恒流驱动源技术在太阳能LED路灯的设计应用

恒流驱动源技术在太阳能LED路灯的设计应用

一、概述

太阳能的利用虽然有很多方法，但是像超大功率的太阳能发电站、家庭屋顶发电等都不适合中国的国情，唯一最简单而最容易实现的是太阳能路灯。我国的路灯总数超过1亿盏，只要其中的6000万盏改成太阳能路灯，其每年节省的电量就超过一个三峡水电站的发电量。如果把今后每年新增的2000万盏路灯全部改用太阳能路灯，三年下来又是一个三峡水电站。其节能的效果是非常可观的，而且完全不需要兴师动众地动员全国的力量来兴建，而这样发动各级地方政府的力量和各个有关企业的力量就可以完成。

太阳能路灯的构成十分简单（图1）。

太阳能路灯控制器电路图：http://www.elecfans.com/article/88/131/190/2009/2009040846544.html

 图1. 太阳能路灯的构成

太阳能路灯的安装也十分简单，几乎就好像种树一样，挖一个坑，埋进去就可以了。不像采用交流电的路灯，需要铺电缆、建造变压器房、挖维修井…。虽然单个太阳能路灯的造价要比普通的高压钠灯的造价贵，但是，如果考虑铺设电缆等的总体造价，二者就相差不多。再加上以后每年所节省的可观的电费，可以说，太阳能路灯在一两年之内所节省的电费就可以弥补其差价，以后所节省的电费就是纯收益了。

从图1所示的框图中可见，其中最核心的部件，就是PWM调光控制器和恒流模块。过去很多投资都投向太阳能电池、和LED。很少有人关心到这两部分，以至于目前市面上的控制器大都没有PWM调光的能力，而目前的恒流模块绝大多数都是采用从国外进口的芯片。而国家也不重视这方面投入。这是一个很大的问题，当然也是有很大的机遇。

二、太阳能LED路灯为什么需要恒流驱动

除了发光效率以外，要使LED能够成为一个实用的灯具还有一系列问题需要解决。其中最重要的就是它的恒流驱动。这是由以下几个原因所决定的。

（一） 太阳能LED路灯所用的蓄电池输出电压不恒定
在太阳能路灯中通常是采用铅蓄电池作为能量储存单元的，而铅蓄电池的输出电压从满充到满放，其电压变化是会接近20%的（图2）。所以它所引起的LED电流变化就有可能超过4倍以上。

图2. 铅蓄电池的放电曲线。

图3. 某一公司的 LED的伏安特性

LED有很陡的伏安特性（图3）。

假定初始的电压为3.25V，这时的正向电流为350mA。假如供电电压降低到2.6V（20％），这时的电流就不到40mA,降低了将近8.75倍。

而LED的发光亮度是直接和其正向电流有关的。同一厂家的同一 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350mA降低8.75倍到40mA，其相对发光强度将从100降低到20。降低将近5倍。显然这是完全不能允许的。所以一定要把电流恒定。

（二） LED发光的温度不稳定

LED路灯通常在露天工作，其环境温度的变化是很大的。
而LED的正向电流还和结温有关，图5就表明LED在不同结温时的伏安特性。

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（T1－>T2），伏安特性向左移动。其值大约是-2mV/℃，那么当其结温增加50度时，其正向电压就会降低0.1V，假如用恒压电源供电时，其正向电流就会增加。比如，常温25℃时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85℃时，PN结电压VF下降,工作电流急剧增加到35mA～37mA，但此时电流的增加并不会产生亮度的增加，称为亮度饱和。同样，当环境温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小到8mA~10mA，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到应用场所所需的照度。

而且当温度变化时，LED的发光光谱也会发生变化。通常温度增加时光谱的最大值是向波长长的方向漂移。大约是每升高10oC时漂移1nm，升高50度会产生5nm的变化（见图6）。

图6. LED发光的峰值波长随环境温度而变化

实际上，LED的光谱也是随其正向电流改变而改变。这也是不希望的，所以一定要保持其正向电流恒定。采用恒流源供电以后，这种温度变化所引起的电流变化就会转化为其正向电压的变化，从而不会引起亮度和光谱的变化。

（三）LED的PWM调光

在太阳能LED路灯中，常常需要按照工作时间来调节路灯的亮度，以减小太阳能电池板的面积。
为了改变LED的亮度，最简单的方法就是改变其正向电流。但是，正向电流的改变会引起光谱的改变，对于白光LED，会引起其视在色温的改变，显然这是不希望的(图7)。

图7. 正向电流的变化引起的发光光谱的变化.

