从恒流电源与控制器看LED路灯的总体设计.doc

1 前言LED路灯先要根据路况确定其总体指标，包括： 供电方式（太阳能、市电）； 总瓦数；重量；杆高；杆距等等。这些指标确定以后再进行结构和供电设计。其中结构设计基本上是散热设计（从略）。本文从供电和控制器方面对总体设计进行探讨。2 LED的电特性(1) LED是一个很热的二极管因为输入LED的电功率70都变成热能，所以LED很热，必须考虑LED的温度特性。LED具有负温度系数-2mV/，当通过LED的电流增加，其温度升高时，伏安特性向左移动，如图 1所示。(2) 采用恒压电源会加大光亮度衰减随着LED温度升高，如果电源电压恒定，电流就会加大（见图 1）。例如，常温下电压为3.3V时，电流20mA；当温度上升到85时，电流高达35mA-37mA，而亮度饱和并不增加。假如增加电流将使温升更高，其结果导致光亮度衰减更加严重。如果采用恒流电源供电，即使温度升高，电流不变，不会造成恶性循环。3 两种LED(1) 单颗式单颗式是指LED芯片按大功率设计而成。目前常用的LED芯片功率是1W或3W。对于几十W和上百W的路灯就需要几十颗到上百颗LED。单颗式的缺点是连接复杂。其优点是发热分散，易于散热；二次配光可以采用小透镜，容易加工和安装；连接灵活，可以连接成各种串并结构，易于和恒流源配合(2) 集成式集成的单颗LED功率可 达到几W到几十W。该种结构的优点是连接简单。其缺点是：发热集中，不易散热，必须采用热管散热；发光效率也不如单颗式高；连接不够灵活。由以上分析可知，路灯还是尽量采用单颗式LED。4 LED连接架构(1) LED串联个数不能超过10个由于LED的亮度正比于其正向电流，为了使流过各LED的亮度一致，要求各个LED串联连接。一般来说串联个数不能超过10个，因为超过10个以后，输出电压就会超过36V的安全电压。按照欧盟IEC 61347-2-13 (5/2006)标准对采用直流或交流供电的LED模块的要求，需要在 最大安全特低电压(SELV)下工作，输出电压25Vrms (35.3 Vdc)；在不同故障条件下可“恰当”/安全的工作；故障时不冒烟或易燃。(2) LED的串并联假如两串LED并联，即使采用恒流电源供电，若其中一串的一个LED开路，所有电流都会流入另一串，电流将加大一倍，很快就会损坏。该串所有LED都会因大电流而损坏。更多的LED串并联可以使损坏减轻，但不能彻底解决，而且还要求 恒流源电流加大。LED串并联时必须加保护。在每一颗LED上并联一个稳压管，以保证LED的可靠工作。如图3所示。(3) 各种架构的比较LED不同连接方式的优缺点列于表1。(4) 如何确定LED串并联的数量对于交流供电的LED路灯，因为输入电压没有什么限制，因而串并联数量有较大的自由度。对于太阳能LED路灯，因为输入电压是由蓄电池决定的，而蓄电池的电压是12的整数倍(12V：10.7V-14.7V；24V：21.4V-29.4V)，所以在决定几串几并的时候必须考虑输出电压，不要落在输入电压的范围内，因该电压不稳定。假如落在输入电压的范围内，就必须采用升降压型恒流源，不过这种恒流模块的效率比较低，价格也比较高，应当尽可能避免5 太阳能路灯用蓄电池(1) 蓄电池的选择普通汽车铅蓄电池寿命太短，应当采用胶体电池，其寿命长一倍，比功率大20，或者采用卷绕铅蓄电池。卷绕式和普通铅蓄电池的比较列于表2。蓄电池的电压越高越好，蓄电池电压越高，电流越小，效率越高。功率小于10W的草坪灯、庭院灯，可以用6V、12V的蓄电池；大于10W以上，尽可能采用24V；特别高功率（60W以上），建议采用36V的蓄电池。(2) 要特别注意导线的压降之所以需要特别注意导线的压降，是由于大多数情况蓄电池放在下面，或埋入地下；功率越大、灯杆越高，引线越长，电流越大，压降也就越大；压降过大会超过恒流模块的最低工作电压，而无法工作甚至烧毁。因而，功率越大时就应该采用电压越高的蓄电池，以减小电流，当然也应该采用足够粗的引线。(3) 各种应用场合 太阳能庭院灯：12V。 太阳能路灯：24V。 汽车LED车灯：12V，24V，48V。 电动自行车LED车灯：24V，36V。 一组共用AC/DC恒压开关电源供给几组恒流源。