的全橋變換器的負(fù)載是主變壓器T4的初級(jí)和輔助變壓器T3的一個(gè)繞組的串聯(lián)。
輔助變壓器T3另一接頭后接兩極管Dll，D12。與它們共同完成主開關(guān)斷開時(shí)釋放變壓器初次級(jí)多余的能量，提高變換器可靠性和效率。改善電源的電磁干擾功率因數(shù)。UlA-UlC是光電耦合器，UlA用于測(cè)量前級(jí)輸入高壓的大小。U1B，UlC用于四個(gè)IGBT的自檢。當(dāng)未驅(qū)動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)電壓大于某值，可認(rèn)為Q1，Q2壞，低于某值可認(rèn)為Q3，Q4壞。UlD用于變壓器次級(jí)整流后的輸出電壓檢測(cè)。霍爾傳感器串在次級(jí)電感器LI下，用于檢測(cè)輸出電流，也就是所有LED路燈的總電流。四個(gè)光電耦合器的次級(jí)通過J4接到主控板。J5是霍爾傳感器的電源引入和信號(hào)輸出接頭，也接到主控板。這幾個(gè)信號(hào)都用于ADC檢測(cè)。光電耦合器和變壓器，圖2中的T5，T6等都要有能承受4KV以上的隔離電壓的要求。主變壓器T4的次級(jí)是兩個(gè)帶中心抽頭的繞組。它們的中心頭接在一起，再通過電感LI接到輸出地。主變壓器次級(jí)的另外四個(gè)頭接整流兩極管模塊D17-D20。串聯(lián)的磁環(huán)和并接在D17-D20上的RC是為了電壓換向時(shí)減小電流和電壓變化率，保護(hù)D17-D20。IGBT使用20khz 1200v的常用型號(hào)，目前已有IOOkhz的IGBT，價(jià)格稍貴。如使用新品，可減小變壓器和電感器的尺寸。5、電路解析-移相型PWM電路 該移相型PWM電路的結(jié)構(gòu)如下
有變壓器全橋變換開關(guān)電源的變壓器次級(jí)輸出電壓VO是比例于輸入電壓(380v整流濾波產(chǎn)生)，主變壓器初次級(jí)圈數(shù)比，以及開通脈寬的占空比的。如前兩參數(shù)一定，只有占空比可大幅度和精細(xì)調(diào)節(jié)輸輸出電壓。于是用了 PWM，即脈寬調(diào)制。全橋變換開關(guān)電源用兩組對(duì)角開關(guān)將輸入電壓交替正反接在主變壓器的初級(jí)繞組上，接通時(shí)間的比例(PWM)改變了次級(jí)的平均輸出電壓。傳統(tǒng)的全橋PWM對(duì)角開關(guān)只有各兩個(gè)狀態(tài)開和關(guān)。開關(guān)時(shí)有大的電壓電流沖擊。本例采用移相型PWM電路，是為了配合實(shí)現(xiàn)ZCS-ZVS的需要，獲得理想的變換性倉泛。圖3B，兩個(gè)PWM控制波形a (PWM1 :超前脈沖組)，b (PWM2 :滯后脈沖組)。周期約為25微秒，占空比為0.6-0. 7。它們周期和占空比是完全相同的，不變的。只有相位的差另IJ，所謂PWM就是改變這個(gè)相位差來調(diào)節(jié)輸出電壓的。在圖3B中，波形c，d是PWMl在圖3B中被分解為超前臂的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是超前臂脈沖。e，f是PWM2被分解為滯后臂的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是滯后臂脈沖。PWM電路由PWM形成電路，驅(qū)動(dòng)隔離和IGBT驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成。前兩個(gè)在CPU板上，見圖3B。后一個(gè)在主回路板上，見圖2。移相型PWM電路由PWM形成電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成，前兩個(gè)部分在CPU板上，后一個(gè)部分在主回路板上其中
