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智慧路灯控制系统及电源设计探讨

时间：2022-09-21 16:59:38

智慧路灯控制系统及电源设计探讨

摘要：设计了一种应用于智慧路灯控制系统的双路输出AC-DC开关电源。文中介绍了所设计电源的电路构成、性能特点，详细分析了电压输出反馈控制原理和反激变压器的参数设计。应用实测结果表明，电源电路设计合理，该电源具有输出稳压性较好和输出电压品质高等优点。

关键词：智慧路灯；控制系统；AC-DC开关电源；变压器；电压输出；智慧城市

近年来，城市智慧路灯被大范围地推广使用，它已经成为重要的物联网信息采集来源，是智慧城市的一个重要组成部分和重要建设入口。控制系统的供电电源作为智慧路灯设计的核心部分，目前仍存在效率低、防雷等级低、寿命短及可靠性差等问题[1-4]。本文针对上述问题，设计了一种抗EMI的AC-DC开关电源，电源输入为220V/50Hz工频交流电，输出一路直流15V和一路直流5V。输出电压5V通过光耦TLP185和稳压芯片TLV431进行直接反馈，实现稳压输出。15V输出电压的稳压控制是通过变压器次级线圈的匝比调节控制。

1电源系统设计

本设计主电路采用的是单端反击拓扑结构。对于220V-AC输入，通过EMI滤波器增强抗电磁干扰能力，再通过全桥整流变成直流输入，两路输出分别为15V/1A和5V/2A。相比传统开关电源设计，本文采用了TopSwitch-HX交流/直流转换控制芯片TOP253PN，把高压功率MOSFET、PWM控制器集成到单个CMOS芯片中。为了消除变压器漏感引起的变压器原边尖峰电压，电源设计时在变压器原边端并联了由电阻、电容和二极管组成的RCD吸收电路。主电路如图1所示。智慧路灯控制系统的AC-DC电源设计陈星，周峰，许子航，刘朔源（扬州工业职业技术学院，江苏扬州225127）摘要：设计了一种应用于智慧路灯控制系统的双路输出AC-DC开关电源。文中介绍了所设计电源的电路构成、性能特点，详细分析了电压输出反馈控制原理和反激变压器的参数设计。应用实测结果表明，电源电路设计合理，该电源具有输出稳压性较好和输出电压品质高等优点。

2电路参数设计

2.1电压控制回路参数设计电源中的输出电压反馈控制部分是由电源控制芯片TOP253PN、稳压器TLV431A和光耦TLP185GR等主要器件组成。根据器件手册可知，TLV431A作为电压基准源，提供VREF=2.5V的参考电压和IREF=0.15μA的参考端电流。为了可靠运行，稳压器通常利用串入限流电阻，使得实际电流在参考电流100倍以上[6-7]，由此根据公式（1），将R23取值10kΩ。（1）根据串联电阻分压原理，本设计中利用TLV431A作为基准电压源提供2.5V电压，结合电阻R23和电阻R25分压特性可得式（2），R25取值为10kΩ。（2）由TLV431A数据手册可知，器件正常工作电流必须要达到0.1mA，因此有：（3）根据光电耦合器TLP185GR的数据手册可知，该款光耦的电流传输比CTR为80%～160%，导通压降VF为1.2V，正向导通电流IF为5mA，故：由公式（3）和（4）可得，R15=150Ω，R19=1kΩ。2.2高频变压器设计2.2.1变压器磁心选择根据窗口面积法（AP法）[8-10]，计算参数AP公式如下：（5）其中：K为窗口系数，取0.4；Kf为波形系数，方波取4；fs为变压器工作频率，取150kHz；Bw为工作磁通密度，取1.4T；J为绕组电流密度的比例系数，取400A/cm2；PT=20W。通过计算得AP=0.32cm4，根据磁心AP值查表，本设计高频变压器磁心选择EE25/19锰锌铁氧体。2.2.2变压器绕组匝数原边一次侧绕组匝数NP为：NVDTBAPminDCS3试验结果及波形为了验证设计，设置实验条件如下：输入电压VAC=220V，开关频率为150kHz，输出电压分别为15V和5V；负载为实际负载，即智慧路灯中央控制器。实验数据见表1所列。从实验结果来看，输出电压1，即15V输出电压的平均值为15.1V；输出电压2，即5V输出电压的平均值为5.05V。为了验证电源的电压品质，对输出电压的纹波进行检测，输入端为市电220V-AC，输出电压1纹波峰峰值为328mV；输出电压2纹波峰峰值为228mV。输出电压波形和输出纹波分别如图4、图5所示。根据样机实测结果可知，本文设计的AC-DC开关电源的输出电压品质符合设计性能要求，能满足实际工况应用。

3结语

本文设计了一款应用于智慧路灯控制系统的双路输出AC-DC开关电源。经过实验测试，该电源成功克服了传统双路输出电源的防雷等级低、寿命短及可靠性差等弊端。该电源有输出稳压性能好和输出电压品质高等优点，具备良好的通用性。注：本文通讯作者为周峰。

参考文献

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