LED应急照明灯驱动电路设计

标签：LED  照明  光源

应急照明灯是一种十分重要的照明装置，在正常供电时自动对后备蓄电池充电，在电源停电后自动切换蓄电池供电，提供应急照明功能，在高层建筑、教学楼、商场和娱乐场所等人员密集的地方得到广泛应用。由于它涉及到建筑物发生火灾时人员的安全疏散、消防应急照明和方向指示等项内容，在消防救援中扮演着十分重要的角色，甚至被人们称作“生命之灯”。采用LED 作为应急照明的应急灯，具有寿命长、能耗低、显色性高、易维护、体积小、点亮速度快、无频闪，发光效率远高于传统光源，无有害金属汞，非常环保等优点，而成为主流产品。LED 应急照明灯的设计在考虑《消防应急灯具》国家标准(GB17945-2000)的前提下，主要从实现的功能、主要技术指标要求、应急照明电路设计、正常照明与充电控制电路设计和自动应急转换电路设计等方面进行综合设计。

LED 应急照明灯实现的主要功能如下：

(1)自动切换功能。断电发生时，内置的控制电路在5s 内(高危险区域在0.25s 内)自动切换电源，进入应急状态。市电恢复供电时，自动切换回充电状态。

(2)恒流充电功能。充电时，红色和绿色指示灯亮，充满时，红色指示灯熄灭，此时转入涓流充电状态;绿色指示灯显示主电状态，市电正常接入即点亮。

(3)故障检测功能。如电池保险丝断或接触不良，或内部控制电路不正常，内置的自检电路将自动点亮黄色指示灯。

(4)过放电保护功能。当电池电压放电到额定电压的80%时，电子开关立即切断放电回路，可确保电池的长寿命。

(5)试验按钮功能。在主电正常供电的条件下，按下试验按钮等同于切断外部电源，用于模拟停电状态试验。在主电断电的条件下按下该按钮，可以关闭应急照明灯。

2 应急照明灯的主要技术指标:

按照国家标准(GB17945-2000)，LED 应急照明灯应该达到的主要技术指标。

(1)消防应急灯具的应急工作时间应不小于90min，且不小于灯具本身标称的应急工作时间。

(2)消防应急灯具应设主电、充电、故障状态指示灯。主电状态用绿色，充电状态用红色，故障状态用黄色。集中电源型消防应急灯具应设主电和应急电源状态指示灯，主电状态用绿色，应急状态用红色。主电和应急电源共用供电线路的消防应急灯具可只用红色指示灯。

(3)消防应急灯具应有过充电保护和充电回路短路保护。消防应急灯的充电时间应不大于24h，最大连续过充电电流不应超过0.05C5A(1C 表示电池容量电流,0.05C 为0.05 倍电池容量电流;C5表示5 小时的容量放电时间)。集中电源型消防应急灯具使用免维护铅酸电池时最大充电电流不应大于0.4 C20A。

(4)消防应急灯具应有过放电保护。电池放电终止电压应不小于额定电压的80%， 放电终止后，在未重新充电条件下，即使电池电压恢复，消防应急灯具也不应重新启动，且静态泄放电流应不大于10-5 C5A。集中电源型消防应急灯具使用免维护铅酸电池时最大放电电流不应大于0.6 C20A。电池放电终止电压应不小于电池额定电压的90%, 静态泄放电流应不大于10-5 C20A。

(5)消防应急灯具在主电电压为187～242V 范围内，不应转入应急状态。

(6)消防应急灯具由主电状态转入应急状态时的主电电压应在132～187V 范围内。由应急状态恢复到主电状态时的主电电压应不小于187V。

(7)消防应急灯具的主电源输入端与壳体之间的绝缘电阻应不小于50MΩ， 有绝缘要求的外部带电端子与壳体间的绝缘电阻应不小于20 MΩ。

(8)消防应急灯具的主电源输入端与壳体间应能耐受频率为50Hz±1%, 电压为1500V±10%， 历时60s±5s 的试验。消防应急灯具的外部带电端子(额定电压≤50VDC) 与壳体间应能耐受频率为50 Hz±1%、电压500V±10%，历时60s±5s 的试验。试验期间，消防应急灯具不应发生表面飞弧和击穿现象， 试验后，消防应急灯具应能正常工作。

