智慧路燈控制系統及電源設計探討

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摘要：設計了一種應用于智慧路燈控制系統的雙路輸出AC-DC開關電源。文中介紹了所設計電源的電路構成、性能特點，詳細分析了電壓輸出反饋控制原理和反激變壓器的參數設計。應用實測結果表明，電源電路設計合理，該電源具有輸出穩壓性較好和輸出電壓品質高等優點。

關鍵詞：智慧路燈；控制系統；AC-DC開關電源；變壓器；電壓輸出；智慧城市

近年來，城市智慧路燈被大范圍地推廣使用，它已經成為重要的物聯網信息采集來源，是智慧城市的一個重要組成部分和重要建設入口。控制系統的供電電源作為智慧路燈設計的核心部分，目前仍存在效率低、防雷等級低、壽命短及可靠性差等問題[1-4]。本文針對上述問題，設計了一種抗EMI的AC-DC開關電源，電源輸入為220V/50Hz工頻交流電，輸出一路直流15V和一路直流5V。輸出電壓5V通過光耦TLP185和穩壓芯片TLV431進行直接反饋，實現穩壓輸出。15V輸出電壓的穩壓控制是通過變壓器次級線圈的匝比調節控制。

1電源系統設計

本設計主電路采用的是單端反擊拓撲結構。對于220V-AC輸入，通過EMI濾波器增強抗電磁干擾能力，再通過全橋整流變成直流輸入，兩路輸出分別為15V/1A和5V/2A。相比傳統開關電源設計，本文采用了TopSwitch-HX交流/直流轉換控制芯片TOP253PN，把高壓功率MOSFET、PWM控制器集成到單個CMOS芯片中。為了消除變壓器漏感引起的變壓器原邊尖峰電壓，電源設計時在變壓器原邊端并聯了由電阻、電容和二極管組成的RCD吸收電路。主電路如圖1所示。智慧路燈控制系統的AC-DC電源設計陳星，周峰，許子航，劉朔源（揚州工業職業技術學院，江蘇揚州225127）摘要：設計了一種應用于智慧路燈控制系統的雙路輸出AC-DC開關電源。文中介紹了所設計電源的電路構成、性能特點，詳細分析了電壓輸出反饋控制原理和反激變壓器的參數設計。應用實測結果表明，電源電路設計合理，該電源具有輸出穩壓性較好和輸出電壓品質高等優點。

2電路參數設計

2.1電壓控制回路參數設計電源中的輸出電壓反饋控制部分是由電源控制芯片TOP253PN、穩壓器TLV431A和光耦TLP185GR等主要器件組成。根據器件手冊可知，TLV431A作為電壓基準源，提供VREF=2.5V的參考電壓和IREF=0.15μA的參考端電流。為了可靠運行，穩壓器通常利用串入限流電阻，使得實際電流在參考電流100倍以上[6-7]，由此根據公式（1），將R23取值10kΩ。（1）根據串聯電阻分壓原理，本設計中利用TLV431A作為基準電壓源提供2.5V電壓，結合電阻R23和電阻R25分壓特性可得式（2），R25取值為10kΩ。（2）由TLV431A數據手冊可知，器件正常工作電流必須要達到0.1mA，因此有：（3）根據光電耦合器TLP185GR的數據手冊可知，該款光耦的電流傳輸比CTR為80%～160%，導通壓降VF為1.2V，正向導通電流IF為5mA，故：由公式（3）和（4）可得，R15=150Ω，R19=1kΩ。2.2高頻變壓器設計2.2.1變壓器磁心選擇根據窗口面積法（AP法）[8-10]，計算參數AP公式如下：（5）其中：K為窗口系數，取0.4；Kf為波形系數，方波取4；fs為變壓器工作頻率，取150kHz；Bw為工作磁通密度，取1.4T；J為繞組電流密度的比例系數，取400A/cm2；PT=20W。通過計算得AP=0.32cm4，根據磁心AP值查表，本設計高頻變壓器磁心選擇EE25/19錳鋅鐵氧體。2.2.2變壓器繞組匝數原邊一次側繞組匝數NP為：NVDTBAPminDCS3試驗結果及波形為了驗證設計，設置實驗條件如下：輸入電壓VAC=220V，開關頻率為150kHz，輸出電壓分別為15V和5V；負載為實際負載，即智慧路燈中央控制器。實驗數據見表1所列。從實驗結果來看，輸出電壓1，即15V輸出電壓的平均值為15.1V；輸出電壓2，即5V輸出電壓的平均值為5.05V。為了驗證電源的電壓品質，對輸出電壓的紋波進行檢測，輸入端為市電220V-AC，輸出電壓1紋波峰峰值為328mV；輸出電壓2紋波峰峰值為228mV。輸出電壓波形和輸出紋波分別如圖4、圖5所示。根據樣機實測結果可知，本文設計的AC-DC開關電源的輸出電壓品質符合設計性能要求，能滿足實際工況應用。

3結語

本文設計了一款應用于智慧路燈控制系統的雙路輸出AC-DC開關電源。經過實驗測試，該電源成功克服了傳統雙路輸出電源的防雷等級低、壽命短及可靠性差等弊端。該電源有輸出穩壓性能好和輸出電壓品質高等優點，具備良好的通用性。注：本文通訊作者為周峰。

參考文獻

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作者：陳星 周峰 許子航 劉朔源 單位：揚州工業職業技術學院