恒流驅動源技術在太陽能LED路燈的設計應用

一、概述

太陽能的利用雖然有很多方法，但是像超大功率的太陽能發電站、家庭屋頂發電等都不適合中國的國情，唯一最簡單而最容易實現的是太陽能路燈。我國的路燈總數超過1億盞，只要其中的6000萬盞改成太陽能路燈，其每年節省的電量就超過一個三峽水電站的發電量。如果把今后每年新增的2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈，三年下來又是一個三峽水電站。其節能的效果是非常可觀的，而且完全不需要興師動眾地動員全國的力量來興建，而這樣發動各級地方政府的力量和各個有關企業的力量就可以完成。

太陽能路燈的構成十分簡單（圖1）。

太陽能路燈控制器電路圖：http://www.3532n.com/article/88/131/190/2009/2009040846544.html

?圖1. 太陽能路燈的構成

太陽能路燈的安裝也十分簡單，幾乎就好像種樹一樣，挖一個坑，埋進去就可以了。不像采用交流電的路燈，需要鋪電纜、建造變壓器房、挖維修井…。雖然單個太陽能路燈的造價要比普通的高壓鈉燈的造價貴，但是，如果考慮鋪設電纜等的總體造價，二者就相差不多。再加上以后每年所節省的可觀的電費，可以說，太陽能路燈在一兩年之內所節省的電費就可以彌補其差價，以后所節省的電費就是純收益了。

從圖1所示的框圖中可見，其中最核心的部件，就是PWM調光控制器和恒流模塊。過去很多投資都投向太陽能電池、和LED。很少有人關心到這兩部分，以至于目前市面上的控制器大都沒有PWM調光的能力，而目前的恒流模塊絕大多數都是采用從國外進口的芯片。而國家也不重視這方面投入。這是一個很大的問題，當然也是有很大的機遇。

二、太陽能LED路燈為什么需要恒流驅動

除了發光效率以外，要使LED能夠成為一個實用的燈具還有一系列問題需要解決。其中最重要的就是它的恒流驅動。這是由以下幾個原因所決定的。

（一） 太陽能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不恒定
在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲存單元的，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放，其電壓變化是會接近20%的（圖2）。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。

圖2. 鉛蓄電池的放電曲線。

圖3. 某一公司的 LED的伏安特性

LED有很陡的伏安特性（圖3）。

假定初始的電壓為3.25V，這時的正向電流為350mA。假如供電電壓降低到2.6V（20％），這時的電流就不到40mA,降低了將近8.75倍。

而LED的發光亮度是直接和其正向電流有關的。同一廠家的同一 LED，其相對發光強度和正向電流的關系曲線如圖4所示。

圖4. 相對光強和正向電流的關系

由圖中可以看到，如果正向電流從350mA降低8.75倍到40mA，其相對發光強度將從100降低到20。降低將近5倍。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。

（二） LED發光的溫度不穩定

LED路燈通常在露天工作，其環境溫度的變化是很大的。
而LED的正向電流還和結溫有關，圖5就表明LED在不同結溫時的伏安特性。

圖5. 在不同環境溫度時LED的伏安特性

LED的溫度系數通常為負的，也就是當溫度升高時（T1－>T2），伏安特性向左移動。其值大約是-2mV/℃，那么當其結溫增加50度時，其正向電壓就會降低0.1V，假如用恒壓電源供電時，其正向電流就會增加。比如，常溫25℃時LED最佳工作電流20mA，當環境溫度升高到85℃時，PN結電壓VF下降,工作電流急劇增加到35mA～37mA，但此時電流的增加并不會產生亮度的增加，稱為亮度飽和。同樣，當環境溫度下降至-40℃時，結電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小到8mA~10mA，發光亮度也隨電流的減少而降低，達不到應用場所所需的照度。

而且當溫度變化時，LED的發光光譜也會發生變化。通常溫度增加時光譜的最大值是向波長長的方向漂移。大約是每升高10oC時漂移1nm，升高50度會產生5nm的變化（見圖6）。

圖6. LED發光的峰值波長隨環境溫度而變化

實際上，LED的光譜也是隨其正向電流改變而改變。這也是不希望的，所以一定要保持其正向電流恒定。采用恒流源供電以后，這種溫度變化所引起的電流變化就會轉化為其正向電壓的變化，從而不會引起亮度和光譜的變化。

（三）LED的PWM調光

在太陽能LED路燈中，常常需要按照工作時間來調節路燈的亮度，以減小太陽能電池板的面積。
為了改變LED的亮度，最簡單的方法就是改變其正向電流。但是，正向電流的改變會引起光譜的改變，對于白光LED，會引起其視在色溫的改變，顯然這是不希望的(圖7)。

圖7. 正向電流的變化引起的發光光譜的變化.

