LED照明和太陽(yáng)能充電的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案

LED照明和太陽(yáng)能充電的技術(shù)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(jī)場(chǎng)和路燈等廣泛的應(yīng)用場(chǎng)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(diào)光閃爍、散熱、色彩均勻性等技術(shù)難題。此外，對(duì)清潔能源的關(guān)注和太陽(yáng)能電池板成本的下降，也帶動(dòng)了當(dāng)前業(yè)內(nèi)的太陽(yáng)能商用熱潮。為了幫助讀者更快更好地把握這一商機(jī)，本刊特別邀請(qǐng)到了Linear電源專家Tony Armstrong來(lái)分享他的獨(dú)到見(jiàn)解。

　　問(wèn)：采用PWM或模擬調(diào)光時(shí)，如何消除LED的光閃爍現(xiàn)象？

　　答：面對(duì)高功率、高亮度LED普及率的日益提高，電子照明設(shè)計(jì)師必須提供高效、準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了與商用化串聯(lián)LED陣列的互換性，因而使得此項(xiàng)任務(wù)變得更加困難。

　　傳統(tǒng)上，利用準(zhǔn)確的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)高功率LED串與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(xì)復(fù)雜的多IC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器配置。此外，確保每個(gè)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(shè)計(jì)障礙。

　　人們普遍接受的LED亮度控制方法有兩種，即模擬調(diào)光和PWM數(shù)字調(diào)光。當(dāng)采用模擬調(diào)光時(shí)，LED電流的調(diào)節(jié)范圍在某個(gè)最大值至該最大值的約10%之間(10:1調(diào)光范圍)。由于LED的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適合于某些應(yīng)用。然而，PWM數(shù)字調(diào)光方式則是以某種快至足以掩蓋視覺(jué)閃爍的速率(通常高于100kHz)在零電流和最大LED電流之間進(jìn)行切換。該占空比改變了有效平均電流，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3000:1的調(diào)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(guān)斷，所以該方法還具有能夠避免發(fā)生LED色偏的優(yōu)點(diǎn)，而在采用模擬調(diào)光時(shí)這種LED色偏現(xiàn)象是很常見(jiàn)的。

　　問(wèn)：大功率LED照明的散熱問(wèn)題應(yīng)該如何解決？

　　答：兩種用量最大、功率最高的LED照明應(yīng)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 Escalade所使用的標(biāo)準(zhǔn)LED汽車前照燈。所有這些汽車的總體照明結(jié)構(gòu)均很相似。每個(gè)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(yuǎn)光燈、轉(zhuǎn)彎輔助燈、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈。

　　標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到了HID鹵素?zé)舻?0倍，因此LED的光輸出就相當(dāng)于500W的鹵素?zé)簟＿h(yuǎn)光燈所需的功率一般與標(biāo)準(zhǔn)照明光束相同或略為高一點(diǎn)，而轉(zhuǎn)彎輔助燈、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈所需的功率則較低。不過(guò)，該總體汽車前照燈會(huì)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(wèn)題。這確實(shí)不是什么好事，因?yàn)殡S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(wèn)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(huì)產(chǎn)生另一組問(wèn)題，包括因?yàn)樯岵牧系氖褂枚鴮?dǎo)致的成本和重量的增加。解決這一問(wèn)題最有效的方法是采用一個(gè)具極高效率的驅(qū)動(dòng)器(效率>93%) 來(lái)最大限度地減少LED驅(qū)動(dòng)電路的熱耗散。這并不像聽(tīng)起來(lái)那么困難，原因是一個(gè)50W的遠(yuǎn)光燈通?？捎?4個(gè)串聯(lián)的1A LED組成。由于整個(gè)溫度范圍內(nèi)的正向電壓降約為每個(gè)LED 4V，因此升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠以93%的效率將12V的標(biāo)稱電池電壓提升至剛好超過(guò)56V。這使得僅需耗散3.5W的功率，對(duì)于該功率耗散值，在安裝了LED汽車前照燈的印刷電路板內(nèi)布設(shè)低等級(jí)的銅散熱器便可輕松地滿足要求。

