基于PAM2842的LED照明系统的设计

中国光电子产业近年来的发展速度很快，每年以30～40％的速度增长。但目前还仅仅占到全球市场的5％，预计到2010年将占全球市场的10％。此外，中国的LED产业也发展极其迅速，高亮度白光GaN类的LED产量年增长率达到59％，2006年产量为72亿个，市场规模为90亿元。预计2010年产量将达到200亿个，从而将超过日本成为世界上第二大生产国。

 

太阳能最简单的应用是产生热水，其次是发电，发电的一个重要应用就是照明。中国的照明用电占全部电能耗费的12％，由于大型太阳能发电厂的建厂成本很高，而且大功率太阳能电池板要占用很大的面积，所以太阳能照明最好的实现方法是和发光器件结合在一起，构成独立的照明装置。目前，最具前景的是太阳能路灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能信号灯和太阳能航标灯等。其中尤以太阳能LED路灯的经济价值最高。这是因为普通路灯需要铺设很长的输电线路，电源线路的铺设要投入很高的费用，并且随着距离的增加，电压会逐渐降低，经过一定距离还要用变压器升压。太阳能路灯则不然，由于每一根路灯杆都是独立的，不需要铺设输电线路，这就大大降低了架设的费用。另一方面，LED的发光效率远高于白炽灯，虽然在数字上比高压钠灯要低(高压钠灯的发光效率为132流明/瓦，而LED只有70流明/瓦)，但高压钠灯的光谱分散，其中很大一部分处于黄光、红光和红外，对于实际照明并没有作用，而且还有很大一部分光线是散射到所有方向。因此，从实际路面发光效果(照度)来看，150瓦的LED就相当于400瓦的高压钠灯。假定路灯每天工作10小时，那么2年下来，400瓦高压钠灯耗电2920度电，而150瓦LED只耗电1095度电，节省2.66倍。此外，LED的寿命长，不需要经常更换。高压钠灯的寿命为4000小时，假定每天工作10小时，则只能工作400天，一年多就要更换；而大功率LED的寿命为50,000小时，假定每天工作10小时，13.7年才需要更换。从而大大节省了维护费用。

 

以5公里路程架设250盏路灯为例，普通路灯的电缆埋设、配电设备、检查井等费用就需要153万元。而太阳能路灯可以省去这笔费用；普通路灯的电费也是非常可观的，在以上例子中，普通路灯15年需耗电547.5万元，太阳能路灯仅需要更换一次蓄电池，约37.5万元。而且太阳能路灯的工作电压低，绝对不会发生触电事故。LED的寿命长，15年几乎不需要更换，一方面减少了维护费用，另一方面也降低了安全风险。因而是一种性价比极高的路灯。太阳能庭院灯和草坪灯虽然也有类似的优点，但是因为距离近、数量少，其优点不那么显著。美国在2008年的LED路灯市场达到2000千万个，中国在2006年具有1,500万个路灯，并以每年20％的速度增长。中国路灯的每年电费达到60亿人民币，改成太阳能路灯以后就可以全部节省下来。

 

太阳能灯具均由5个部分组成：太阳能电池、蓄电池、控制装置、LED的驱动芯片以及LED本身。通常太阳能电池板挂在高杆上，充放电控制器和铅蓄电池放在地面的控制箱内，驱动芯片和LED都装在灯头里(如图1所示)。其中充放电控制器只能控制对蓄电池的充电和放电过程以及定时向LED供电，并不能稳定其输出电压。但是，有不少设计人员在设计中略去了恒流驱动，他们以为铅蓄电池的输出电压足够稳定，不需要再采用恒流驱动就可以直接驱动LED，这种想法是错误的。

 

图1：太阳能灯具的由5个部分构成。

 

蓄电池的输出电压会随着放电而逐渐降低，在整个放电过程中，其输出电压的变化高达20％左右。如果用它直接对LED供电，会使得LED的亮度产生很大的变化。以铅蓄电池为例，它的放电曲线如图2所示。

 

图2：铅蓄电池的放电曲线。

 

从图中可以看出，在整个放电过程中，铅蓄电池的输出电压将会下降达2V(将近20％)。而从LED伏安特性可知，20％的电压变化将会引起极大的正向电流变化。图3所示为某种3W LED的伏安特性，其中蓝色为白光LED。

 

图3：某款3W LED的伏安特性。

 

假设初始电压为4.2V，此时正向电流为700mA。如果电压降到3.5V(20％)，这时的电流低于180mA，降低了将近4倍。而LED的发光亮度是直接与其正向电流相关的。对于同一款3W LED，其相对发光强度和正向电流的关系曲线如图4所示。

 

图4：相对光强和正向电流的关系。

 

由图中可以看到，如果正向电流从700mA降低到350mA，其发光强度从1.75降低到1.0。如果正向电流降低到180mA，其发光强度将降低到0.6(降低将近3倍)，这是不允许出现的。

 

此外，LED的正向电流还与环境温度有关，图5表明了LED在不同环境温度时的伏安特性。

 

图5：在不同环境温度时LED的伏安特性。

LED的温度系数通常为负的，也就是当温度升高时，伏安特性向左移动，该值约为-2mV/℃，那么当环境温度从20度上升到70度时，正向电压就会降低0.1V，正向电流会降低约100mA。当温度变化时，由于正向电流减小，LED的发光光谱也会发生变化。通常是向波长长的方向漂移，大约每升高10oC漂移1nm。因此，一定要保持正向电流恒定。