根據(jù)圖3 (B)，PWM形成電路，其輸入波形波形a、波形b來自CPU的GPIO 口 PA9、PA10, D觸發(fā)器的復(fù)位控制端來自GPIO 口 PAlI。a波形是D觸發(fā)器的時(shí)鐘，PAll無效時(shí)，D觸發(fā)器的輸出Q, Q-與a波形輸入兩個(gè)四輸入與非門2U2,將波形a按奇偶分尚在與非門2U2的兩個(gè)輸出端，再輸入到大電流驅(qū)動(dòng)非門2U4的兩個(gè)輸入端；與非門2U4的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，它們用接頭2J2連接到J2，到主回路板；
波形b波形也同樣處理；
J2連接的是主驅(qū)動(dòng)變壓器的T5、T6的初級(jí)，串接了 RC并聯(lián)電路，還加了鉗位兩極管D15-D20 ；
與非門2U2，2U3的其它輸入另用于過流硬關(guān)斷，低電平輸入將關(guān)斷主驅(qū)動(dòng)變壓器輸出脈沖，關(guān)斷IGBT ;過流硬關(guān)斷信號(hào)來自電壓比較器2B2的7腳；
圖3B移相型PWM脈沖產(chǎn)生電路中，可由四個(gè)GPIO 口自行產(chǎn)生。我為了減輕單片機(jī)編程負(fù)擔(dān)，多用了 3片1C。3片IC不是必要的。驅(qū)動(dòng)隔離電路，由驅(qū)動(dòng)器TC4423和主驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)組成，主驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)由兩片TC4423共四個(gè)驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)，變壓器是正激用法，有夠大的電感，小的漏電感，它的初次級(jí)圈數(shù)相等；初級(jí)的串聯(lián)RC是為了調(diào)節(jié)次級(jí)的脈沖幅值，初級(jí)外接快恢復(fù)兩極管1N5819，用于鉗位，保護(hù)TC4423 ;TC4423有3A的高低電平驅(qū)動(dòng)能力；
IGBT驅(qū)動(dòng)電路，其主驅(qū)動(dòng)變壓器T5、T6初次級(jí)電路及后續(xù)電路在主回路中；
兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)變壓器各有兩個(gè)次級(jí)繞組，分別通過幾個(gè)電阻，兩極管連接到四個(gè)IGBT的G-S，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)驅(qū)動(dòng)；
主驅(qū)動(dòng)變波形C、波形d、波形e、波形f，是主回路四個(gè)IGBT柵極級(jí)等組的驅(qū)動(dòng)波形要求，這幾個(gè)波形電路要求互相隔離，邊沿陡，內(nèi)阻小，而且驅(qū)動(dòng)電流大，以便快速驅(qū)動(dòng)IGBT的大容量輸入電容；
前級(jí)PWM產(chǎn)生電路由CMOS雙D觸發(fā)器⑶4013和兩片CMOS四輸入與非門⑶4012組
成，
用于將波形a，波形b兩個(gè)信號(hào)各被一拆為二 兩個(gè)超前信號(hào)，兩個(gè)滯后信號(hào)，形成兩對(duì)信號(hào)，輸出到TC4423以驅(qū)動(dòng)主驅(qū)動(dòng)變壓器；
波形a，波形b兩個(gè)信號(hào)，和⑶4013復(fù)位信號(hào)是CPU通過三個(gè)GPIO PA9, PAIOjPAII輸出的；波形a，波形b兩個(gè)信號(hào)的相移是CPU通過計(jì)算決定的，目的是調(diào)脈寬以使輸出電壓為目標(biāo)值；CPU啟動(dòng)后，用低電平復(fù)位D觸發(fā)器，然后回到高電平，接著連續(xù)發(fā)波形a，波形b信號(hào)，在每個(gè)全橋周期結(jié)束時(shí)，調(diào)整波形a，波形b的相位差；
