LED照明和太陽能充電的挑戰(zhàn)

1、LED照明和太陽能充電的技術挑戰(zhàn)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、機場和路燈等廣泛的應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，還需要解決調光閃爍、散熱、色彩均勻性等技術難題。此外，對清潔能源的關 注和太陽能電池板成本的下降，也帶動了當前業(yè)內的太陽能商用熱潮。為了幫助讀者更 快更好地把握這一商機，本刊特別邀請到了Lin ear電源專家Tony Armstro ng 來分享他的獨到見解。問：采用PWM或模擬調光時，如何消除LED的光閃爍現(xiàn)象？答：面對高功率、高亮度 LED普及率的日益提高，電子照明設計師必須提供高效、準 確和簡單的

2、LED驅動解決方案。因為高功率照明燈（如汽車前照燈或大型LCD顯示器 背光源 實現(xiàn)了與商用化串聯(lián)LED陣列的互換性，因而使得此項任務變得更加困難。 傳統(tǒng)上，利用準確的電流來驅動高功率LED串與實現(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復雜的多IC開關穩(wěn)壓器配置。此外，確保每個 LED具有均勻的亮度且不產生任何閃爍也成為了主要的設 計障礙。人們普遍接受的LED亮度控制方法有兩種，即模擬調光和 PWM數(shù)字調光。當采用模 擬調光時，LED電流的調節(jié)范圍在某個最大值至該最大值的約10%之間（10:1調光范圍。因為LED的色譜與電流有關，因此這種方法并不適

3、合于某些應用。然而， PWM 數(shù)字調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電流之間進行切換。該占空比改變了有效平均電流，從而實現(xiàn)了高達 3000:1的調光范圍（僅受限于最小占空比 。因為LED電流要么處于最大值，要么被 關斷，所以該方法還具有能夠避免發(fā)生LED色偏的優(yōu)點，而在采用模擬調光時這種LED色偏現(xiàn)象是很常見的。問：大功率LED照明的散熱問題應該如何解決？答：兩種用量最大、功率最高的 LED照明應用是大屏幕LCD TV顯示器的背面照明和 汽車前照燈。您不妨看看 Lexus（雷克薩斯、Audi（奧迪、甚至GM（通用 公司的 Cadillac

4、Escalade所使用的標準LED汽車前照燈。所有這些汽車的總體照明結構均 很相似。每個汽車前照燈包括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、遠光燈、轉彎輔助燈、晝間行駛燈和轉向信號指示燈 標準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提供的亮度卻達到了 HID鹵素燈的10倍，因此LED的光輸出就相當 于500W 的鹵素燈。遠光燈所需的功率一般與標準照明光束相同或略為高一點，而轉 彎輔助燈、晝間行駛燈和轉向信號指示燈所需的功率則較低。不過，該總體汽車前照燈 會消耗200W 以上的電能，因而有可能產生重大的熱功率耗散問題。這確

5、實不是什么 好事，因為隨著工作溫度的升高，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，這會產生另一組問題，包括因為散熱材料的使用而導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具極高效率的驅動器（效率93% 來最大限度地減少LED驅動電路的熱耗散。這并不像聽起來那么困難，原因是一個50W的遠光燈通?？捎?4個串聯(lián)的1A LED組成。因為整個溫度范圍內的正向電壓降約為每個 LED 4V， 因此升壓轉換器LED驅動器拓撲結構能夠以93%的效率將12V的標稱電池電壓提升至 剛好超過56V。這使得僅需耗散3.5W 的

6、功率，對于該功率耗散值，在安裝了 LED汽 車前照燈的印刷電路板內布設低等級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蓄電池進行充電時，關鍵的設計挑戰(zhàn)有哪些？答：作為在商業(yè)和住宅環(huán)境中均具實用性的一種發(fā)電方法而言，太陽能電池板已經被人 們所廣泛接受。然而，盡管在技術方面取得了進步，太陽能電池板的造價仍然很昂貴。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，電池的儲能反過