3 LED 伏安特性与供电要求:

按照发光颜色的不同，LED 可以分为蓝光Blue(InGaN) 470nm， 绿光Green (GaP:N)550 nm， 黄光Yellow (GaP:N -N) 587 nm， 红光Red (InGaAlP)617nm， 超红光Super-Red (InGaAlP) 630nm， 白光LED 等产品。由于它们的固有特性存在差异性,所以应用时需要为其设计不同的供电电源。

3.1 标准红光、绿光和黄光LED 的伏安特性对于5mm 直径的标准红光、绿光和黄光LED,其正向导通电压(VF)与正向电流(IF)的函数曲线如图1 所示。由图1 可知，标准红光、绿光和黄光LED 具有1.4～2.6V 的正向导通电压，且正向压降随着正向电流的增大而增加。当正向电流低于10mA 时,正向导通电压仅仅改变几百毫伏。

使用LED 最简单的方法是将一个电压源施加到一个电阻与LED 相串连的回路，只要工作电压保持恒定,LED 就可以发出恒定强度的光(尽管随着环境温度的升高光强会减小)，通过改变串联电阻的阻值能够将光强调节至所需要的强度。例如，外加5V电源， 正向工作电流为10mA 的绿光LED 应该有2V 的恒定工作电压,那么串接电阻为R=(5 -VF)/10mA = 300Ω

3.2 蓝光和白光LED 的伏安特性

蓝光(InGaN)LED 的显示波长(色彩)会随着正向电流的变化而改变，如图2 所示。蓝光LED 的正向伏安特性是图3 众多曲线之一。

当工作电流在4～10mA 范围时，其正向电流/电压变化率为ΔI/ΔV=2.6mA/0.1V;

当工作电流在10mA 以上时，其正向电流/电压变化率为ΔI/ΔV=3.3mA/0.1V。真正发射白光的LED 是不存在的， 因为LED的特点是只发射一个波长的光线。为此， 在白光LED 设计中，采用了在发射蓝光InGaN 基料上覆盖转换材料,这种材料在受到蓝光激励时会发出黄光，于是得到了蓝光和黄光的混合物, 在肉眼看来就是白色的。一组随机挑选的白光LED 的电流-电压曲线如图3 所示。

由图3 可知，白光LED 要求高于3V 的电压驱动， 正向电流为10mA 时, 正向电压的范围为3.5～3.8V。直接用电池驱动白光LED 是很困难的,因为绝大数电池会随着放电使电压低于LED 所需要的最小正向导通电压而截止。锂电池在完全充满电时可以提供4.2V 的输出电压,在很短的一段工作时间内会下降到标称3.5V 电压，随着电池放电,其输出电压会进一步下降到3.0V，可以满足直接驱动照明LED 的供电要求。

对于这些白光LED，施加3.3V 电压(图3 右虚线) 会产生2～5mA 的正向电流, 导致不同亮度的白光。许多便携式或采用电池供电的设备使用白光LED 作为背光，例如PDA 彩色显示器需要白色背景光，要求恢复色彩与原物接近。在这些白光照明要求较高的应用中，单个白光LED 的照明亮度是不够的,需要同时点亮几只白光LED， 但必须采用特定的供电方式，以确保它们的强度和色彩一致,即使在电池放电或其它条件变化时也应如此， 所以一般采用带有电流控制的电荷泵作为白光LED 的供电电源，它能提供一个足够高的输出电压, 并且在并联连接的LED 上加载同样的电流。如Maxim 提供带有电流控制的电荷泵(采用MAX1912 芯片)，可以同时并联驱动3 个以上的白光LED,输出电流可达60mA。

