LED照明和太阳能充电的挑战

1、LED照明和太阳能充电的技术挑战作为一种既环保又节能的解决方案，LED照明在汽车、家庭、办公楼、酒店、机场和路灯等广泛的应用场合找到了自己的用武之地。但它的大规模商用除了还要克服成本障 碍以外，还需要解决调光闪烁、散热、色彩均匀性等技术难题。此外，对清洁能源的关 注和太阳能电池板成本的下降，也带动了当前业内的太阳能商用热潮。为了帮助读者更 快更好地把握这一商机，本刊特别邀请到了Lin ear电源专家Tony Armstro ng 来分享他的独到见解。问：采用PWM或模拟调光时，如何消除LED的光闪烁现象？答：面对高功率、高亮度 LED普及率的日益提高，电子照明设计师必须提供高效、准 确和简单的

2、LED驱动解决方案。因为高功率照明灯（如汽车前照灯或大型LCD显示器 背光源 实现了与商用化串联LED阵列的互换性，因而使得此项任务变得更加困难。 传统上，利用准确的电流来驱动高功率LED串与实现简单性和高效率这两者之间是相抵触的，通常需要采用某种效率低下的线性稳压器方案或更加精细复杂的多IC开关稳压器配置。此外，确保每个 LED具有均匀的亮度且不产生任何闪烁也成为了主要的设 计障碍。人们普遍接受的LED亮度控制方法有两种，即模拟调光和 PWM数字调光。当采用模 拟调光时，LED电流的调节范围在某个最大值至该最大值的约10%之间（10:1调光范围。因为LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适

3、合于某些应用。然而， PWM 数字调光方式则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率（通常高于100kHz在零电流和 最大LED电流之间进行切换。该占空比改变了有效平均电流，从而实现了高达 3000:1的调光范围（仅受限于最小占空比 。因为LED电流要么处于最大值，要么被 关断，所以该方法还具有能够避免发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。问：大功率LED照明的散热问题应该如何解决？答：两种用量最大、功率最高的 LED照明应用是大屏幕LCD TV显示器的背面照明和 汽车前照灯。您不妨看看 Lexus（雷克萨斯、Audi（奥迪、甚至GM（通用 公司的 Cadillac

4、Escalade所使用的标准LED汽车前照灯。所有这些汽车的总体照明结构均 很相似。每个汽车前照灯包括5种专为各种照明要求而优化的LED供电光束，包括：近光灯、远光灯、转弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯 标准LED照明光束通常将需要35W 至50W 的供电功率。这或许看似不是很多的功 率；然而，LED提供的亮度却达到了 HID卤素灯的10倍，因此LED的光输出就相当 于500W 的卤素灯。远光灯所需的功率一般与标准照明光束相同或略为高一点，而转 弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯所需的功率则较低。不过，该总体汽车前照灯 会消耗200W 以上的电能，因而有可能产生重大的热功率耗散问题。这确

5、实不是什么 好事，因为随着工作温度的升高，LED的光输出和工作寿命将迅速降低。处理该散热问题方法有很多种。一种是增加大量的散热器以把热量从照明灯移走。然 而，这会产生另一组问题，包括因为散热材料的使用而导致的成本和重量的增加。解决 这一问题最有效的方法是采用一个具极高效率的驱动器（效率93% 来最大限度地减少LED驱动电路的热耗散。这并不像听起来那么困难，原因是一个50W的远光灯通常可由14个串联的1A LED组成。因为整个温度范围内的正向电压降约为每个 LED 4V， 因此升压转换器LED驱动器拓扑结构能够以93%的效率将12V的标称电池电压提升至 刚好超过56V。这使得仅需耗散3.5W 的

6、功率，对于该功率耗散值，在安装了 LED汽 车前照灯的印刷电路板内布设低等级的铜散热器便可轻松地满足要求。问：用太阳能电池板采集来的电能对蓄电池进行充电时，关键的设计挑战有哪些？答：作为在商业和住宅环境中均具实用性的一种发电方法而言，太阳能电池板已经被人 们所广泛接受。然而，尽管在技术方面取得了进步，太阳能电池板的造价仍然很昂贵。这种高昂的成本有很大部分来自于电池板本身，这里，电池板的尺寸（因而也包括其成本 将随着所需输出功率的增加而增加。因此，为了造就外形尺寸最小、成本效益性 最佳的解决方案，最大限度地提升电池板性能是很重要的。一般而言，太阳能电池板所获取的能量用于给电池充电，电池的储能反过