7、來將在沒有陽 光照射的情況下為終端應用電路的操作提供支持。如欲實現(xiàn)太陽能電池充電器的最佳設 計，貝U必需對太陽能電池板的特性有所了解。首先，因為具有很大的結合區(qū)，因此太陽 能電池板會發(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 都擁有一個具最大功率點的特征IV曲線，所以，當負載特性與電池板特性不相匹配時，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，可以采用一個與電池板相串聯(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很低的數(shù)值；然而，肖特基二極管的正向電壓降（它在

8、高電流條件下會消耗大量的功率 > 仍然會造成能量損失。因此，需要采用昂貴的散熱器和精細 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，同時降低散熱布局的復雜性、外形尺寸和成本。幸運 的是，因為已經有一些IC供應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，因此上述目標得以輕松實現(xiàn)。不過，有兩個問題依然存在，即：至滿充電電池的浮動電壓控制”和 在最佳發(fā)電點給電池板加載”。這些問題常?？梢酝ㄟ^采用一個開關模式充電器和一

9、個高效率降壓型穩(wěn) 壓器來加以解決。凌力爾特已經開發(fā)出了這樣一款電路，它由LTC1625 No RESNSE（無檢測電阻器 > 同步降壓型控制器、LTC1541微功率運算放大器、比較器和基準、以及 LTC4412理想二極管組成。下面給出了該電路以供參考：圖1中的電路被置于太陽能電池板和電池之間，用于調節(jié)電池浮動電壓?；?LTC1541的附加控制環(huán)路強制充電器在最大電池板功率點上運作。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。當電池板峰 值電源電壓和電池電壓之間存在失配時，這款電路的重要優(yōu)點表現(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：L

10、in ear提供了哪些獨特的解決方案來解決以上設計挑戰(zhàn)？答：為了滿足LED驅動以及太陽能電池板電池充電器的設計需要，凌力爾特提 供了各種各樣的產品。LT3595、LT3518和LT3755便是其中一些產品。此類產品和LED驅動器IC的一個實例是凌力爾特的LT3595降壓模式LED驅 動器，它具有16個單獨的通道，每個通道能夠從高達45V的輸入來驅動一個由 多達10個50mA LED所組成的LED串。每個通道可用于驅動10個串聯(lián)LED 以提供局部調光。于是，每個LT3595都能夠驅動多達160個50mA 白光LED。一臺46英寸LCD TV將需要為每部 HDTV 配用約10個LT3595。它的

11、16個通道均可以獨立控制，并具有一個能夠提供高達 5000:1 PWM調光比的 單獨PWM輸入。每個通道只需要一個纖巧的片式電感器和一個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輸入電容器和電流設定電阻器（圖2。所有16個通道的箝位二極管、電源開關和具補償功能的控制邏輯電路都被壓 縮在LT3595的相對較小56引腳、5mm x 9mm QFN 封裝之內。圖2 : 一個從45V輸入來驅動160個白光LED的16通道LED驅動器。PWM 調光比為5000:1 。大多數(shù)電池供電型便攜式產品均具有一個或多個顯示屏，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

12、需要系統(tǒng)設計師給予 特別的關注。為了實現(xiàn) TFT-LCD屏的正確供電，一個 DC/DC轉換器必需要 能夠以正確上電和斷電排序來提供三個獨立的輸出電壓，即：AVDD、VON和VOFF。凌力爾特認識到了這一點，并開發(fā)出了專門針對該用途的專用單片式 DC/DC轉換器。最新推出的一款器件是我們的LT3513。該轉換器具有5個獨立受控的穩(wěn)壓器，用于提供一個 TFT-LCD屏內部所有必要的電源軌。其降壓型穩(wěn)壓器能夠為邏輯電源軌輸送高達1.2A 的連續(xù)輸出電流。可以利用LDO控制器和一個外部NPN MOSFET產生一個較低電壓輔助邏輯電源。一個 高功率升壓型轉換器（ISW = 1.5A、一個較低功率升壓型轉