4 LED 应急照明灯控制电路设计:

4.1 变压、整流与滤波电路设计

在正常情况下一般由AC220V 市电供电，为此设计了变压、整流、滤波电路，如图4 所示。其作用是：AC220V 经变压器T1 降压为AC8V 电压，经D1～D4 桥式整流和C1 滤波后，得到直流电压，供给充电电路和其它电路使用。

4.2 状态指示电路设计

本应急照明灯主要有主电供电状态、充电工作状态和电路故障状态3 种工作状态，分别用标准的绿光LED、红光LED 和黄光LED 来指示，根据控制要求设计了主电指示、充电指示、故障指示电路和工作状态检测电路，如图5 所示。

(1)主电供电状态。当接通主电电源后，经降压、整流和滤波后得到的直流电压， 经过R1、Rx、D10 限流后，使主电指示灯D10(绿)亮，D10 正向导通电压为2V， 正常显示电流10～20mA; 主电断电后，主电指示灯D10 熄灭。

(2)充电工作状态。刚开始充电时，充电电池电压较低，Q4 截止， 整流、滤波后的直流电压经R1、R9、D11 限流后，使充电指示灯D11(红)亮,D11 正向导通电压为1.8V，正常显示电流10～20mA;当电池电压升高到一定值时，导致D7 截止，并经R8→R10→Q4(9013)通路，使Q4 导通，从而使红灯D11熄灭。

(3)电路故障状态。在主电供电的情况下，当电池失效或者与之串联的保险管熔断后，施加的直流电压高于6.8V 使稳压管D9 工作，再经过R12 使故障灯D12(黄)亮,D12 正向导通电压为2V，正常显示电流10～20mA。当主电断电后，故障灯D12 熄灭。

4.3 应急转换电路设计

当主电正常供电时，整流、滤波后的直流电压经R8、D7 限流后，给电池BT 充电;同时，该真流电压经R1、R3，对C2 充电，为应急转换做好准备，并使Q1 导通，但由于C 点电位高于A 点电位，而使D5 和Q2 截止。

当主电由供电转为断电时，C2 上的充电压使Q1 继续保持导通状态，C 点由高电位转为低电位，使D5 和Q2 导通， 充电电池向LED 应急照明电路供电。选择蓄电池容量为3.6V/300mAh，在LED 照明电路电流小于等于200mA 的情况下， 确保LED应急照明工作时间不小于90min。在主电正常供电的情况下，闭合试验按钮SB，则模拟主电断电而进入应急照明状态，打开试验按钮恢复主电供电状态。

根据上述控制要求，设计的应急照明灯的应急转换电路，如图6 所示。

4.4 LED 应急照明电路

该应急照明灯的应急照明功能是由白光LED来实现的， 由于单只白光LED 的发光亮度有限，不能满足实际要求而使用了多只LED，设计的控制电路如图7 所示。为了照明光线的均匀性，将应急照明电路做成2 块板，分布在底座的两边，每块应急照明板上均安装了4 只白光LED，每只LED 的正向导通电压为3V 左右， 正向工作电流范围为10～30mA。同时，为了避免LED 正向导通电压的离散性而导致功率消耗不均衡的问题，每只LED 串联一只电阻后再并联使用。在本设计中共使用了8 路白光LED 电路，总的工作电流不能超过200mA，即每个LED 回路的工作电流不能超过25mA， 以保证应急工作时间不小于90min。

5 结论:

随着LED 技术的不断发展和成本的下降，LED在应急照明及日常生活中将扮演越来越重要的角色。在开发设计应急照明灯的控制电路时，要根据国家有关标准要求，充分考虑各种光谱LED 的电光特点，从高效率、高可靠的角度出发完成LED 驱动电路设计，是保证LED 得到广泛应用的基础。