LED照明和太陽能充電的技術挑戰(zhàn)及解決方案

1、和太陽能充電的技術挑戰(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 Linear 電源專家 Tony Armstrong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

2、的 LED 驅動解決方案。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(chǎn)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 ) 。由于 LED

3、的色譜與電流有關，因此這種方法并不適合于某些應用。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 )。由于 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(

4、雷克薩斯 )、Audi( 奧迪 )、甚至 GM( 通用 )公司的 Cadillac 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

5、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(chǎn)生重大的熱功率耗散問題。這確實不是什么好事，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(chǎn)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。由于整個溫度范圍內的正向電壓降約為每個LED 4V，因此升壓

6、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(jīng)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

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，電池的儲能反過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，則必需對太陽能電池板的特性有所了解。 首先，由于具有很大的結合區(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

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，由于已經(jīng)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

9、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個高效率降壓型穩(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 微功率運算放大器、比較器和基準、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

10、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： Linear 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(chǎn)品。 LT3595 、 LT3518 和 LT3755 便是其中一些產(chǎn)品。此類產(chǎn)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) LE

11、D 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 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

12、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(chǎn)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

13、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?？梢岳肔DO 控制器和一個外部 NPN MOSFET產(chǎn)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

14、的作用。其他特點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/-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：48

15、V 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× 3mm QFN 封裝或耐熱性能增強型封裝，LT3755/-1 和 LT3756/-1 提供了一款