13、換器 （ISW = 250mA 和一個負輸出轉換器 （ISW = 250mA 提供了三個獨立的輸出電 壓，即：LCD屏通常需要的AVDD、VON和VOFF。一個集成高壓側 PNP提 供了 VON信號的延遲接通，而顯示屏保護電路則將在 4個輸出中的任一個低于 其編程輸出電壓達10%以上時停用VON，從而起到保護TFT-LCD屏的作用。 其他特點包括集成肖特基二極管、用于AVDD弓|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、高壓側電流檢測DC/DC控制器，專為從一個4.5V至 40V的輸入電壓范圍來驅動高電流 LED而設計。LT3756/

14、-1采用了相同的設 計，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，而標準器件版本則用一個開路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用，包括汽車、工業(yè)和建筑 照明。對于那些需要高于40V輸入電壓（比如：48V電源軌 > 的應用，LT3756/-1將 是優(yōu)選的解決方案。LT3755/-1和LT3756/-1 均采用一個外部N溝道 MOSFET，并能夠從一個12V （標稱值 > 輸入來驅動多達14個1A白光LED， 從而提供了 50W以上的功率。它們內置了一個高壓側電流檢測電路，因而使其 能夠在升壓、降壓、降

15、壓-升壓或SEPIC和反激式拓撲結構中使用。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 外部散熱裝置的需要。一個頻率調節(jié)引腳允許用戶在100kHz 至1MHz的范圍內設置頻率，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 X3mm QFN封裝或耐熱性能增強型 MSOP-16E 封裝， LT3755/-1和LT3756/-1提供了一款非常緊湊的高功率 LED驅動器解決方 案。LT3755/-1 和LT3756/-1 均采用了 True Color PWM調光，這種調光方式提 供了恒定的LED彩色和高達3000:1

16、的調光范圍。對于不太苛刻的調光要求， 可采用CTRL引腳來提供一個10:1的模擬調光范圍。其固定頻率、電流模式架 構在一個很寬的電源電壓和輸出電壓范圍內實現(xiàn)了穩(wěn)定的操作性能。一個參考 于地電壓的FB引腳用作多個LED保護功能電路的輸入，從而使轉換器能夠起 一個恒定電壓源的作用。正面思考如何提升LED道路照明可靠性字體：小中大作者：gaogong123日期：2009-9-3 11:36:03近年來在全球環(huán)保潮流之下 丄ED照明產業(yè)迅速興起，有許多科技公司投入 此新興產業(yè),但因為LED照明信賴性能標準未能實時訂定、妥為規(guī)范 ，導致大量 產品無法通過考驗、嚴重光衰收場，主要原因是無設計理論性研究為檢

17、視支柱，因 而造成使用業(yè)主疑慮，也因此推遲產業(yè)發(fā)展時機。LED照明解決方案供貨商鑫源 盛科技（Thermalking>,提供了高性能LED路燈多項組件至燈具系統(tǒng)的各項重要技術指針規(guī)格數(shù)據(jù)，供業(yè)界參考。LED芯片與封裝組件發(fā)光效率關鍵技術指針部分,首要之LED芯片與封裝組件關鍵技術,歐美、日廠商均已量產突破發(fā)光效率100120lm/W 以上,超越傳統(tǒng)最高效率的HID光源（發(fā)光效率90110lm/W>,解決目前LED燈具總體光效不足三45lm/W 問題,滿足道路照明壽命長、光衰低,符合國際標準平均照 度,達2540Lux 規(guī)格與節(jié)能3060% 需求。LED發(fā)光效率、溫升與壽命規(guī)格關鍵技

18、術指針部分,檢視CREE或OsramLED等業(yè)者所公布的數(shù)據(jù)，其芯片PN結工作溫度Tj<7585 C,方能確保高于 85%出光效率下工作壽命達5萬小時,且芯片PN結至本身導熱片（Tjs>溫升為 AT = 615 C之間,另外LED光效率與工作溫度成反比性能特性，每升高10 C,就 會導致光衰36%并且壽命減半的嚴重后果,與一般宣傳LED可工作于 100125 C壽命可達10萬小時以上的論點，卻忽略在此條件下已造成光效率折 損2530% 的觀念相去甚遠。LED路燈系統(tǒng)熱傳散熱環(huán)境溫度關鍵技術指針部分，此類燈具系統(tǒng)工作溫度 不得高于85-10=75 C；臺灣LED道路燈具規(guī)范CNS15