 

必须采用一个集成电路来控制LED的电流，使其无论在电池电压降低或是环境温度升高时都能保持电流恒定。PAM2842就是这样一种芯片，它能够以12V或24V的输入电源电压驱动10颗串联的3W LED。最高输出电压可达40V，最大输出电流可达1.75A，但总输出功率不能大于30W。应用电路如图6所示。

 

LED的电流由串联的采样电阻决定，PAM2842要求其反馈电压为0.1V，串联电阻的阻值就可以根据所要求的正向电流来设定。假设对3W的LED要求其正向电流为700mA，则其阻值为0.142Ω，损耗为0.07W，对效率的影响基本上可以忽略不计。二极管必须采用低压降、大电流的肖特基二极管，以减小功耗。电感需要采用高饱和电流、低DCR的电感。此外，PAM2842的工作频率可以有三种选择：500kHz、1MHz、1.6MHz。为降低其开关损耗，建议选择500kHz开关频率。此时可以把Fsel端接地。PAM2842具有很好的恒流特性，当输入电压从12V降至10V时，LED中电流的变化还不到3％，这样就可以保证LED的亮度基本不变。芯片内部具有过压保护电路(OVP)，如果出现一个LED开路，芯片的升压会被限制而不至于过高，保护芯片本身不至于损坏。但由于所有LED为串联，如果一颗LED开路，必然会导致所有LED不亮。但是，假如有一颗LED短路，这时候，由于有恒流环控制，所以芯片会自动降低其输出电压，而保持流过LED的电流不变，因此不影响其它LED的工作。

 

图6：PAM2842的实际应用电路。

 

由于PAM2842是作为升压芯片来使用的，因此在要求的升压比较高时，它的效率较低。例如，假设输入电压为24V，升压至40V，其效率可达95％以上。而如果输入电压为12V，仍然要求升压至40V，这时其效率就只有91％左右。因为大多数太阳能路灯系统所采用的蓄电池是12V的，为了在12V时还能获得95％的效率，可以把10颗LED二极管分成两串，每串为5颗LED串联，这样就只要求升压至不到20V，可以将效率提高至95％。而且如果一个LED开路，至多影响一串5个LED，而不会影响另一串5个LED的工作。这时，两串LED共用一个LED电流采样电阻，由于电流增加一倍变成1.4A，所以电流采样电阻阻值也应当减小一倍，变成0.07欧姆。或者只将其中一串LED的电流进行采样，而另一串LED直接接地，这样就只能对其中一串的LED电流进行恒流控制。上述两种方法各有优缺点。两串并联时，所控制的是两串电流之和。因此，如果两串的LED伏安特性有区别时，这两串LED的电流就会有所不同。除了电流采样电阻，限压电阻R3和R4的值也需要作相应的调整。只要根据Vout=1.2*(1+R3/R4)的公式加以调整就可以。

 

图7：两串10个1W的LED相并联。

 

有的客户也想要采用1W的LED，因为这种LED比较成熟，散热也容易处理。同样可以利用PAM2842来驱动2串10个1W的LED，总输出功率约为23W。不过，对于1W的LED，它的驱动电流是350mA，所以两串并联后的总电流仍然是0.7A，和一串10个3W的LED情况一样，采样电阻仍然是0.142欧姆。当然，也可以连成4串，每串5个1W的LED，总数为20个，甚至是连成5串，每串5个1W的LED。以减少由于某一串中的LED开路而引起不亮的LED个数。这时采样电阻需根据电流值来调整。6串5个1W的LED架构不建议使用，因为其实际的输出电流过大，已经超过了芯片的允许值。各种不同架构时所相应的电流采样电阻和输出限压电阻阻值如表1所示。

 

表1：各种不同架构时的电流采样电阻和输出限压电阻的阻值。

 

图中元件的选择：
1. C1，C6：10uF/50V；
2. C2：1uF/50V；
3. C3，C4: 1uF/10V；
4. C5：10nF/50V；
5. R1：0.1V/ILED 2串1W LED 总电流约667mA, R1=0.15Ω，(0805, 1/10W)，可以用多个电阻并联来调整这个阻值到合适的电流；
6. R2：1KΩ；
7. R3，R4: 设定输出限制电压。Vout=1.2*(1+R3/R4)，取R3=12KΩ，R4=360KΩ，Vout=37.2V，要大于10个1W LED 串联的电压，但是要小于40V；
8. L1：33uH/3A；
9. D1：3A/40V；
10. 工作频率选择500KHz，要将Fsel接地。

 

演示板的印制板图如图8所示。

 

图8：PAM2842的演示板印制板图。

 

PAM2842不仅可用于太阳能路灯中，也可用于任何直流电源(12~24V)供电的LED照明系统，或是采用开关电源将交流变成直流输出的系统中。在很多应用中，出于安全的考虑，通常都是采用低压直流电源，例如水下照明或用户有可能接触到的地方。

 

一般的开关稳压电源，通常只能提供稳压输出而不能保证LED恒流。因此，当温度变化时，LED的电流就有可能变化。这都需要采用像PAM2842这样的专门针对LED驱动的恒流驱动芯片，才能保证LED灯具的性能。PAM2842是目前同类内置大功率MOSFET恒流驱动芯片中，输出功率最大的。