基于故障检测的路灯LED驱动电源的研究

　　1. 引言

　　近年来，伴随着全球经济的持续增长和人民生活水平的提高，煤、石油、天然气等能源短缺问题及全球温室气体排放量增加等环境问题日益恶化。全球普遍面临着能源短缺和能源危机的严峻局势，各国也都在寻求开发新能源和提高能源利用率的措施。对于生物能、太阳能、风能、地热能等新能源由于其自身能量密度低、供能过程的间歇性、随机性、不能大规模存储等缺点，使得其开发和利用的过程相当漫长。故最有效的方法是提高现有能源的利用率。而电力能源的消耗占总能耗的40%左右，在我国，照明用电又占电力能耗的12%[1,2]。

　　所以发展LED产业的意义深远。

　　2. LED的故障分析

　　目前，街道照明用LED光源功率大多数处于100W-200W之间。由于LED单颗功率等级偏低，因此，需要通过串并联组成LED阵列。但是由于LED 是一种新兴的光源，在其实际的应用过程中还存在很多问题。其中LED常见的失效情况是不亮，即LED通电流后不发光，此时可能是开路故障或是短路故障。对于开路故障，可能是LED封装出现断线或粘晶等缺陷。对于短路故障，可能是由于LED没有流经LED芯片，而是流经“旁门左道”引起的。两种故障的示意图如图1所示。对于LED不亮这种失效情况，最常见的是开路故障。

　　由于在大功率照明应用中，并联支路较多，为每一支路提供独立的驱动器固然可以实现各支路的独立恒流，并且不会因为单颗LED出现短路故障而影响其他LED的正常工作。但是需要每路设置开路保护。这样每串LED都设有独立驱动器和开路保护会使得LED驱动器体积过大，成本过高，不利于安装和使用。所以目前应用比较多的是采用总电流闭环控制的控制策略。

　　但是如果采用总电流闭环，一旦多并联支路中有某一串LED开路，则其他并联支路中的供电电流势必会增大，就会造成连锁反应，会有并联支路将会因为电流增大，陆续出现开路故障，直至全部并联支路开路。如果某颗LED出现短路故障，那么流经本串LED的电流会增加，进而会导致其他LED因过流而损坏。

　　本文针对这一问题对LED串并联支路的开路故障检测和短路故障进行了研究，提出了一种可及时识别开路数，从而保证每一并联支路电流维持不变的LED驱动器结构。

　　3. 电路设计

　　如图2所示是路灯LED恒流驱动电源的原理示意图。其中，LED阵列采用14串、8路并联的形式。

　　驱动器电路采用两功率级结构。前级为功率因数校正环节，实现功率因数校正为后级的DC-DC变换器提供稳定母线。后级是谐振半桥DC-DC电流源变换器，控制器通过开关频率调节，实现恒流驱动。控制

　　系统采用Infineon公司的XC822单片机作为控制芯片。

　　3.1 功率因数校正环节的设计

　　为提高LED驱动电源的功率因数，在驱动电源中加入功率因数校正电路。目前对于100W-150W的驱动电源，临界模式(CRM)的Boost电路因为其电路中器件的电压电流应力小，且二极管没有反向恢复问题，控制电路设计简单等优点而被广泛的采用，其输出为400V的稳压值。

　　3.2 谐振直流变化器的设计

　　如图2所示，后级是一个谐振直流变换器。它是由是由一个LC谐振逆变器与一个不控整流桥组成的。

　　由[3]可知，LED负载可以等效为二极管、电压源及电阻串联的负载形式。在此基础上可以将LED负载阵列也可以等效为电压源与电阻串联形式，如图3所示。其中Von为LED的阈值电压，取值在3.1V-3.4V之间。Rs为LED伏安特性的斜率，取值约为0.77Ω，m为每串LED的个数，n为LED的串数。在本次设计m取14，n取8。

　　将LED负载阵列折算到整流桥的原边，其等效电路图如图4所示，其中输入电压时一个在0和400V之间变化的方波信号，而折算到整流桥输入侧的LED的等效模型为一个在-mVon与mVon之间变化的方波信号和电阻串联的模型。

　　由于谐振电容的值对电路影响较小，取为100nF,为防止音频的干扰[5]，设定开管起始频率为35kHz,设定LED正常工作时的电流为330mA。经计算可以得到电感值为507uH。