7、来将在没有阳 光照射的情况下为终端应用电路的操作提供支持。如欲实现太阳能电池充电器的最佳设 计，贝U必需对太阳能电池板的特性有所了解。首先，因为具有很大的结合区，因此太阳 能电池板会发生泄漏，在黑暗条件下电池将通过电池板放电。而且，每块太阳能电池板 都拥有一个具最大功率点的特征IV曲线，所以，当负载特性与电池板特性不相匹配时，能量提取将有所减少。理想的情况是：电池板将在最大功率点上被持续加载，以充 分地利用可用的太阳能，并由此最大限度地缩减电池板成本。一般情况下，可以采用一个与电池板相串联的肖特基二极管来解决电池板的泄漏问题。反向泄漏被减小至一个很低的数值；然而，肖特基二极管的正向电压降（它在

8、高电流条件下会消耗大量的功率 > 仍然会造成能量损失。因此，需要采用昂贵的散热器和精细 的布局来把肖特基二极管保持于低温状态。解决该功率耗散问题的一种更加有效方法是 用一个基于MOSFET的理想二极管来替代肖特基二极管。这将把正向电压降减小到低 至20mV，从而显著地减少功耗，同时降低散热布局的复杂性、外形尺寸和成本。幸运 的是，因为已经有一些IC供应商制造出了具有这种规格的理想二极管（比如：由凌力尔特公司提供的LTC4412，因此上述目标得以轻松实现。不过，有两个问题依然存在，即：至满充电电池的浮动电压控制”和 在最佳发电点给电池板加载”。这些问题常常可以通过采用一个开关模式充电器和一

9、个高效率降压型稳 压器来加以解决。凌力尔特已经开发出了这样一款电路，它由LTC1625 No RESNSE（无检测电阻器 > 同步降压型控制器、LTC1541微功率运算放大器、比较器和基准、以及 LTC4412理想二极管组成。下面给出了该电路以供参考：图1中的电路被置于太阳能电池板和电池之间，用于调节电池浮动电压。基于 LTC1541的附加控制环路强制充电器在最大电池板功率点上运作。这种效率的 提升缩减了所需的电池板尺寸，因而降低了总体解决方案的成本。当电池板峰 值电源电压和电池电压之间存在失配时，这款电路的重要优点表现得尤为突 出。图1:峰值功率跟踪降压充电器最大限度地提高了效率问：L

10、in ear提供了哪些独特的解决方案来解决以上设计挑战？答：为了满足LED驱动以及太阳能电池板电池充电器的设计需要，凌力尔特提 供了各种各样的产品。LT3595、LT3518和LT3755便是其中一些产品。此类产品和LED驱动器IC的一个实例是凌力尔特的LT3595降压模式LED驱 动器，它具有16个单独的通道，每个通道能够从高达45V的输入来驱动一个由 多达10个50mA LED所组成的LED串。每个通道可用于驱动10个串联LED 以提供局部调光。于是，每个LT3595都能够驱动多达160个50mA 白光LED。一台46英寸LCD TV将需要为每部 HDTV 配用约10个LT3595。它的

11、16个通道均可以独立控制，并具有一个能够提供高达 5000:1 PWM调光比的 单独PWM输入。每个通道只需要一个纤巧的片式电感器和一个甚至更加小巧的陶瓷输出电容 器。所需的其他元件仅为单个输入电容器和电流设定电阻器（图2。所有16个通道的箝位二极管、电源开关和具补偿功能的控制逻辑电路都被压 缩在LT3595的相对较小56引脚、5mm x 9mm QFN 封装之内。图2 : 一个从45V输入来驱动160个白光LED的16通道LED驱动器。PWM 调光比为5000:1 。大多数电池供电型便携式产品均具有一个或多个显示屏，用于向用户传递图形 信息。然而，TFT-LCD显示屏（甚至OLED屏 的供电

