LED照明和太陽能充電的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案

1、和太陽能充電的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案作為一種既環(huán)保又節(jié)能的解決方案，LED 照明在汽車、家庭、辦公樓、酒店、機(jī)場和路燈等廣泛的應(yīng)用場合找到了自己的用武之地。但它的大規(guī)模商用除了還要克服成本障礙以外，還需要解決調(diào)光閃爍、 散熱、色彩均勻性等技術(shù)難題。此外，對(duì)清潔能源的關(guān)注和太陽能電池板成本的下降，也帶動(dòng)了當(dāng)前業(yè)內(nèi)的太陽能商用熱潮。為了幫助讀者更快更好地把握這一商機(jī)，本刊特別邀請到了 Linear 電源專家 Tony Armstrong來分享他的獨(dú)到見解。問：采用 PWM 或模擬調(diào)光時(shí)，如何消除LED 的光閃爍現(xiàn)象？答：面對(duì)高功率、高亮度LED 普及率的日益提高，電子照明設(shè)計(jì)師必須提供高效、準(zhǔn)確和簡單

2、的 LED 驅(qū)動(dòng)解決方案。由于高功率照明燈 (如汽車前照燈或大型 LCD 顯示器背光源 )實(shí)現(xiàn)了與商用化串聯(lián) LED 陣列的互換性，因而使得此項(xiàng)任務(wù)變得更加困難。傳統(tǒng)上，利用準(zhǔn)確的電流來驅(qū)動(dòng)高功率LED 串與實(shí)現(xiàn)簡單性和高效率這兩者之間是相抵觸的，通常需要采用某種效率低下的線性穩(wěn)壓器方案或更加精細(xì)復(fù)雜的多 IC 開關(guān)穩(wěn)壓器配置。此外，確保每個(gè) LED 具有均勻的亮度且不產(chǎn)生任何閃爍也成為了主要的設(shè)計(jì)障礙。人們普遍接受的LED 亮度控制方法有兩種，即模擬調(diào)光和PWM 數(shù)字調(diào)光。 當(dāng)采用模擬調(diào)光時(shí)，LED電流的調(diào)節(jié)范圍在某個(gè)最大值至該最大值的約10% 之間 (10:1調(diào)光范圍 ) 。由于 LED

3、的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適合于某些應(yīng)用。然而， PWM 數(shù)字調(diào)光方式則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率 (通常高于 100kHz) 在零電流和最大 LED 電流之間進(jìn)行切換。 該占空比改變了有效平均電流，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 3000:1 的調(diào)光范圍 (僅受限于最小占空比 )。由于 LED 電流要么處于最大值，要么被關(guān)斷，所以該方法還具有能夠避免發(fā)生 LED 色偏的優(yōu)點(diǎn)，而在采用模擬調(diào)光時(shí)這種 LED 色偏現(xiàn)象是很常見的。問：大功率LED 照明的散熱問題應(yīng)該如何解決？答：兩種用量最大、功率最高的LED 照明應(yīng)用是大屏幕LCD TV 顯示器的背面照明和汽車前照燈。您不妨看看 Lexus(

4、雷克薩斯 )、Audi( 奧迪 )、甚至 GM( 通用 )公司的 Cadillac Escalade所使用的標(biāo)準(zhǔn) LED 汽車前照燈。所有這些汽車的總體照明結(jié)構(gòu)均很相似。每個(gè)汽車前照燈包括5 種專為各種照明要求而優(yōu)化的LED 供電光束，包括：近光燈、遠(yuǎn)光燈、轉(zhuǎn)彎輔助燈、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈。標(biāo)準(zhǔn) LED 照明光束通常將需要35W 至 50W 的供電功率。這或許看似不是很多的功率；然而，LED 提供的亮度卻達(dá)到了HID 鹵素?zé)舻?10 倍，因此 LED 的光輸出就相當(dāng)于500W 的鹵素?zé)簟＿h(yuǎn)光燈所需的功率一般與標(biāo)準(zhǔn)照明光束相同或略為高一點(diǎn)，而轉(zhuǎn)彎輔助燈、 晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈所需的功

5、率則較低。不過，該總體汽車前照燈會(huì)消耗200W 以上的電能，因而有可能產(chǎn)生重大的熱功率耗散問題。這確實(shí)不是什么好事，因?yàn)殡S著工作溫度的升高，LED 的光輸出和工作壽命將迅速降低。處理該散熱問題方法有很多種。一種是增加大量的散熱器以把熱量從照明燈移走。然而，這會(huì)產(chǎn)生另一組問題， 包括因?yàn)樯岵牧系氖褂枚鴮?dǎo)致的成本和重量的增加。 解決這一問題最有效的方法是采用一個(gè)具極高效率的驅(qū)動(dòng)器 (效率 >93%) 來最大限度地減少 LED 驅(qū)動(dòng)電路的熱耗散。這并不像聽起來那么困難，原因是一個(gè)50W的遠(yuǎn)光燈通?？捎?4 個(gè)串聯(lián)的1A LED組成。由于整個(gè)溫度范圍內(nèi)的正向電壓降約為每個(gè)LED 4V，因此升壓

