无线LED照明驱动系统方案设计

        LED 光源近十年来发展达到了新月异的程度，很快应用到汽车、建筑物、医疗、景观照明等终端市场，LED 照明变得比传统照明更加可靠及高效， 在市场上也越来越普及。但LED 的安装使用却受到输电线铺设的束缚，影响了其使用场合的灵活性；同时，由于LED 本身，驱动源的高频变压器、功率开关管等非线性器件的存在，会导致引入电网中的谐波电流增大，影响电网供电质量。而目前却少见有同时考虑降低无线供电给电网带来谐波影响的无线LED 照明等成套的系统报道。因此本文给出了一套具有谐波补偿功能的LED 无线驱动方案。该方案能在方便LED 灵活安装的同时，根据光照的采集反馈来调节LED 至合适亮度。这些对LED 的普及，提高供电安全性和可靠性，高效节约电能都将十分有益。
1 系统的总体设计
本系统主要有：无线供电模块、恒流驱动源模块、有源电力滤波器（APF）模块、控制电路，系统总体框图如图1 所示。其中，逆变装置、整流滤波2 构成无线供电模块；正激变换电路、整流滤波3 构成恒流源驱动模块。MCU 通过光电池进行光照采集对输出电流进行反馈调节以使输出稳压、恒流。APF通过主控制器输出电流来抵消由无线驱动模块注入电网的电流谐波，以改善输入端电能质量。


图1 系统整体结构图

2 系统电路设计
2.1 无线供电系统设计
无线供电系统由控制端、发射端、负载整流电路组成，分别通过电磁耦合（近距离传输方式）和电磁共振（远距离传输方式），实现无线供电，系统结构图如图2 所示。


图2 无线供电系统结构图

发射端主要由逆变器和传输通道组成。逆变器负责将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置，它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。近距离逆变频率为200~500 kHz，通过电磁耦合的方式传输，使用U 形松耦合铁氧体磁芯隔离实现无线供电，如图3。


图3 近距离传输

远距离逆变频率为1 MHz，通过电磁共振的方式传输,采用空心变压器耦合， 将初级和次级分别缠绕在圆筒上，作为传输介质，达到远距离电能传输，如图4 所示。


图4 远距离传输

本系统通过智能切换传输方式，达到稳定的高效传输电能。次级在初级等效电阻与距离的关系如图5，z 为阻抗，L 为距离，只有在L0 的位置等效阻抗为最小。根据此原理，当接收距离远离L0 时，阻抗增大，初级电流减小，通过霍尔电流传感器采集初级输入电流大小，判断模式的切换。


图5 次级在初级等效阻抗


       
2.2 恒流源电路
恒流源系统主要由DC/DC 正激变换电路和MCU 控制电路组成。正激变换电路为LED 恒流驱动源，如图6。逆变器输出经整流滤波后以芯片L7824ACV 作稳压，为DC/DC 变换电路提供+24 V 输入。该结构的恒流源具有高精度输出的特点，其输出功率取决于变压器参数的选择，一般能达32 W 以上，满足大多数人LED 照明应用场合的功率要求。


图6 LED 恒流驱动电路

该电路采用TL494 作恒流控制芯片， 开关频率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）设定，通过电位器R4 调节死区时间，其电流输出误差可


       
2.3 谐波补偿系统
2.3.1 系统硬件结构
谐波补偿系统硬件主要由有源电力滤波器（APF）完成，结构如图7 所示。本文采用TMS320F2812 型号的数字信号处理器（DSP）作为核心控制和信号处理单元。调理电路主要有电流/电压传感器信号放大、整流，抗混叠滤波。电流传感器1采样负载端三相电流，通过信号调理电路送入DSP 经A/D 采集后作谐波电流萃取算法和控制算法处理，并驱动逆变器对谐波电流作相应的抵消, 以电流传感器2 采样输出的补偿电流作反馈调节。逆变器直流母线电压经霍尔电压传感器变换供给DSP 的内部A/D 采集，通过算法控制其直流侧电容电压稳定。三相电压信号的过零点作为过零触发信号，作为每个周期软件处理清零和起始信号。


图7 谐波补偿系统硬件结构框图

2.3.2 谐波电流萃取算法
1）三相瞬时无功功率原理
该补偿系统软件部分主要包括谐波电流萃取算法，采用目前常用的三相瞬时无功功率理论（亦称ip-iq 算法）。该检测法通过某一转移矩阵将三相电流与基于该理论所分解出的ip 和iq 电流分量有机地结合起来，并以此为出发点可以分别得到三相电流谐波和无功电流，其表达式为：



通过低通滤波器（LPF）可将对应基波电流的分量分离出来，由于ipf，iqf，可由基波分量iaf，ibf，icf 变换得到，因而ipf，iqf，经反变换即可得到三相电流中的iaf，ibf，icf 即：



当要求同时检测出谐波和无功电流时， 只需忽略计算ip的通道， 由ipf 计算出被检测电流的基波有功分量iapf ， ibpf ，icpf，即：



将ia，ib，ic 与iapf，ibpf，icpf 相减，即可得出ia，ib，ic 的谐波分量波和基波无功分量。
2）仿真结果
文中基于DSP 编译环境CCS3.3 的仿真模式对该算法进行仿真，假设原三相输入电流为相位差120°的50 Hz正弦波，并以单相被削波失真为例说明。图8（a）为单相削波失真波形，根据总谐波畸变率（THD）计算式：

其中Ih  为各次谐波电流的有效值，I1  为基波电流有效值， 对波形作频谱分析可计算得该相初始电流为12.2%。图8（b）为经算法提取谐波后的基波波形，经三相瞬时无功功率算法滤波后，谐波电流基本消除，原始波形被还原。


图8 三相瞬时无功功率算法消除谐波

3 结论
该系统没有电线的限制，LED 可以在无线供电接受范围内任意安装，并通过光电传感器自动感光来调节LED 亮度。同时利用有源电力滤波器谐波补偿技术， 设计出与无线驱动模块配套的消谐波装置，以滤除系统运作中的高次电流谐波，降低输电网的总谐波失真。本设计可以应用到家居、车载、场景或景观LED 照明中，有效地提高照明分布的灵活性，节约电能和减小光污染，并改善电能质量，有着广泛的应用前景。