12、需要系统设计师给予 特别的关注。为了实现 TFT-LCD屏的正确供电，一个 DC/DC转换器必需要 能够以正确上电和断电排序来提供三个独立的输出电压，即：AVDD、VON和VOFF。凌力尔特认识到了这一点，并开发出了专门针对该用途的专用单片式 DC/DC转换器。最新推出的一款器件是我们的LT3513。该转换器具有5个独立受控的稳压器，用于提供一个 TFT-LCD屏内部所有必要的电源轨。其降压型稳压器能够为逻辑电源轨输送高达1.2A 的连续输出电流。可以利用LDO控制器和一个外部NPN MOSFET产生一个较低电压辅助逻辑电源。一个 高功率升压型转换器（ISW = 1.5A、一个较低功率升压型转

13、换器 （ISW = 250mA 和一个负输出转换器 （ISW = 250mA 提供了三个独立的输出电 压，即：LCD屏通常需要的AVDD、VON和VOFF。一个集成高压侧 PNP提 供了 VON信号的延迟接通，而显示屏保护电路则将在 4个输出中的任一个低于 其编程输出电压达10%以上时停用VON，从而起到保护TFT-LCD屏的作用。 其他特点包括集成肖特基二极管、用于AVDD弓|脚的PGOOD引脚、输出断接以及用于降压型稳压器的电感器电流检测功能。LT3755/-1是一款60V、高压侧电流检测DC/DC控制器，专为从一个4.5V至 40V的输入电压范围来驱动高电流 LED而设计。LT3756/

14、-1采用了相同的设 计，但可以从6V至100V的输入来提供至100V的输出。这两款器件的-1”版本均具备外部同步能力，而标准器件版本则用一个开路LED状态指示器替代了该引脚的功能。这两款器件都非常适合于众多的应用，包括汽车、工业和建筑 照明。对于那些需要高于40V输入电压（比如：48V电源轨 > 的应用，LT3756/-1将 是优选的解决方案。LT3755/-1和LT3756/-1 均采用一个外部N沟道 MOSFET，并能够从一个12V （标称值 > 输入来驱动多达14个1A白光LED， 从而提供了 50W以上的功率。它们内置了一个高压侧电流检测电路，因而使其 能够在升压、降压、降

15、压-升压或SEPIC和反激式拓扑结构中使用。LT3755/- 1和LT3756/-1在升压模式中能提供超过 94%的效率，从而免除了任何增设 外部散热装置的需要。一个频率调节引脚允许用户在100kHz 至1MHz的范围内设置频率，因而优化了效率，并最大限度地缩减了外部元件的尺寸和成本。再加上所采用3mm X3mm QFN封装或耐热性能增强型 MSOP-16E 封装， LT3755/-1和LT3756/-1提供了一款非常紧凑的高功率 LED驱动器解决方 案。LT3755/-1 和LT3756/-1 均采用了 True Color PWM调光，这种调光方式提 供了恒定的LED彩色和高达3000:1

16、的调光范围。对于不太苛刻的调光要求， 可采用CTRL引脚来提供一个10:1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架 构在一个很宽的电源电压和输出电压范围内实现了稳定的操作性能。一个参考 于地电压的FB引脚用作多个LED保护功能电路的输入，从而使转换器能够起 一个恒定电压源的作用。正面思考如何提升LED道路照明可靠性字体：小中大作者：gaogong123日期：2009-9-3 11:36:03近年来在全球环保潮流之下 丄ED照明产业迅速兴起，有许多科技公司投入 此新兴产业,但因为LED照明信赖性能标准未能实时订定、妥为规范 ，导致大量 产品无法通过考验、严重光衰收场，主要原因是无设计理论性研究为检

17、视支柱，因 而造成使用业主疑虑，也因此推迟产业发展时机。LED照明解决方案供货商鑫源 盛科技（Thermalking>,提供了高性能LED路灯多项组件至灯具系统的各项重要技术指针规格数据，供业界参考。LED芯片与封装组件发光效率关键技术指针部分,首要之LED芯片与封装组件关键技术,欧美、日厂商均已量产突破发光效率100120lm/W 以上,超越传统最高效率的HID光源（发光效率90110lm/W>,解决目前LED灯具总体光效不足三45lm/W 问题,满足道路照明寿命长、光衰低,符合国际标准平均照 度,达2540Lux 规格与节能3060% 需求。LED发光效率、温升与寿命规格关键技