6、轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠以93% 的效率將12V的標(biāo)稱電池電壓提升至剛好超過56V 。這使得僅需耗散3.5W的功率，對(duì)于該功率耗散值，在安裝了 LED 汽車前照燈的印刷電路板內(nèi)布設(shè)低等級(jí)的銅散熱器便可輕松地滿足要求。問：用太陽能電池板采集來的電能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)有哪些？答：作為在商業(yè)和住宅環(huán)境中均具實(shí)用性的一種發(fā)電方法而言，太陽能電池板已經(jīng)被人們所廣泛接受。然而，盡管在技術(shù)方面取得了進(jìn)步，太陽能電池板的造價(jià)仍然很昂貴。這種高昂的成本有很大部分來自于電池板本身，這里，電池板的尺寸(因而也包括其成本 ) 將隨著所需輸出功率的增加而增加。 因此，為了造就外形尺寸最小、成本效益

7、性最佳的解決方案，最大限度地提升電池板性能是很重要的。一般而言， 太陽能電池板所獲取的能量用于給電池充電，電池的儲(chǔ)能反過來將在沒有陽光照射的情況下為終端應(yīng)用電路的操作提供支持。如欲實(shí)現(xiàn)太陽能電池充電器的最佳設(shè)計(jì)，則必需對(duì)太陽能電池板的特性有所了解。 首先，由于具有很大的結(jié)合區(qū)，因此太陽能電池板會(huì)發(fā)生泄漏，在黑暗條件下電池將通過電池板放電。而且，每塊太陽能電池板都擁有一個(gè)具最大功率點(diǎn)的特征IV曲線，所以，當(dāng)負(fù)載特性與電池板特性不相匹配時(shí)，能量提取將有所減少。理想的情況是：電池板將在最大功率點(diǎn)上被持續(xù)加載， 以充分地利用可用的太陽能，并由此最大限度地縮減電池板成本。一般情況下， 可以采用一個(gè)與電池

8、板相串聯(lián)的肖特基二極管來解決電池板的泄漏問題。反向泄漏被減小至一個(gè)很低的數(shù)值； 然而，肖特基二極管的正向電壓降(它在高電流條件下會(huì)消耗大量的功率 ) 仍然會(huì)造成能量損失。 因此，需要采用昂貴的散熱器和精細(xì)的布局來把肖特基二極管保持于低溫狀態(tài)。 解決該功率耗散問題的一種更加有效方法是用一個(gè)基于MOSFET的理想二極管來替代肖特基二極管。這將把正向電壓降減小到低至20mV ，從而顯著地減少功耗，同時(shí)降低散熱布局的復(fù)雜性、外形尺寸和成本。幸運(yùn)的是，由于已經(jīng)有一些IC 供應(yīng)商制造出了具有這種規(guī)格的理想二極管 (比如：由凌力爾特公司提供的LTC4412) ，因此上述目標(biāo)得以輕松實(shí)現(xiàn)。不過，有兩個(gè)問題依然

9、存在， 即：“至滿充電電池的浮動(dòng)電壓控制”和 “在最佳發(fā)電點(diǎn)給電池板加載”。這些問題常?？梢酝ㄟ^采用一個(gè)開關(guān)模式充電器和一個(gè)高效率降壓型穩(wěn)壓器來加以解決。凌力爾特已經(jīng)開發(fā)出了這樣一款電路，它由 LTC1625 No RESNSE(制器、 LTC1541 微功率運(yùn)算放大器、比較器和基準(zhǔn)、以及LTC4412了該電路以供參考：無檢測電阻器 )同步降壓型控理想二極管組成。下面給出圖 1 中的電路被置于太陽能電池板和電池之間，用于調(diào)節(jié)電池浮動(dòng)電壓。基于 LTC1541 的附加控制環(huán)路強(qiáng)制充電器在最大電池板功率點(diǎn)上運(yùn)作。 這種效率的提升縮減了所需的電池板尺寸， 因而降低了總體解決方案的成本。 當(dāng)電池板峰值

10、電源電壓和電池電壓之間存在失配時(shí)， 這款電路的重要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)得尤為突出。圖 1：峰值功率跟蹤降壓充電器最大限度地提高了效率問： Linear 提供了哪些獨(dú)特的解決方案來解決以上設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？答：為了滿足 LED 驅(qū)動(dòng)以及太陽能電池板電池充電器的設(shè)計(jì)需要，凌力爾特提供了各種各樣的產(chǎn)品。 LT3595 、 LT3518 和 LT3755 便是其中一些產(chǎn)品。此類產(chǎn)品和LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的一個(gè)實(shí)例是凌力爾特的LT3595 降壓模式LED 驅(qū)動(dòng)器， 它具有 16個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道能夠從高達(dá)45V 的輸入來驅(qū)動(dòng)一個(gè)由多達(dá)10 個(gè) 50mA LED所組成的LED 串。每個(gè)通道可用于驅(qū)動(dòng) 10 個(gè)串聯(lián) LE