最好的方法就是采用脉宽调制（PWM）的方法来调光。这实际上利用了人眼的视觉残留的特点，使得虽然LED仍然以满电流工作，但是它是开关式地间歇地工作，改变开和关的比例，就可以改变其视在亮度。为了不致引起闪烁的感觉，开关的周期必须小于人眼视觉残留的时间，也就是说，PWM的频率必须高于人眼所能感觉到的闪烁频率。大约是在200Hz以上。不过，由于现在的LED功率越来越大，要产生大功率的PWM信号直接加到LED上是很麻烦的。幸好现在的恒流源大多是一种开关式直流变换器，它可以接受一个很小功率的PWM信号，就可以输出一个大功率的开关信号加到LED上，而同时还能保持恒流的作用，也就是它的峰值仍然保持原来设定的电流值。

所以，为了实现PWM调光也是需要采用恒流驱动源。而调光功能在太阳能LED路灯中是非常重要的。例如可以在午夜以后改为半功率工作，甚至再以后改为1/3功率工作，这样就可以大大减小太阳能电池板的面积，从而降低了整个灯具的成本。

（四）LED的不一致性

即使是同一型号的LED其伏安特性在各个个别的器件之间也是不同的，更何况在不同生产厂家之间就更是不同了(图8)。

图8. 同一厂家LED伏安特性离散性(实线),和不同厂家LED伏安特性的离散性(虚线)

从图中可以看出,假如采用恒压电源供电，它们之间的正向电流就会有很大的差异。而过大的正向电流也会导致光衰的加速，所以一定要用恒流源供电。

三．各种恒流源的选用

用在太阳能LED路灯中的恒流源，可以分为升压型、降压型、升降压型三种：所谓升压型就是它的输出电压比输入电压高。降压型就是输出电压比输入电压低。而升降压型则是可以根据输入电压低于或高于输出电压的情况自动地调节其工作模式为升压或降压。

在太阳能LED路灯中，通常采用铅蓄电池作为储能器件，它的电压通常为12V或24V两种。而所要求的输出电压，则是由所连接的LED的架构所决定。为了使得所有LED的正向电流一致，通常采用各个LED串联的方式，这时，所要求的输出电压就是所有串联的LED正向电压的总和。例如，假定用10个LED串联（图9a），其正向电压的总和大约为10x3.3V=33V。其实由于各个生产厂家所生产的LED各不相同，而且各个LED之间也有所不同。所以，10个LED的正向电压的总合也不尽相同。其实在恒流源中，所恒定的是电流而不是电压。所以，并不需要知道正向电压总和的准确值，而只要知道它比输入电压高还是低就可以了。在这里，不论采用12V还是24V的蓄电池，它都要求采用升压型的恒流源。

假如所用的LED为10V，1A的10瓦LED。那么不论是12Vd1蓄电池还是24V的蓄电池就都要采用降压型的恒流源。
如果LED的电压和电源电压接近，例如负载为4个1瓦LED串联，那么它的电压为13V左右，而蓄电池在充满电的时候就会达到14V以上，这时候就要用降压型的恒流源，但是如果在蓄电池快要放完电的时候，它的电压就大概只有10.4V。这时候就需要采用升压型的恒流源。所以，在这种情况下，就必须采用升降压型的恒流源。

多个LED也可以采用串并联的结构，通常我们称之为几串几并。例如10串3并就是如图9b的结构。

图9. LED的10串3并结构

这时候虽然也可以采用一个恒流源供电，但是这时候的恒流源就只能够恒定3串的总电流。这个总电流在各串中的分配是根据它们的伏安特性来分配的。因为加在这3串上的电压是一样的，而每串中的每一个LED的电流又是相同的，这时候就必须平衡在满足这两个条件的工作点上。而且，假如有一串中的一个LED坏了，就会把三串的总电流分配到两串中去，这就加大了每串中的电流。为了减小各串之间的电流不平衡，可以把各串中所有的LED都并联起来，构成一个网格型的结构。这时候如果某一串中有一个LED坏了，就不会影响到其它LED。但是，如果坏的LED呈现短路情况，那就会把其它两串中的LED也都短路掉，不过LED损坏时以开路为多，短路比较少。当然最好的方法就是用保护二极管（通常是齐纳二极管）和每个LED并联，不过这样就增加了成本。