最好的方法就是采用脈寬調制（PWM）的方法來調光。這實際上利用了人眼的視覺殘留的特點，使得雖然LED仍然以滿電流工作，但是它是開關式地間歇地工作，改變開和關的比例，就可以改變其視在亮度。為了不致引起閃爍的感覺，開關的周期必須小于人眼視覺殘留的時間，也就是說，PWM的頻率必須高于人眼所能感覺到的閃爍頻率。大約是在200Hz以上。不過，由于現在的LED功率越來越大，要產生大功率的PWM信號直接加到LED上是很麻煩的。幸好現在的恒流源大多是一種開關式直流變換器，它可以接受一個很小功率的PWM信號，就可以輸出一個大功率的開關信號加到LED上，而同時還能保持恒流的作用，也就是它的峰值仍然保持原來設定的電流值。

所以，為了實現PWM調光也是需要采用恒流驅動源。而調光功能在太陽能LED路燈中是非常重要的。例如可以在午夜以后改為半功率工作，甚至再以后改為1/3功率工作，這樣就可以大大減小太陽能電池板的面積，從而降低了整個燈具的成本。

（四）LED的不一致性

即使是同一型號的LED其伏安特性在各個個別的器件之間也是不同的，更何況在不同生產廠家之間就更是不同了(圖8)。

圖8. 同一廠家LED伏安特性離散性(實線),和不同廠家LED伏安特性的離散性(虛線)

從圖中可以看出,假如采用恒壓電源供電，它們之間的正向電流就會有很大的差異。而過大的正向電流也會導致光衰的加速，所以一定要用恒流源供電。

三．各種恒流源的選用

用在太陽能LED路燈中的恒流源，可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種：所謂升壓型就是它的輸出電壓比輸入電壓高。降壓型就是輸出電壓比輸入電壓低。而升降壓型則是可以根據輸入電壓低于或高于輸出電壓的情況自動地調節其工作模式為升壓或降壓。

在太陽能LED路燈中，通常采用鉛蓄電池作為儲能器件，它的電壓通常為12V或24V兩種。而所要求的輸出電壓，則是由所連接的LED的架構所決定。為了使得所有LED的正向電流一致，通常采用各個LED串聯的方式，這時，所要求的輸出電壓就是所有串聯的LED正向電壓的總和。例如，假定用10個LED串聯（圖9a），其正向電壓的總和大約為10x3.3V=33V。其實由于各個生產廠家所生產的LED各不相同，而且各個LED之間也有所不同。所以，10個LED的正向電壓的總合也不盡相同。其實在恒流源中，所恒定的是電流而不是電壓。所以，并不需要知道正向電壓總和的準確值，而只要知道它比輸入電壓高還是低就可以了。在這里，不論采用12V還是24V的蓄電池，它都要求采用升壓型的恒流源。

假如所用的LED為10V，1A的10瓦LED。那么不論是12Vd1蓄電池還是24V的蓄電池就都要采用降壓型的恒流源。
如果LED的電壓和電源電壓接近，例如負載為4個1瓦LED串聯，那么它的電壓為13V左右，而蓄電池在充滿電的時候就會達到14V以上，這時候就要用降壓型的恒流源，但是如果在蓄電池快要放完電的時候，它的電壓就大概只有10.4V。這時候就需要采用升壓型的恒流源。所以，在這種情況下，就必須采用升降壓型的恒流源。

多個LED也可以采用串并聯的結構，通常我們稱之為幾串幾并。例如10串3并就是如圖9b的結構。

圖9. LED的10串3并結構

這時候雖然也可以采用一個恒流源供電，但是這時候的恒流源就只能夠恒定3串的總電流。這個總電流在各串中的分配是根據它們的伏安特性來分配的。因為加在這3串上的電壓是一樣的，而每串中的每一個LED的電流又是相同的，這時候就必須平衡在滿足這兩個條件的工作點上。而且，假如有一串中的一個LED壞了，就會把三串的總電流分配到兩串中去，這就加大了每串中的電流。為了減小各串之間的電流不平衡，可以把各串中所有的LED都并聯起來，構成一個網格型的結構。這時候如果某一串中有一個LED壞了，就不會影響到其它LED。但是，如果壞的LED呈現短路情況，那就會把其它兩串中的LED也都短路掉，不過LED損壞時以開路為多，短路比較少。當然最好的方法就是用保護二極管（通常是齊納二極管）和每個LED并聯，不過這樣就增加了成本。

當然多個LED也可以采用全部并聯的方法，但是因為每個LED的伏安特性不一樣，如果這時候用恒壓源來供電就會產生極大的問題（圖10）。

圖10. 用恒壓源對多個并聯的LED供電時每個LED的電流都不一樣

這時候即使采用大電流的恒流源供電，也不能保證每個LED里的電流一樣，通常需要對每個LED串聯電阻來得到平衡，但那樣會降低效率。所以并聯的LED數過多是不建議的。

四．恒流源的基本工作原理和特性

(一) 升壓型恒流源的基本結構如圖11所示。

圖11. 升壓型恒流源的基本原理圖

圖中顯示了一個基本的電感升壓電路，其中控制器（Control）給出了一個PWM開關信號來控制大功率開關管，后者在導通時對電感充電，而在斷開時電感中的能量就對電容充電。經過幾次開關以后就可以把輸入電壓泵至更高的電壓，從而完成升壓的任務。改變PWM信號的工作比就可以改變其輸出電壓。為了保持輸出電流的恒定，就要求測量輸出電流值，這是靠一個和LED串聯的小電阻來測量的。這個電阻上的電壓就和一個參考電壓相比較，比較所得出的誤差信號就送去控制器用以改變PWM信號的工作比，這樣就實現了一個閉環自動控制，以控制其輸出電流為恒定。