19、233規(guī)定，耐久性實驗環(huán)境溫度為50 C ,因此路燈散熱系統(tǒng)溫升必須小于AT三25 C。以鑫源盛科技150W LED路燈為例，熱傳散熱系統(tǒng)溫升測試低達AT三13 C,計算其熱阻值Tr=0.08 C /W,而多數(shù)業(yè)界廠商設計系統(tǒng)溫升測試AT二3040 C,計算其熱阻值Tr=0.20.26 C /W ;以相同條件下鑫源盛科技的產品較其他廠商產品壽命將增 長2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED燈具測試，其散熱系 統(tǒng)溫升仍能達成AT = 15 C ,熱阻值Tr= 0.04 C /W 。LED路燈系統(tǒng)熱傳散熱關鍵技術部份，電子機器設備熱傳、散熱方法有適用 于小功率自然散熱方法,目前

20、如MR16/PAR30由170W 產品,系統(tǒng)溫升已高達 3040 C。若超過100W 仍使用自然散熱方法,就如同目前市面上大部分產品 必須使用大量鋁合金材料增加導熱量和超大的熱交換面積，體積重量動輒2、30Kg,非但增加燈具成本更增添了燈桿燈具安全懸掛的風險。自然散熱的定律為 使用越重越大面積的金屬材料來降低溫度，效果越好,但僅鋁合金材料成本即增加 60200元新臺幣/公斤,若干廠商號稱使用熱管或回路熱管即可達到散熱效果 這僅僅解決了熱傳導，不論是熱管或者是回路熱管都只有熱傳導的功能并沒有散 熱的功能,若要達到良好散熱必須使用相對瓦數(shù)的有效散熱面積也就是必須增加 大面積的金屬材料來做熱交換；否

21、則必須改用工業(yè)級高信賴性冷氣機空調、計算 機CPU等高階大功率產品所使用之主動強制散熱方法，高效率、軍規(guī)的小風扇壽命保證7萬小時,并具備IP65防水防塵等級,再加上熱導管與散熱鋁鰭片等適當?shù)?原件與合理的機構設計,經過測試燈具系統(tǒng)溫升可低達AT三1215 C ,與自然散1015% 以上。熱方法比較降溫達 25 C ,壽命將增加2倍且光效率亮度增加住験熱壽決重A棗鴉遶界Ol I3訕104糧悻erit I)* tfiLa< AN !*鍛冷才丸驗it翟事末平7鼻進骨馬豔盒桂洌吒皿冷峠方屯比僅就童姓核罕丸佃倍上TM0W上“葉鼻« 囲 IP6SR* 孫 * 冉 JiSOOODHr 如Pl

22、 *虬簾車的出用申）* A蠱直呼那為戌豐巻為肌舟、律戟大厲商4 H ?！按甤ilDOW U T-LEOrr 見 恵* 1®艷輕牛5 粗無韻宀腳4蒐瓷無淤蔘麗堆逼.LED路燈系統(tǒng)可靠性、耐久性 環(huán)境適應性能測試指標部分，一般LED燈具 產品設計均未考慮到落塵防護系統(tǒng)，室外道路用燈具必需完全防止砂塵暴、膠質 懸浮物、重力落塵堆積于散熱結構，以避免導致LED過熱燒毀之問題。若散熱結 構朝向天面導致落塵堆積，熱累積無法發(fā)散，將可能產生LED光衰及燒毀狀況。 要解決以上問題，可設計采用散熱結構朝向地面來因應。其他抗鹽霧測試等等，鑫源盛科技現(xiàn)有產品經戶外測試時間 2萬小時后，光衰10%、狀況良好。主干道 路照明光學設計亦可達到世界標準，即10公尺高燈桿必須平均照亮橫幅40公尺的 長型路面,解決高難度光學鏡片設計,達到高寬比1:4之要求。另外核心燈芯技術 模塊亦達到了