　　进而可以计算得出不同开路数下,即当n变化时，

　　对应的不同的开关频率，如表1所示。

　　3.3 开路故障检测电路

　　图5为本次设计的开路故障检测电路的原理图，采用光耦TLP521作为隔离判断电路，当次串LED正常工作时，开路信号有送一个低电平信号到控制器的I/O口，当此串LED出现开路故障时，便有一个高电平信号送到控制器的I/O口。控制器通过检测发生开路的LED串的数目来调节开关频率，从而调节总电流的闭环值，正常工作的LED串自动均流，保持每串LED的恒流驱动。其中，各个参数的取值为：R=5Ω，R1=27Ω，R2=15KΩ,R3=7.5KΩ。

　　3.4 短路故障检测电路

　　图6所示的为短路故障检测电路，即在开关管Q2桥臂上并联故障电流检测电阻，当LED负载中出现短路故障时，此时电路中的电流就会迅速增大，若通过检测电阻检测到电流超过一定的值时，此时控制器就会将停止对LED负载的驱动，以防止进一步的损坏。

　　4. 仿真分析

　　基于以上对系统整体分析和设计，采用Saber仿真软件对系统建立仿真模型，然后对仿真结果进行仿真分析。

　　图7是LED在满载运行时其两端的电压波形及流过LED的电流的波形图，从图中可以看出在满载运行时LED两端的电压基本稳定在47V。流过LED的平均电流为2.57A，基本可以满足系统的要求。

　　图8是谐振电流波形及整流桥输入侧的电压波形，在0.4s时正常工作的LED串数由8串变为4串，从整流桥输入侧电压的仿真波形中可以看出开关频率是增加的，随着开关频率的增加流经谐振电路的电感电流是减小的。

　　图9是流过LED负载的总电流动态响应的仿真波形。在0.4s时正常工作的LED串的数目由8串变为4串，从图中可以看出流过LED的闭环总电流值减小，从而保证流经每串LED的电流是恒定的。图10是LED负载两端的电压波形，可以看出当正常工作的LED串的数目发生变化时，LED负载两端的电压基本保持不变。

　　5. 实验结果分析

　　根据前面对系统的分析和设计，搭建实验样机一台。样机实物图如图11所示。

　　图12为8串LED正常工作时，LED负载两端的电压波形及流经LED的总电流波形。图13是只有4串正常工作时LED负载两端的电压波形及流经LED的总电流波形，从图中可以看出LED两端的电压基本不变，LED的总电流变小。

　　图14和图15是当8串LED正常工作时及只有4串LED正常工作时，流过某一串的LED的电流波形，从图中可以看出虽然LED负载的并联的支路数不同，但是流过每串的LED的电流值基本是维持在300mA不变，这就说明该驱动电源可以再不用的开路数目下实现LED串的恒流驱动，即实现了开路保护功能。

　　6. 结论

　　本文提出了一种可自动检测开路故障，并且具有短路保护功能的路灯LED驱动电源方案。文中给出了电路参数的设计方法和过程，对控制策略进行了简要分析。然后对系统进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。最后112W搭建实验样机一台。实验结果表明，在某些并联支路出现开路的时候，驱动器能够自动的修正闭环参考值，保证了单串并联支路的电流的恒定。

　　参考文献

　　[1] Evan Mills. The $230-billion Global Lighting Energy Bill[C]. Proceedings of the 5th International Conference on Energy-Efficient Lighting, France, 2002：1-2.

　　[2] 郑文彬. 节能技术应用的回顾与展望[J]. 华东电力，2005，33(6)：20-21.

　　[3] Mineiro Sa, E. Low Cost Self-Oscillating ZVS-CV Driver for Power LEDs[C]. IEEE，Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC：4196 -4201.

　　[4] 孙明坤，罗全明. 串联谐振恒流LED驱动电源的分析及设计[J]. 电力电子技术. 2010，44(8)：

　　[5] Xu Dianguo,Zhang Xiangjun, and Liu Huaiyuan. “Study of Digital LED Driving Technology based on Auto-identifying Open Strings in LED Array”. IECON 2011-37th Annual Conference IEEE Industrial Electronics Society, 7-10 Nov. 2011, Page(s): 2964 – 2968.