　　問(wèn)：用太陽(yáng)能電池板采集來(lái)的電能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)有哪些？

　　答：作為在商業(yè)和住宅環(huán)境中均具實(shí)用性的一種發(fā)電方法而言，太陽(yáng)能電池板已經(jīng)被人們所廣泛接受。然而，盡管在技術(shù)方面取得了進(jìn)步，太陽(yáng)能電池板的造價(jià)仍然很昂貴。這種高昂的成本有很大部分來(lái)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(yáng)能電池板所獲取的能量用于給電池充電，電池的儲(chǔ)能反過(guò)來(lái)將在沒(méi)有陽(yáng)光照射的情況下為終端應(yīng)用電路的操作提供支持。如欲實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池充電器的最佳設(shè)計(jì)，則必需對(duì)太陽(yáng)能電池板的特性有所了解。首先，由于具有很大的結(jié)合區(qū)，因此太陽(yáng)能電池板會(huì)發(fā)生泄漏，在黑暗條件下電池將通過(guò)電池板放電。而且，每塊太陽(yáng)能電池板都擁有一個(gè)具最大功率點(diǎn)的特征IV曲線，所以，當(dāng)負(fù)載特性與電池板特性不相匹配時(shí)，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(diǎn)上被持續(xù)加載，以充分地利用可用的太陽(yáng)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(gè)與電池板相串聯(lián)的肖特基二極管來(lái)解決電池板的泄漏問(wèn)題。反向泄漏被減小至一個(gè)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(huì)消耗大量的功率) 仍然會(huì)造成能量損失。因此，需要采用昂貴的散熱器和精細(xì)的布局來(lái)把肖特基二極管保持于低溫狀態(tài)。解決該功率耗散問(wèn)題的一種更加有效方法是用一個(gè)基于MOSFET的理想二極管來(lái)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(shí)降低散熱布局的復(fù)雜性、外形尺寸和成本。幸運(yùn)的是，由于已經(jīng)有一些IC供應(yīng)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(biāo)得以輕松實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)，有兩個(gè)問(wèn)題依然存在，即：“至滿充電電池的浮動(dòng)電壓控制”和“在最佳發(fā)電點(diǎn)給電池板加載”。這些問(wèn)題常?？梢酝ㄟ^(guò)采用一個(gè)開(kāi)關(guān)模式充電器和一個(gè)高效率降壓型穩(wěn)壓器來(lái)加以解決。

　　凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了這樣一款電路，它由LTC1625 No RESNSE(無(wú)檢測(cè)電阻器)同步降壓型控制器、LTC1541微功率運(yùn)算放大器、比較器和基準(zhǔn)、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(yáng)能電池板和電池之間，用于調(diào)節(jié)電池浮動(dòng)電壓?；贚TC1541的附加控制環(huán)路強(qiáng)制充電器在最大電池板功率點(diǎn)上運(yùn)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(dāng)電池板峰值電源電壓和電池電壓之間存在失配時(shí)，這款電路的重要優(yōu)點(diǎn)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(wèn)：Linear提供了哪些獨(dú)特的解決方案來(lái)解決以上設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？

　　答：為了滿足LED驅(qū)動(dòng)以及太陽(yáng)能電池板電池充電器的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器IC的一個(gè)實(shí)例是凌力爾特的LT3595降壓模式LED驅(qū)動(dòng)器，它具有16個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道能夠從高達(dá)45V的輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)由多達(dá)10個(gè)50mA LED所組成的LED串。每個(gè)通道可用于驅(qū)動(dòng)10個(gè)串聯(lián)LED以提供局部調(diào)光。于是，每個(gè)LT3595都能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)160個(gè)50mA白光LED。一臺(tái)46英寸LCD TV將需要為每部HDTV配用約10個(gè)LT3595。它的16個(gè)通道均可以獨(dú)立控制，并具有一個(gè)能夠提供高達(dá)5000:1 PWM調(diào)光比的單獨(dú)PWM輸入。