18、术指针部分,检视CREE或OsramLED等业者所公布的数据，其芯片PN结工作温度Tj<7585 C,方能确保高于 85%出光效率下工作寿命达5万小时,且芯片PN结至本身导热片（Tjs>温升为 AT = 615 C之间,另外LED光效率与工作温度成反比性能特性，每升高10 C,就 会导致光衰36%并且寿命减半的严重后果,与一般宣传LED可工作于 100125 C寿命可达10万小时以上的论点，却忽略在此条件下已造成光效率折 损2530% 的观念相去甚远。LED路灯系统热传散热环境温度关键技术指针部分，此类灯具系统工作温度 不得高于85-10=75 C；台湾LED道路灯具规范CNS15

19、233规定，耐久性实验环境温度为50 C ,因此路灯散热系统温升必须小于AT三25 C。以鑫源盛科技150W LED路灯为例，热传散热系统温升测试低达AT三13 C,计算其热阻值Tr=0.08 C /W,而多数业界厂商设计系统温升测试AT二3040 C,计算其热阻值Tr=0.20.26 C /W ;以相同条件下鑫源盛科技的产品较其他厂商产品寿命将增 长2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED灯具测试，其散热系 统温升仍能达成AT = 15 C ,热阻值Tr= 0.04 C /W 。LED路灯系统热传散热关键技术部份，电子机器设备热传、散热方法有适用 于小功率自然散热方法,目前

20、如MR16/PAR30由170W 产品,系统温升已高达 3040 C。若超过100W 仍使用自然散热方法,就如同目前市面上大部分产品 必须使用大量铝合金材料增加导热量和超大的热交换面积，体积重量动辄2、30Kg,非但增加灯具成本更增添了灯杆灯具安全悬挂的风险。自然散热的定律为 使用越重越大面积的金属材料来降低温度，效果越好,但仅铝合金材料成本即增加 60200元新台币/公斤,若干厂商号称使用热管或回路热管即可达到散热效果 这仅仅解决了热传导，不论是热管或者是回路热管都只有热传导的功能并没有散 热的功能,若要达到良好散热必须使用相对瓦数的有效散热面积也就是必须增加 大面积的金属材料来做热交换；否

21、则必须改用工业级高信赖性冷气机空调、计算 机CPU等高阶大功率产品所使用之主动强制散热方法，高效率、军规的小风扇寿命保证7万小时,并具备IP65防水防尘等级,再加上热导管与散热铝鳍片等适当的 原件与合理的机构设计,经过测试灯具系统温升可低达AT三1215 C ,与自然散1015% 以上。热方法比较降温达 25 C ,寿命将增加2倍且光效率亮度增加住験热寿決重A棗鴉遶界Ol I3讪104糧悻erit I)* tfiLa< AN !*锻冷才丸验it翟事末平7鼻进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“叶鼻« 囲 IP6SR* 孫 * 冉 JiSOOODHr 如Pl

22、 *虬帘车的出用申）* A蛊直呼那为戌豐巻为肌舟、律戟大厲商4 H 专“串cilDOW U T-LEOrr 见 恵* 1®艷轻牛5 粗無韵宀脚4蒐瓷无淤蔘丽堆逼.LED路灯系统可靠性、耐久性 环境适应性能测试指标部分，一般LED灯具 产品设计均未考虑到落尘防护系统，室外道路用灯具必需完全防止砂尘暴、胶质 悬浮物、重力落尘堆积于散热结构，以避免导致LED过热烧毁之问题。若散热结 构朝向天面导致落尘堆积，热累积无法发散，将可能产生LED光衰及烧毁状况。 要解决以上问题，可设计采用散热结构朝向地面来因应。其他抗盐雾测试等等，鑫源盛科技现有产品经户外测试时间 2万小时后，光衰10%、状况良好。主干道 路照明光学设计亦可达到世界标准，即10公尺高灯杆必须平均照亮横幅40公尺的 长型路面,解决高难度光学镜片设计,达到高宽比1:4之要求。另外核心灯芯技术 模块亦达到了