6 恒流驱动源的类型和应用(1) 按照输入输出电压关系分类 升压型恒流驱动：电容式（电荷泵）升压型，电感式升压型； 降压型恒流驱动：电感式降压型； 升降压型恒流驱动：电荷泵升降压型；电感式升降压型：a. 单电感式；b. 双电感式。(2) 如何选择升压还是降压型恒流源一般来说，完全由实际情况决定。太阳能电池板供电时，通常其输出电压较低（12V或24V），需要采用升压型的恒流源；如果由交流市电供电，建议采用比较高的输出电压(36V)，以提高效率，故采用降压型恒流源。原则上来说降压型恒流源的效率要比升压型高。不论升压型还是降压型，其效率主要取决于升压和/或降压的比值，比值越高，效率越低。要尽可能使得输入电压接近于输出电压。但输出电压落在输入电压范围内时就要采用升降压型。(3) 恒流模块能驱动多大功率LED恒流模块的驱动能力和芯片的电特性有关(Imax，Rdson,)。当芯片选定后也和外电路有关，降压型效率比升压型效率高。在电路选定以后，就和输入输出电压比有关，升降压比值越高效率越低。需要耗散功率=Po(1-)。能够耗散多大功率首先取决于芯片的散热能力。对同一个芯片来说，取决于其封装的外壳，QFN封装就要比TSSOP封装散热能力高很多（热阻小很多）。同样的芯片外壳也取决于其是否有外加散热器，外加散热器以后，驱动模块的散热能力可以提高。散热能力还取决于和外界空气的热交换能力，铝壳灌封裸板铝壳不灌封塑料壳灌封塑料壳不灌封。(4) 驱动功率举例假设要求驱动30W的LED组件，10串3并1W或10串3W，一般的恒流模块大约只能散热1.5W。这就要求效率高达95%。假若工作在升压方式，这就要求升压比小于1.38，也就是要求输入电压为24V。如果输入电压为12V，其升压比就高达2.75，效率只有90%。耗散功率高达3W。因此，就必须外加散热器。实际上假如是12V蓄电池供电，其最低电压只有10V，其升压比就高达3.3，效率只有88%，即使加散热器也无法实现。7 恒流驱动模块实例(1) 怎样实现恒流驱动用小阻值的采样电阻对 LED的电流进行采样，再通过反馈形成闭路调节，见图4。(2) 电感升压型SLM2841（输出5瓦）电感升压型SLM2841最大输出350mA，可以驱动一串5个1W的LED。可用于太阳能庭院灯的恒流驱动，也可用于5x1W的MR16射灯。原理电路如图5所示。(3) SLM2861降压型大功率LED驱动器该驱动器输出电流高达1.5A,可驱动6串4并，一共24个1W LED（总共24W）。特小SOT23-5封装和SOT-89封装，效率高达95%以上。原理电路见图6。(4) 大功率升压型SLM2842S大功率升压型SLM2842S驱动器输入电压6V-29V，输出功率30W(10x3W)。可用于太阳能路灯，能够实现PWM调光。其原理电路见图7。 升压型恒流源SLM2842S的恒流特性SLM2842S的恒流特性如图8所示。由图可见，输入电压在7.5V-28V范围内变化时输出电流不变。 SLM2842S 模块的散热SLM2842S 模块的散热性能如图9所示。由图可知，QFN的散热性能比TSSOP的散热性能好，加散热器的散热性能比没有散热器的散热性能好。(5) 大功率降压型SLM2842J的实际电路大功率降压型SLM2842J驱动器电路如图10所示。该驱动器输入电压36V，输出功率：可达60W(2x10x3W)，最高效率：可达98%，可实现PWM调光。 降压型恒流板SLM2842J的恒流特性SLM2842J的恒流特性如图11(a)所示。由图可知，当输入电压从36V降低到6V时，输出电流不变。其效率曲线如图11(b)所示，当输入和输出电压之差减小，效率增高，最高可达98% 降压模式的特点a. 在降压比较小，工作频率较低时，可以得到接近98%的效率。b. SLM2842J可以用来驱动60W的LED，例如两串并联，每串10个3W。c. 要求输入为恒压36V，而输出为33V。d. 降压比为1.16，工作频率为150kHz时，效率可达98%，芯片表面温度在不加散热器时可低于52。(6) 升降压型恒流模块升降压型恒流模块的输入电压8V-25V；输出电流1A；输出功率12W；最高效率88% 。其电路原理图如图12所示。