波形a，波形b信號(hào)由D觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端和四輸入與非門進(jìn)行分離，因?yàn)椴ㄐ蝍，波形b信號(hào)是D觸發(fā)器的時(shí)鐘，必然使D觸發(fā)器的輸出交替為高，只有為高的輸出才能使波形a.波形b信號(hào)通過下級(jí)的四輸入與非門。主變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)方法是，先取第二級(jí)開關(guān)開通時(shí)間最長(zhǎng)，調(diào)節(jié)第一級(jí)主變換器移相時(shí)間，使電壓由低向高，逐步使路燈全亮。CPU調(diào)節(jié)并檢測(cè)此過程中總LED電流值，LED電流達(dá)到額定值時(shí)的的最低電壓即為主變換級(jí)調(diào)節(jié)目標(biāo)值。穩(wěn)定后，主變換器僅進(jìn)行電壓微調(diào)，以穩(wěn)定輸出電流。主回路加了輔助變壓器，它的功率約為主變壓器的10%。輔助變壓器繞制時(shí)取I比4進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得聞效率。估計(jì)IOKW的電源效率達(dá)95%。圖3中的主控電路中，CPU除輸出兩個(gè)PWM脈沖外。還有
AD通道有多路用于檢測(cè)主變換輸出電壓(經(jīng)光電耦合器)、電流(經(jīng)霍爾傳感器)、室外自然光強(qiáng)度(經(jīng)面板上接入的光敏電阻)、初級(jí)電壓(經(jīng)光電耦合器)、初級(jí)電流(經(jīng)互感器)。其它的AD通道用于對(duì)輸入380v整流后電壓和IGBT管電壓的測(cè)量，用于開機(jī)自檢和故障診斷。來自初級(jí)電流互感器的電壓信號(hào)還用于過載關(guān)斷保護(hù)。圖3C是第二級(jí)開關(guān)電源。它用于調(diào)節(jié)LED燈的亮度。CPU用低頻PWM脈沖驅(qū)動(dòng)MOS管3Q1，為了減小開關(guān)損耗。它也使用變壓器低頻驅(qū)動(dòng)。因?yàn)槭堑皖l(比方200 HZ)，變壓器電感量要大，漏感要小。P麗占空比不可以是100 %，要有死時(shí)間。不過，第二級(jí)是可由第一級(jí)一道完成的，只是控制有點(diǎn)麻煩，沒有采用。6、過流關(guān)斷保護(hù)。來自圖2中Jl的電流互感器電壓信號(hào)引入圖3D的1J1，為了防止干擾使過流電路誤動(dòng)作，加了高階低通濾波電路IUO，轉(zhuǎn)折頻率在40 khz附近。低通濾波輸出到電壓比較電路IUl (LM311等構(gòu)成)。如發(fā)生比較器輸出翻轉(zhuǎn)，則表明初級(jí)電流超載。此狀態(tài)由R-S觸發(fā)器1U2鎖定，并立即硬關(guān)斷主驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)，停止PWM，主開關(guān)電源被中止。如CPU因故障未響應(yīng)，則由同時(shí)產(chǎn)生的硬關(guān)斷信號(hào)來關(guān)斷。硬關(guān)斷信號(hào)低電平由IUl輸出端送到2U2，2U3的輸入端，使2U4，2U5輸出四個(gè)低電平，這樣，主驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)都為0電壓，IGBT都被關(guān)斷。圖3D中，IRl電位器是調(diào)節(jié)硬關(guān)斷電平用的。硬關(guān)斷信號(hào)只有CPU才可能取消，這由接到1U2A的過流復(fù)位負(fù)脈沖來完成，它來自GPIO的PD9。7、STM32107 CPU外圍輔助電路。見圖3A。OJl是用于開發(fā)程序的JTAG接口插座。OJO接頭到面板的顯示鍵盤電路，還連接溫度繼電器到機(jī)柜散熱風(fēng)扇。0R4，0D1提供外接的ADC參考電壓。CPU STM32 I/O 口的ADC，SPI，PWM，D/A等是有指定地址的，不能通用。電阻，電容，晶振等按芯片廠商推薦要求設(shè)置。8，ZVS-ZCS 過渡過程
結(jié)合圖5中的下部四個(gè)波形，和主回路變換過程示意圖(圖6)來看。圖5畫出了主變壓器開關(guān)5個(gè)狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)和初次級(jí)電流走向(圖中D0-D4)
