摘要  光伏电池的输出电压变动范围大，而LED在工作时对电压电流的稳定性要求较高，必须使用与之匹配的驱动电路。结合光伏电池的输出特点，在分析不同驱动电路的基础上，设计了一种具有普适性的LED照明驱动控制器，该控制器能自动适应光伏电池输出电压的大幅变化和LED负载的变化，适用于不同LED负载的驱动。其适应性强，调节范围大，在LED照明领域具有较好的应用前景。

关键词  光伏发电   LED照明    驱动电路     控制器

引言

能源问题已成为制约人类经济社会发展的重要问题之一。太阳能作为无污染可再生的绿色能源，越来越受到世界各国的青睐，充分开发利用太阳能是我国政府的可持续发展能源战略，是解决能源紧缺与保护环境的主要对策之一。作为一种新型绿色照明光源，LED灯正在逐步进入照明领域。其中光伏LED灯以其独特的优势已经进入市场。LED灯主要有以下几个特点：（1）发光效率高。目前很多单颗LED商品的发光效率已达到90lm/W以上。（2）工作于直流低压。太阳能组件的输出与蓄电池所储存的都是直流电，省去了交直流转换的逆变器，节约了设备成本。（3）寿命长。LED灯的理论寿命可长达10万小时［1］。LED是典型的电流型器件，对工作电流的大小和稳定性要求甚高，电流波动会影响LED的发光效率和光色，而电流超过额定值将损害LED的寿命与可靠性［2］。常用的LED驱动电路有降压型（Buck）、升压型（Boost）、升降压型（Buck-Boost）3种，而现有的驱动控制器通常只能适用于其中的一种电路，因此研制一种具有普适性的控制器将具有很好的应用前景。

1LED驱动电路

众所周知，LED光源对电流和电压的稳定性有着相当高的要求，电压过高会使LED光色发生变化甚至损坏，因此一个输出稳定的LED驱动电路是必不可少的，其作用是在输入电压电流产生波动的情况下为LED提供持续而稳定的电流，保证LED灯的正常工作和寿命。常见的LED驱动电路有三种（见图1）：Buck（降压电路），Boost（升压电路），Buck-Boost（升降压电路）。通过对电路中储能电感、续流二极管、及滤波电容位置的改变，可实现升压或降压的功能，这3种电路统称为直流斩波电路。

通过对不同驱动拓扑电路的充放电分析，可以得到电路中的IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管) 发射极的PWM 信号的占空比，占空比不同，得到的输出电压值也不同。各驱动拓扑电路的输出电压如下:

对于Buck 电路:

Uo = D × Ui(1)

对于Boost 电路:

Uo =Ui1 － D(2)

对于Buck-Boost 电路:

Uo = D1 － DUi(3)

式(1) ～ (3) 中，Uo为斩波器输出端电压，Ui为斩波器输入端电压，D 为PWM 信号的占空比。

3 种电路各有优缺点，而根据实际情况的不同，通常要使用不同种类的驱动电路。例如，在使用高电压光伏组件作为电源时，要使用降压斩波器;在使用低压太阳能光伏组件时则需要升压斩波器等等。普通的驱动控制器通常只适用于其中的一种电路，因而设计能识别调控多种LED 灯驱动器的具有普适性的控制电路很重要。

3 LED 驱动电路的仿真

为了了解LED 驱动电路的工作特性，我们对3种驱动电路进行了MATLAB 仿真实验，仿真模型如图2 所示。其中，3 种电路的PWM 信号的占空比均为0. 5，输入端电压为12V，电阻R1、R2、R3均为10Ω，PWM 信号频率设置为10kHz，功率器件选用IGBT，电感参数为1mH，电容参数分别为1μF、10μF、10μF。

经过仿真得到了如图3 所示的电压仿真波形，3条曲线分别为升压式、降压式、升降压式输出的电压波形。由于PWM 信号占空比为0. 5，根据理论计算，三种斩波电路的输出端电压应分别为24V、6V、－12V，而观察图3 可知，实际输出电压值总是小于理论计算值。