11、D 以提供局部調(diào)光。于是，每個(gè) LT3595 都能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá) 160 個(gè) 50mA 白光 LED 。一臺(tái) 46 英寸 LCD TV 將需要為每部 HDTV 配用約 10 個(gè) LT3595 。它的 16 個(gè)通道均可以獨(dú)立控制，并具有一個(gè)能夠提供高達(dá)5000:1 PWM調(diào)光比的單獨(dú)PWM 輸入。每個(gè)通道只需要一個(gè)纖巧的片式電感器和一個(gè)甚至更加小巧的陶瓷輸出電容器。所需的其他元件僅為單個(gè)輸入電容器和電流設(shè)定電阻器(圖 2)。所有 16 個(gè)通道的箝位二極管、電源開關(guān)和具補(bǔ)償功能的控制邏輯電路都被壓縮在LT3595 的相對(duì)較小56 引腳、 5mm x 9mm QFN封裝之內(nèi)。圖 2：一個(gè)從 45V 輸入

12、來驅(qū)動(dòng) 160 個(gè)白光 LED 的 16 通道 LED 驅(qū)動(dòng)器。PWM 調(diào)光比為 5000:1 。大多數(shù)電池供電型便攜式產(chǎn)品均具有一個(gè)或多個(gè)顯示屏，用于向用戶傳遞圖形信息。然而，TFT-LCD 顯示屏 (甚至 OLED 屏) 的供電需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)師給予特別的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn) TFT-LCD屏的正確供電， 一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器必需要能夠以正確上電和斷電排序來提供三個(gè)獨(dú)立的輸出電壓，即： AVDD 、 VON 和 VOFF 。凌力爾特認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并開發(fā)出了專門針對(duì)該用途的專用單片式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。最新推出的一款器件是我們的LT3513 。該轉(zhuǎn)換器具有 5 個(gè)獨(dú)立受控的穩(wěn)壓器，用于提供一個(gè)

13、TFT-LCD 屏內(nèi)部所有必要的電源軌。其降壓型穩(wěn)壓器能夠?yàn)檫壿嬰娫窜壿斔透哌_(dá)1.2A 的連續(xù)輸出電流。可以利用LDO 控制器和一個(gè)外部 NPN MOSFET產(chǎn)生一個(gè)較低電壓輔助邏輯電源。一個(gè)高功率升壓型轉(zhuǎn)換器(ISW =1.5A) 、一個(gè)較低功率升壓型轉(zhuǎn)換器(ISW = 250mA)和一個(gè)負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器(ISW = 250mA) 提供了三個(gè)獨(dú)立的輸出電壓，即：LCD 屏通常需要的 AVDD 、 VON 和 VOFF 。一個(gè)集成高壓側(cè)PNP 提供了 VON 信號(hào)的延遲接通，而顯示屏保護(hù)電路則將在4 個(gè)輸出中的任一個(gè)低于其編程輸出電壓達(dá) 10% 以上時(shí)停用 VON ，從而起到保護(hù) TFT-LCD屏

14、的作用。其他特點(diǎn)包括集成肖特基二極管、用于 AVDD 引腳的 PGOOD 引腳、輸出斷接以及用于降壓型穩(wěn)壓器的電感器電流檢測功能。LT3755/-1 是一款 60V 、高壓側(cè)電流檢測DC/DC 控制器，專為從一個(gè) 4.5V至 40V的輸入電壓范圍來驅(qū)動(dòng)高電流 LED 而設(shè)計(jì)。 LT3756/-1 采用了相同的設(shè)計(jì)， 但可以從 6V 至 100V 的輸入來提供至 100V 的輸出。這兩款器件的 “-1”版本均具備外部同步能力，而標(biāo)準(zhǔn)器件版本則用一個(gè)開路 LED 狀態(tài)指示器替代了該引腳的功能。這兩款器件都非常適合于眾多的應(yīng)用，包括汽車、工業(yè)和建筑照明。對(duì)于那些需要高于40V 輸入電壓( 比如：48

15、V 電源軌 ) 的應(yīng)用，LT3756/-1 將是優(yōu)選的解決方案。LT3755/-1和 LT3756/-1均采用一個(gè)外部N 溝道 MOSFET ，并能夠從一個(gè)12V ( 標(biāo)稱值 ) 輸入來驅(qū)動(dòng)多達(dá)14 個(gè) 1A 白光 LED ，從而提供了50W 以上的功率。它們內(nèi)置了一個(gè)高壓側(cè)電流檢測電路，因而使其能夠在升壓、降壓、降壓 -升壓或 SEPIC 和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用。LT3755/-1和 LT3756/-1 在升壓模式中能提供超過 94% 的效率，從而免除了任何增設(shè)外部散熱裝置的需要。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在 100kHz 至 1MHz 的范圍內(nèi)設(shè)置頻率， 因而優(yōu)化了效率， 并最大限度地縮減了外部元件的尺寸和成本。 再加上所采用 3mm× 3mm QFN 封裝或耐熱性能增強(qiáng)型封裝，LT3755/-1 和 LT3756/-1 提供了一款