在選用這類升壓型恒流源時，有幾個問題需要注意的。

1. 恒流特性要好

圖12表示一個SLM2842S的恒流特性曲線。檢測電阻放在高端比方在低端更為好點。

圖12. SLM2842S的恒流特性

2. 升壓比要盡可能小，或者說輸入電壓要盡可能高，一般來說，升壓比越小效率越高。下面圖13是當輸出電流為0.7A輸出功率為30瓦時，SLM2842S的效率和輸入電壓的關系。

圖13. 當輸出電流為0.7A輸出功率為30W時，SLM2842S的效率和輸入電壓的關系

由圖中可見，如果采用12V的蓄電池，它的效率就只有90%左右，而如果改用24V的蓄電池，它的效率就可以達到94%。這就可以減少芯片的功耗，降低芯片的溫度，提高芯片的可靠性。

3. 檢測電阻要盡可能小，以免在上面消耗功率。實際上這也就意味著其內部的參考電壓要盡可能低。這對于芯片設計者來說有一定的難度。如果這個參考電壓在0.1伏左右，就是一個相當好的一個芯片了，這時，外部的檢測電阻就可以用一個很小值了，也就意味著整個系統具有很高的效率。

(二) 降壓型恒流源

降壓型恒流源的基本工作原理和升壓型是差不多的。其基本原理圖如圖14所示。

圖14. 降壓型恒流源的基本原理圖

通常儲能電感是和LED串聯，開關導通時，電感儲能；開關斷開時電感通過二極管繼續有電流流通。由于輸出電壓是輸入電壓減去電感電壓，所以是降壓型。LED中的電流經過檢測電阻測量以后反饋回控制器。來控制PWM的工作比，以實現恒流的控制。

降壓型恒流源的缺點是要求輸入電壓高于輸出電壓，而太陽能LED路燈中所采用的蓄電池往往是12V，頂多是24V。而路燈中的LED通常是10個串聯，其所要求的總輸出電壓往往在33V-36V左右，因此較難采用降壓型的恒流源。而降壓型恒流源的優點是效率高。因為輸入電壓高于輸出電壓，所以輸入電流小于輸出電流。電流小有助于減小電阻性損耗。圖15表明一個降壓型恒流源在輸入電壓固定在35V，輸出電流固定在2A時，其效率和輸出電壓的關系曲線。

圖15. 降壓型恒流源的效率和輸出電壓的關系曲線

從圖中可以看出，當輸出電壓為30V時，其效率高達98%。這種恒流源的恒流特性也很好（圖16）。

圖16. SLM2862J的恒流特性

其實，這種降壓型恒流源也可以用在交流電的LED路燈中，只要在前面加一個輸出為36V的恒壓電源，就可以驅動60瓦（1瓦LED10串6并）的LED，而且效率高達98%。

（三） 帶PWM調光的恒流源

對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍LED中幾納米波長的變化，特別是在光強也在變化的時候。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測的。而采用改變正向電流的方法來調光就很容易使人眼感覺到色溫的變化，這是不希望的。所以在大功率LED路燈中，我們往往采用PWM的調光方法，以避免視在色溫的變化。另一方面，改變正向電流的模擬式調光也會使輸出電流的設定精度降低，這也是不希望的。

在PWM調光中，有一個很重要的指標就是調光頻率。調光頻率要足夠高，以避免人眼感到閃爍，所以至少在200Hz以上。另一方面，調光頻率也不能過高，因為輸出電流從0增加到規定值有一個過程，也就是需要消耗一定時間，希望這個時間占整個周期的比例越小越好，所以周期不能太小。否則會降低所能實現的對比度。

除此之外，還有升降壓型恒流源。但是這種恒流源比較多應用在像汽車這類的輸入電壓會在很大范圍內波動的場合，而很少應用在太陽能LED路燈中。就不在這里介紹了。

結束語

太陽能LED路燈具有極好的市場前景，而且也是開發可再生能源的一種最佳途徑。然而從目前情況來看，大多數人都把目光集中在太陽能電池板，以及LED燈具上。而較少有人注意到恒流源和控制器的性能和開發這方面。而選擇高性能的LED恒流源不但可以提高LED路燈的可靠性，而且具有PWM調光性能的恒流源和具有PWM調光輸出的控制器相配合，還可以大大減小所需的太陽能電池板的面積，這對于降低整個燈具的成本，加速普及太陽能LED路燈具有極其重要的意義。希望所有從事太陽能LED路燈的工作者都來重視這方面的工作，把我國的太陽能LED路燈提高到國際的最先進的水平上來！