a,圖5的DO圖，對(duì)應(yīng)主驅(qū)動(dòng)的tl-t2時(shí)段(見圖4)。t0時(shí)Ql開通，超前臂的Q4已超
前開通。主變壓器初級(jí)電流為il。此時(shí)主變壓器開始向次級(jí)負(fù)載傳送能量。輔助變壓器次級(jí)被Q4和下輔助兩極管Da短路。b, Dl圖，對(duì)應(yīng)t2-t3時(shí)段。Q4關(guān)斷。C4，C2 (包含外接電容和結(jié)電容)，Lk, Lb諧振。由于次級(jí)反射電感很大，可認(rèn)為期間il不變。C4平滑充電至電源電壓。Q4被軟關(guān)斷。c, D2圖，對(duì)應(yīng)t3_t4時(shí)段。Q4電壓升至電源電壓。Il流經(jīng)D次級(jí)電壓反射到輔助變壓器初級(jí)，將使主變壓器初級(jí)il減少為O。期間D2導(dǎo)通，電壓很小，為Q2 ZVS創(chuàng)造了條件，然后Q2開通。d，D3圖，對(duì)應(yīng)t4_t5時(shí)段。il =0，Ql ZCS關(guān)斷。次級(jí)電感電容自由振蕩，繼續(xù)流出電流。e，D4圖，對(duì)應(yīng)t5_t6時(shí)段。開通Q3。Q2已超前開通。變壓器初級(jí)電壓VAB和il換向。輔助變壓器次級(jí)被上接電源的輔助兩極管Db短路。主變壓器又開始向次級(jí)傳送能量。如此進(jìn)入與開始DO相類似過程。9、LED路燈燈頭
燈頭部分很簡(jiǎn)單，每個(gè)路燈中有幾十只LED的串聯(lián)后并聯(lián)。每一個(gè)串聯(lián)回路加一個(gè)恒流源來控制LED燈的電流。恒流源由穩(wěn)壓兩極管和三極管(或MOS管)和電阻構(gòu)成。加了PTC電阻是為了過熱時(shí)保護(hù)恒流源控制三極管。恒流源控制電路可與LED燈頭做成一體化。開關(guān)電源的輸出電壓由路燈中LED的正向壓降和串聯(lián)的總數(shù)決定?？刂乒竦倪M(jìn)線是路燈變壓器的三根相線和中線。原來接到路燈的交流電源線改用為第二級(jí)低頻脈沖電壓輸出線。防雷電路也是不可或缺的。10、供電電纜
必須強(qiáng)調(diào)，路燈供電電纜的電流容量必須保證，否則會(huì)降低效率甚至燒壞電纜。如果是用于舊路燈電路改造，由于原來交流220v電路接的負(fù)載可能是氣體放電燈，它供電功率比同效LED燈大幾倍，直接用原電纜給LED路燈送電似乎可行。但是還要考慮到，大功率LED燈如果是低壓50v供電，電流并不小。況且原電纜的中線可能較細(xì)。所以，大功率LED路燈用于路燈改造，如不想補(bǔ)充加架設(shè)路燈供電電纜，還是應(yīng)該使用250v -300v的直流脈沖供電。與此相關(guān)，燈頭中LED串聯(lián)數(shù)要同步加多。
權(quán)利要求
1.一種LED照明路燈控制電路，其特征在于是在路燈變壓器的輸出端另加一個(gè)控制柜，以完成對(duì)所有路燈的集中直流脈沖供電；所述的控制柜中，包括:王控CPU,全橋整流電路，主開關(guān)電源，第二級(jí)開關(guān)電源，輔助電源，顯示和鍵盤面板及其電路； 所述的控制柜完成對(duì)交流380V電源的全橋整流、第一級(jí)主開關(guān)電源恒流控制和第二級(jí)開關(guān)電源低頻脈寬調(diào)制，產(chǎn)生的直流脈沖電壓再輸出到原來的路燈電源線上，傳送到路燈； 原來從路燈變壓器輸出到各路燈的電源線中，相線和中線按電流相同的要求重新分為兩組，改用作脈沖電源的輸出電線，連接到各個(gè)LED路燈；各個(gè)路燈罩內(nèi)的LED燈加上恒流電路來控制LED的恒流； LED的峰值電流由燈頭內(nèi)的恒流源電路控制，控制柜輸出直流的低頻脈寬占空比控制平均點(diǎn)亮?xí)r間，調(diào)節(jié)平均電流，即亮度； 所述主控CPU的功能主要有: (a)控制主開關(guān)電源的輸出電壓，使其達(dá)到額定亮度時(shí)的最小值，根據(jù)路燈亮度設(shè)定要求控制第二級(jí)直流脈沖電壓的占空比； (b)通過預(yù)設(shè)定，按實(shí)時(shí)鐘，根據(jù)室外自然光強(qiáng)度調(diào)整路燈的亮度； (C)完成電源和系統(tǒng)的自檢和保護(hù)； 