惠州市技师学院 牟丽霞

1 研究背景及意义

在一些不发达国家和地区，不管在农村还是城市，停电还是时有发生，给生活带来不方便，随着LED的普及应用，LED灯节能，使用时间长，若能在LED灯中加入应急灯元素，即LED灯既可以作为普通照明灯具又能在停电时起到应急的作用，能给生活带来更多便利。经过调研发现，通常市面上的应急灯需要额外安装，和普通照明有严格区分，只在停电后点亮，且点亮后不能关闭；也有少量的集应急照明和普通照明为一体的LED灯，但这些灯只能单个使用，不能和其它灯或设备（如风扇）并联使用，若并联使用当开关断开，供电系统正常的情况下也会产生应急照明，电池的损耗较大。

针对以上问题，本文介绍一种波形加阻抗检测的通用电路设计，供电系统正常时当做普通LED灯使用，供电系统断电时当做应急灯使用，并且在应急状态下也可根据实际需要进行开关，能和其他设备并联使用。该设计成本低，使用方便，扩展性强，可应用于灯管，吸顶灯，平板灯，球泡灯等。

2 重点工作原理

2.1 恒流源工作原理

恒流源,是一种能向负载提供恒定电流的电源装置，它在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大等特点。本设计中使用一款高精度原边反馈的LED恒流驱动芯片BP9022，BP9022采用原边反馈模式，无需次级反馈电路，也无需补偿电路，只需极少的外围元件即可实现恒流输出。其输入电流为：

其中，NP是变压器主级绕组的匝数，NS是变压器次级次级绕组的匝数，IP_PK是变压器主级端的峰值电流，其计算公式如下：

RCS为电流采样的电阻阻值。

2.2 运算放大器模型及比较器检波输出

有限增益运放模型的符号和转移特性曲线如图1所示：

图1 有限增益运放模型的符号和转移特性曲线

由于实际运放的输入电流非常小，可以认为i-=i+=0，这意味着运放的输入电阻为无限大，相当于开路。图5－9(b)所示转移特性曲线是图5－8实际运放转移特性曲线的分段线性近似。有限增益运放模型可以由以下方程描述：

随着运放输入信号幅度的不同，有限增益模型可以工作于线性区、正饱和区和负饱和区。

当输入端没有反馈输入时，运算放大器可看做是电压比较器，实现对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高低。

3 系统设计

本文所研究的新型智能应急灯电源设计首先要作为普通LED在市电正常时能够点亮，其次要能在市电断电情况下能够启动电池供电，功能看似简单，但实际应用中必须考虑应急状态下开关的检测，以及电路中一般情况下还并联有其他设备时开关断开情况下可能误判有应急照明需求等等。

为解决实际应用中的种种问题，本设计采用模块化设计，同时还包含硬件和软件部分，各模块结构清晰，功能明确。本设计中共有7个功能模块，其中硬件部分的核心为阻抗和波形检测相结合来判断是否需要应急电池供电，难点为波形检测中信号放大后信号仍然很弱，且稳定性差，需要进行比较器检波输出；软件部分主要实现波形频率计数，并根据市电开关是否闭合来控制LED灯的亮灭，难点为考虑波形计时越界处理。系统结构框图如图2所示：

图2 一种新型LED智能应急灯电源设计结构框图

3 关键硬件设计

3.1 恒流电路和电池充电电路

根据恒流源工作原理，本部分主要实现在市电开关闭合且市电正常供电情况下，由恒流驱动芯片BP9022向开关变压器初级绕组供电，同时次级绕组把电流整理滤波后供给LED直流开关点亮LED灯；其次，次级绕组提供的恒定电流被整理滤波后在电池未饱和情况下向电池充电，以供市电断开时应急照明之用。电路图如图3所示。

3.2 阻抗检测电路

本部分主要实现并联阻抗的检测，这部分检测电路由电池供电电路提供电源。开关闭合情况下，若有220V交流信号，此信号经限幅处理后变成方波输出给CPU，若无220V交流信号则输出高电平给CPU，这两种情况CPU都处于工作状态；开关断开情况下，整个供电电路中的其他用电设备相当于一个电阻，整个阻抗检测电路相当于经过这个电阻后与大地导通，整个阻抗检测电路输出一个低电平给CPU，让CPU处于休眠省电状态。检测电路如图4所示。

图3 恒流电路和电池充电电路

图4 阻抗检测电路

3.3 波形检测电路

若电网断电，此部门电路不输出信号；若电网供电正常，开关钳位限辐后，把220V电压限制在-0.7V至4.7V之间保护整个电路，限幅后的信号经过一个电压串联负反馈放大电路把微弱的信号放大，但此信号会出现不稳定情况，为解决这个问题本设计中再次运用比较器进行比较整形，并把比较器两个同向和反向输入端接在一起让直流信号输出稳定的矩形波，此矩形波送给微控制器用于脉冲计算。电路图如图5所示：

图5 波形检测电路

图6 电池保护电路

3.4 电池保护电路（见图6）

此部分电路采用电池保护芯片XB5353B，主要是为了保护电池使用过程中的特殊情况，包括过充，过放以及输出短路。电池除了给灯珠供电以外，还要给微控制器，阻抗检测电路，放大电路提供电源。

4 软件设计

设计电路中的控制中心采用一种性价比较高的8位微控制器MK6A13P，包含可编程只读存储器、数据存储器、定时器、计数器、4MHz RC振荡器、中断、复位、I/O口等电路。用于判断市电是否供电正常，电网供电正常检测市电频率是否为50Hz，若不为50Hz且市电开关已闭合则允许电池供电电路工作，否则检测到50Hz信号且市电开关已闭合则不允许电池供电电路工作，若市电开关已断开则不管是否有50Hz信号都不允许电池供电电路工作，软件设计流程图如图7所示。

图7 MCU工作流程图

5 测试结果

本文中所实现的这种新型LED智能应急灯电源设计目前已进入实际应用阶段，包含电网供电点亮、电池供电应急点亮、电池供电应急熄灭三种工作状态，各种工作状态的逻辑关系，以及测试参数见表1。

表1 应急照明灯工作状态与关键点电参数

6 结论

本文中所设计的这种新型LED智能应急灯电源应用微控制器对重要数据进行处理，实现了普通LED灯也能当做应急灯应用的设计初衷，同时采用阻抗与波形检测结合的方式，有效地解决了电路中并联有其它类型的灯或设备会误产生应急照明的情况。除此之外，该电路模块非常小，适用于各种各样外观造型的LED灯具，用户也可根据照明时间长短选择合适的电池，同时该电路采用模块化设计便于系统扩展，如还可以进一步加入人体红外检测，蓝牙通信等使其变得更加智能。目前，该设计已应用于企业批量化生产中，实际生产和使用情况表明，该设计稳定可靠，成本较低，使用简单方便，具有广阔的应用前景。