8 可调光节能型控制器(1)智能型可调光太阳能LED路灯的构成智能型可调光太阳能LED路灯由太阳能电池板，PWM可调光控制器，PWM调光恒流模块，LED灯具和蓄电池等组成，如图13所示。(2) 智能型PWM可调光节能效益利用智能型PWM可调光控制，可以减小太阳能电池板面积达40%以上。节能曲线如图14所示。(3) LED调光中的一些误区 控制器输出电流减半，并不会把LED输出亮度减半。因为LED的电源是恒流电源也就是输出恒功率电源，如果把输入电流减半，只能使其无法正常工作，而无法将亮度减半。 用控制器输出控制信号调节LED的电流。改变LED电流的确可以改变LED亮度，但同时也改变了LED的输出光谱和色温。改变LED电流有可能改变其输出电压（降低），有可能会使本来应当采用升压源的，反而变成需要降压，从而使得原来的升压恒流模块无法工作。（如果原来就用降压模块的就没有这个问题。） 要调节LED的亮度，必须以PWM信号来调节LED的工作，这时候，LED工作于快速开关状态。当导通时就是满电流工作，不会改变其色谱，也不会使其由升压变为降压。9 交流市电供电LED路灯(交流输入，直流输出)(1) 交流电的主要优缺点 在大多数情况下交流电随处可得，路灯例外。 交流电源都必须整流以后供直流的LED使用。 整流器的效率低，普通开关电源的效率通常只有85%。 功率因素也是一个问题，小功率开关电源只有(60-70)%左右。 交流电源整流器中都离不开电解电容。一般电解电容寿命在105时只有1000h。LED灯具中的温度有可能高达85，按每降10度提高一倍，也只有4000h，而LED的寿命高达(50000-100000)h。电解电容将成为交流供电的LED路灯寿命的主要限制者。必须采用寿命高达10,000小时(105)的长寿命电解电容，这样在85时LED灯具寿命才达到40,000小时。(2) 开关电源+直流恒流源选用稳压型开关电源是因为技术成熟，价格低廉，可以采用一个大功率多路输出稳压源驱动几个直流恒流源。普通开关电源的效率比较低（85%左右），而高质量的可达95。功率因数的问题（65W，大约在0.5-0.7左右），加功率因数校正后可达0.99。恒压电源的电压可以有较大的灵活性，最好选36V（符合欧盟安全规定）。如果LED总电压比36V只低2V，则可以采用降压恒流模块，而且由于其降压比很接近1，效率可高达98%。直流恒流源放在LED灯头内，与LED组合成模块。交流供电开关电源可以和灯光控制器放在一起（放在灯杆下面或上面）。几种150W恒压电源指标实测值比较见表4。表 4 150W恒压电源指标实测值比较茂硕WSL-Z3850IC52杭州英飞特EWV-150SO36Victor-龙茂SLM 36150220V150W效率93.46%94.34%92.57%220V150WPF0.9710.9720.988110V150W效率,PF91.15%0.99391.79%0.99289.77%0.992(3) 240W市电LED驱动方案240W市电LED驱动方案如图15所示。(4) 几种防水恒压恒流一体式电源的比较表 5 防水恒压恒流一体式电源比较生产厂商，型号总体效率功率因数输出路数，电流备注杭州英飞特EWC-150T035SV92%0.973路，0.35A 深圳茂硕WSL-T26401C2485%0.994路，0.7A以下任选上海龙茂香港Victor SLM36150CVC-790%0.997路,每路1.4A以下任选自带程序调光(5) 交流直接恒流源 非隔离型（在特定情况下符合安规要求）输入交流线和输出直流线有公共线。输入交流直接整流成高压直流，再用高压IC进行恒流控制（需要昂贵的高压IC）。非隔离型降压型：直流输入电压250V，直流输出电流：350mA，效率：90%。其原理电路见图16 (a)。非隔离型降压恒流源电路板外观见图16(b)。采用PAM99700的非隔离恒流模块，其性能参数是：输入交流电压80VAC265VAC；频率47Hz-63Hz；输出恒流0.35A；输出功率40W；效率90%；功率因数0.93；外形尺寸为804030mm。 隔离型（符合安规要求）输入交流线和输出直流线没有公共线（通常要采用交流变压器隔离）。采用工频交流变压器隔离（体积大，重量重），