所述輔助電源中，由220v交流市電接到輔助電源的變壓器，變壓器次級(jí)有幾個(gè)繞組，以產(chǎn)生控制電路用的低壓直流電源； 所述顯示和鍵盤面板中，主控CPU連接到控制箱面板上的顯示和鍵盤面板；顯示和鍵盤面板電路由智能芯片HD7279A和一些外圍器件構(gòu)成；該電路驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管和8個(gè)鍵輸入；還有一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位鍵，用`于主CPU和顯不CPU的復(fù)位； 顯示內(nèi)容包括:實(shí)時(shí)鐘顯示月日時(shí)分，電壓，電流，故障代碼如:初級(jí)過壓，欠壓，過流，IGBT左右上管擊穿，左右下管擊穿，主回路失控； 通過鍵盤設(shè)置實(shí)時(shí)鐘，輸出最高限壓，額定輸出電流參數(shù)； 路燈開關(guān)時(shí)間和亮度按主控CPU程序設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED照明路燈控制電路，其特征在于所述主控CPU中采用移相型PWM電路設(shè)計(jì)，該移相型PWM電路的結(jié)構(gòu)如下: 有變壓器全橋變換開關(guān)電源的變壓器次級(jí)輸出電壓VO比例于輸入電壓，主變壓器初次級(jí)圈數(shù)比，以及開通脈寬的占空比的； 全橋變換開關(guān)電源用兩組對(duì)角開關(guān)將輸入電壓交替正反接在主變壓器的初級(jí)繞組上，接通時(shí)間的比例(PWM)改變次級(jí)的平均輸出電壓； 兩個(gè)PWM控制波形a，即PWMl:超前脈沖組；波形b，即PWM2:滯后脈沖組；周期為25微秒，占空比為0.6-0.7，它們周期和占空比完全相同，且不變；波形C、波形d是PWMl被分解為超前臂的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是超前臂脈沖；波形e、波形f 是PWM2被分解為滯后臂的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是滯后臂脈沖； 移相型PWM電路由PWM形成電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成，前兩個(gè)部分在CPU板上，后一個(gè)部分在主回路板上:其中: PWM形成電路，其輸入波形波形a、波形b來自CPU的GPIO 口 PA9、PA10，D觸發(fā)器的復(fù)位控制端來自GPIO 口 PAll ；a波形是D觸發(fā)器的時(shí)鐘，PAll無效時(shí)，D觸發(fā)器的輸出Q，Q-與a波形輸入兩個(gè)四輸入與非門2U2，將波形a按奇偶分離在與非門2U2的兩個(gè)輸出端，再輸入到大電流驅(qū)動(dòng)非門2U4的兩個(gè)輸入端；與非門2U4的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，它們用接頭2J2連接到J2，到主回路板； 波形b波形也同樣處理； J2連接的是主驅(qū)動(dòng)變壓器的T5、T6的初級(jí)，串接了 RC并聯(lián)電路，還加了鉗位兩極管D15-D20 ； 與非門2U2，2U3的其它輸入另用于過流硬關(guān)斷，低電平輸入將關(guān)斷主驅(qū)動(dòng)變壓器輸出脈沖，關(guān)斷IGBT ;過流硬關(guān)斷信號(hào)來自電壓比較器2B2的7腳； 驅(qū)動(dòng)隔離電路，由驅(qū)動(dòng)器TC4423和主驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)組成，主驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)由兩片TC4423共四個(gè)驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)，變壓器是正激用法，有夠大的電感，小的漏電感，它的初次級(jí)圈數(shù)相等；初級(jí)的串聯(lián)RC是為了調(diào)節(jié)次級(jí)的脈沖幅值，初級(jí)外接快恢復(fù)兩極管1N5819，用于鉗位，保護(hù)TC4423 ；TC4423有3A的高低電平驅(qū)動(dòng)能力； IGBT驅(qū)動(dòng)電路，其主驅(qū)動(dòng)變壓器T5、T6初次級(jí)電路及后續(xù)電路在主回路中； 兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)變壓器各有兩個(gè)次級(jí)繞組，分別通過幾個(gè)電阻，兩極管連接到四個(gè)IGBT的G-S，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)驅(qū)動(dòng)； 主驅(qū)動(dòng)變波形C、波形d、波形e、波形f，是主回路四個(gè)IGBT柵極級(jí)等組的驅(qū)動(dòng)波形要求，這幾個(gè)波形電路要求互相隔離，邊沿陡，內(nèi)阻小，而且驅(qū)動(dòng)電流大，以便快速驅(qū)動(dòng)IGBT的大容量輸入電容； 前級(jí)PWM產(chǎn)生電路由CMOS雙D觸發(fā)器⑶4013和兩片CMOS四輸入與非門⑶4012組成， 用于將波形a，波形b兩個(gè)信號(hào)各被一拆為二:兩個(gè)超前信號(hào)，兩個(gè)滯后信號(hào)，形成兩對(duì)信號(hào)，輸出到TC4423以驅(qū)動(dòng)主驅(qū)動(dòng)變壓器； 波形a，波形b兩個(gè)信號(hào)，和⑶4013復(fù)位信號(hào)是CPU通過三個(gè)GPIO PA9, PAIOjPAII輸出的；波形a，波形b兩個(gè)信號(hào)的相移是CPU通過計(jì)算決定的，目的是調(diào)脈寬以使輸出電壓為目標(biāo)值；CPU啟動(dòng)后，用低電平復(fù)位D觸發(fā)器，然后回到高電平，接著連續(xù)發(fā)波形a，波形b信號(hào)，在每個(gè)全橋周期結(jié)束時(shí)，調(diào)整波形a，波形b的相位差； 波形a，波形b信號(hào)由D觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端和四輸入與非門進(jìn)行分離，因?yàn)椴ㄐ蝍，波形b信號(hào)是D觸發(fā)器的時(shí)鐘，必然使D觸發(fā)器的輸出交替為高，只有為高的輸出才能使波形a.波形b信號(hào)通過下級(jí)的四輸入與非門。
全文摘要
本發(fā)明屬于LED照明燈技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種LED照明路燈控制電路。本發(fā)明是在路燈變壓器的輸出端另加一個(gè)控制柜，以完成對(duì)所有路燈的集中直流脈沖供電；所述的控制柜中，包括主控CPU，全橋整流電路，主開關(guān)電源，第二級(jí)開關(guān)電源，輔助電源，顯示和鍵盤面板及其電路等。所述的控制柜完成對(duì)交流380V電源的全橋整流、第一級(jí)主開關(guān)電源恒流控制和第二級(jí)開關(guān)電源低頻脈寬調(diào)制，產(chǎn)生的直流脈沖電壓再輸出到原來的路燈電源線上，傳送到路燈。必要時(shí)還可包括用于連接互聯(lián)網(wǎng)的modem，PLC(電力線通訊)modem。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)集中的可靠的智能亮度調(diào)節(jié)，同時(shí)大幅度降低生產(chǎn)和安裝成本，并使路燈易于維修。
文檔編號(hào)H05B37/02GK103079315SQ20131000222
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月2日
發(fā)明者項(xiàng)長(zhǎng)順 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)