　　每個(gè)通道只需要一個(gè)纖巧的片式電感器和一個(gè)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(gè)輸入電容器和電流設(shè)定電阻器 (圖2)。所有16個(gè)通道的箝位二極管、電源開(kāi)關(guān)和具補(bǔ)償功能的控制邏輯電路都被壓縮在LT3595的相對(duì)較小56引腳、5mm x 9mm QFN封裝之內(nèi)。

圖2：一個(gè)從45V輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)160個(gè)白光LED的16通道LED驅(qū)動(dòng)器。PWM調(diào)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(gè)或多個(gè)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(shè)計(jì)師給予特別的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)TFT-LCD屏的正確供電，一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器必需要能夠以正確上電和斷電排序來(lái)提供三個(gè)獨(dú)立的輸出電壓，即：AVDD、VON和VOFF。凌力爾特認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并開(kāi)發(fā)出了專門針對(duì)該用途的專用單片式DC/DC轉(zhuǎn)換器。最新推出的一款器件是我們的LT3513。該轉(zhuǎn)換器具有5個(gè)獨(dú)立受控的穩(wěn)壓器，用于提供一個(gè)TFT-LCD屏內(nèi)部所有必要的電源軌。

　　其降壓型穩(wěn)壓器能夠?yàn)檫壿嬰娫窜壿斔透哌_(dá)1.2A的連續(xù)輸出電流?？梢岳?a target="_blank">LDO控制器和一個(gè)外部NPN MOSFET產(chǎn)生一個(gè)較低電壓輔助邏輯電源。一個(gè)高功率升壓型轉(zhuǎn)換器 (ISW = 1.5A)、一個(gè)較低功率升壓型轉(zhuǎn)換器 (ISW = 250mA) 和一個(gè)負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器 (ISW = 250mA) 提供了三個(gè)獨(dú)立的輸出電壓，即：LCD屏通常需要的AVDD、VON和VOFF。一個(gè)集成高壓側(cè)PNP提供了VON信號(hào)的延遲接通，而顯示屏保護(hù)電路則將在4個(gè)輸出中的任一個(gè)低于其編程輸出電壓達(dá)10%以上時(shí)停用VON，從而起到保護(hù)TFT-LCD屏的作用。其他特點(diǎn)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(cè)功能。

　　LT3755/-1是一款60V、高壓側(cè)電流檢測(cè)DC/DC控制器，專為從一個(gè)4.5V至40V的輸入電壓范圍來(lái)驅(qū)動(dòng)高電流LED而設(shè)計(jì)。LT3756/-1采用了相同的設(shè)計(jì)，但可以從6V至100V的輸入來(lái)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(biāo)準(zhǔn)器件版本則用一個(gè)開(kāi)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(yīng)用，包括汽車、工業(yè)和建筑照明。

　　對(duì)于那些需要高于40V輸入電壓 (比如：48V電源軌) 的應(yīng)用，LT3756/-1將是優(yōu)選的解決方案。LT3755/-1和 LT3756/-1均采用一個(gè)外部N溝道MOSFET，并能夠從一個(gè)12V (標(biāo)稱值) 輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)多達(dá)14個(gè)1A白光LED，從而提供了50W以上的功率。它們內(nèi)置了一個(gè)高壓側(cè)電流檢測(cè)電路，因而使其能夠在升壓、降壓、降壓-升壓或SEPIC和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用。LT3755/-1和 LT3756/-1在升壓模式中能提供超過(guò) 94% 的效率，從而免除了任何增設(shè)外部散熱裝置的需要。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz的范圍內(nèi)設(shè)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(qiáng)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(qū)動(dòng)器解決方案。

　　LT3755/-1和 LT3756/-1均采用了True Color PWM調(diào)光，這種調(diào)光方式提供了恒定的LED彩色和高達(dá)3000:1的調(diào)光范圍。對(duì)于不太苛刻的調(diào)光要求，可采用CTRL引腳來(lái)提供一個(gè)10:1的模擬調(diào)光范圍。其固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個(gè)很寬的電源電壓和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的操作性能。一個(gè)參考于地電壓的FB引腳用作多個(gè)LED保護(hù)功能電路的輸入，從而使轉(zhuǎn)換器能夠起一個(gè)恒定電壓源的作用。