光伏LED 照明的供电方式有两种。第一种是蓄电池为LED 供电，即夜间工作模式。此时仅一个斩波器工作，起变压和恒流的作用。由于蓄电池的电压通常为12V，LED 负载的工作电压往往低于这个值，应采用降压式驱动电路，控制电路较容易实现对驱动电路的控制。第2 种是太阳能电池为LED 直接供电，即白天工作模式。此时太阳能电池同时在为蓄电池和LED 供电。太阳能电池与LED 之间串接两个斩波器，第1 个起最大功率跟踪( Maximum PowerPoint Tracking ，MPPT) 作用，第2 个是起变压恒流作用［3］。为了探究两个斩波器在工作时是否会相互影响而导致结果的不准确，对此情况进行了模拟仿真图4 是两个斩波器同时工作的仿真模型。根据实际情况对斩波器和相关参数进行了设定。输入电压设为12V，第1 级斩波器为降压斩波，PWM 脉冲占空比为0. 5，周期为0. 1ms，L1 = 1mH，R1 = 10Ω，C1 = 1μF。第2 级斩波器为升压斩波器，PWM 控制脉冲占空比是0. 5，周期为0. 1ms，L2 = 1mH，R2 = 10Ω，C2= 10μF。

通过仿真得到了第1 级输出端电压U1和第2 级输出端U2的波形，如图5 所示。由于第1 级降压斩波器的参数和图2 中Buck 斩波器的参数完全一致，我们可以将图5 中的U1波形和图3 中Buck 输出波形进行比较。通过比较我们发现图5 中的第2 级升压斩波器在工作时对第1 级降压斩波器产生了较大的影响，使第1 级斩波器跟踪到的最大功率点发生扰动，造成太阳能电池不能工作在最大输出功率状态。由于第1 级降压斩波器起太阳能电池的最大功率跟踪功能，第2 级升压斩波器维持LED 工作电压电流的稳定，因此在控制过程中就需要对两个斩波器的PWM 脉冲信号进行同步调节，使其协调工作。

4 控制系统的设计

经过上述分析可知，由于驱动方式有多种，斩波器之间的组合也各不相同，而普通的控制器通常只适用于其中的一种，不能随实际情况的变化灵活改变。所谓普适性控制器，就是在输入和LED 负载发生改变时仍能对电路进行控制。例如当太阳光发生改变时，光伏电池板输出电压范围变化很大，原有的驱动可能满足不了LED 负载的工作要求。若采用普适性控制器，则可由控制电路通过实时跟踪切换不同驱动模式来满足LED 的工作需求。

LED 是典型的电流型器件，对工作电流的大小和稳定性要求甚高，电流波动会影响LED 的发光效率和光色，而电流超过额定值将损害LED 的寿命与可靠性［4］。因此，在LED 驱动电路设计中要围绕稳定负载电流而进行。

太阳能光伏LED 照明控制系统如图6 所示。整个系统分为两部分，一是太阳能电池板发电部分，二是照明驱动部分。系统使用了两个斩波器，第1 个斩波器用来进行最大功率跟踪，从而使太阳能电池板工作在最大输出功率状态［5］。第2 个斩波器则是起维持LED 负载电压电流稳定的作用。每个斩波器两端均有电压电流传感器，采集实时电压电流数据并将采集到的数据传回CPU。CPU 会根据这些数据判断驱动电路的类型，之后会用合适的算法对驱动电路进行控制，维持LED 工作电流的稳定。

在整个系统中，CPU 是实现功能的核心，通过设计算法、编写程序以实现识别不同斩波器并根据不同实际情况切换控制方法，达到维持输出电流稳定的目的。

通过对不同斩波器的分析，我们可得到不同斩波器的特性。对于升压式斩波器，输出端电压总是高于输入端的值;对于降压式，输出端电压总是低于输入端;而升－ 降压式的输出端与输入端的电压极性相反。利用这些特性，足以达到识别的功能。另外，在对驱动电路进行仿真时发现，斩波器的实际输出电压总是小于理论计算值，因此在实际的控制系统中就不能直接用公式确定占空比D，而要通过测量和比较，对占空比不断进行微小的修正，最终达到设定的电压电流值。

为了快速而准确地得到LED 工作所需电流值，并防止电流过大损坏器件，应该先将斩波器的PWM信号占空比D 设定为一个较小的值，同时设定一个占空比微调值△D，我们称之为步长。以步长△D 为单位不断改变占空比D 的大小直到输出端电流达到设定值。同时，步长也可以在输入端电压电流产生波动时对D 进行微调，来达到稳定电流的目的。

5 总结

通过以上几个方面的探讨和分析，对LED 驱动电路的不同形式进行了研究，并初步设计出了新型LED 驱动控制器，使其具有普适性，能适用于不同LED 负载的驱动，减少了负载不同而带来的不便，具有适应性强、调节范围大等特点，具有很好的应用前景。