当然多个LED也可以采用全部并联的方法，但是因为每个LED的伏安特性不一样，如果这时候用恒压源来供电就会产生极大的问题（图10）。

图10. 用恒压源对多个并联的LED供电时每个LED的电流都不一样

这时候即使采用大电流的恒流源供电，也不能保证每个LED里的电流一样，通常需要对每个LED串联电阻来得到平衡，但那样会降低效率。所以并联的LED数过多是不建议的。

四．恒流源的基本工作原理和特性

(一) 升压型恒流源的基本结构如图11所示。

图11. 升压型恒流源的基本原理图

图中显示了一个基本的电感升压电路，其中控制器（Control）给出了一个PWM开关信号来控制大功率开关管，后者在导通时对电感充电，而在断开时电感中的能量就对电容充电。经过几次开关以后就可以把输入电压泵至更高的电压，从而完成升压的任务。改变PWM信号的工作比就可以改变其输出电压。为了保持输出电流的恒定，就要求测量输出电流值，这是靠一个和LED串联的小电阻来测量的。这个电阻上的电压就和一个参考电压相比较，比较所得出的误差信号就送去控制器用以改变PWM信号的工作比，这样就实现了一个闭环自动控制，以控制其输出电流为恒定。

在选用这类升压型恒流源时，有几个问题需要注意的。

1. 恒流特性要好

图12表示一个SLM2842S的恒流特性曲线。检测电阻放在高端比方在低端更为好点。

图12. SLM2842S的恒流特性

2. 升压比要尽可能小，或者说输入电压要尽可能高，一般来说，升压比越小效率越高。下面图13是当输出电流为0.7A输出功率为30瓦时，SLM2842S的效率和输入电压的关系。

图13. 当输出电流为0.7A输出功率为30W时，SLM2842S的效率和输入电压的关系

由图中可见，如果采用12V的蓄电池，它的效率就只有90%左右，而如果改用24V的蓄电池，它的效率就可以达到94%。这就可以减少芯片的功耗，降低芯片的温度，提高芯片的可靠性。

3. 检测电阻要尽可能小，以免在上面消耗功率。实际上这也就意味着其内部的参考电压要尽可能低。这对于芯片设计者来说有一定的难度。如果这个参考电压在0.1伏左右，就是一个相当好的一个芯片了，这时，外部的检测电阻就可以用一个很小值了，也就意味着整个系统具有很高的效率。

(二) 降压型恒流源

降压型恒流源的基本工作原理和升压型是差不多的。其基本原理图如图14所示。

图14. 降压型恒流源的基本原理图

通常储能电感是和LED串联，开关导通时，电感储能；开关断开时电感通过二极管继续有电流流通。由于输出电压是输入电压减去电感电压，所以是降压型。LED中的电流经过检测电阻测量以后反馈回控制器。来控制PWM的工作比，以实现恒流的控制。

降压型恒流源的缺点是要求输入电压高于输出电压，而太阳能LED路灯中所采用的蓄电池往往是12V，顶多是24V。而路灯中的LED通常是10个串联，其所要求的总输出电压往往在33V-36V左右，因此较难采用降压型的恒流源。而降压型恒流源的优点是效率高。因为输入电压高于输出电压，所以输入电流小于输出电流。电流小有助于减小电阻性损耗。图15表明一个降压型恒流源在输入电压固定在35V，输出电流固定在2A时，其效率和输出电压的关系曲线。

图15. 降压型恒流源的效率和输出电压的关系曲线

从图中可以看出，当输出电压为30V时，其效率高达98%。这种恒流源的恒流特性也很好（图16）。

图16. SLM2862J的恒流特性

其实，这种降压型恒流源也可以用在交流电的LED路灯中，只要在前面加一个输出为36V的恒压电源，就可以驱动60瓦（1瓦LED10串6并）的LED，而且效率高达98%。

（三） 带PWM调光的恒流源

对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。而采用改变正向电流的方法来调光就很容易使人眼感觉到色温的变化，这是不希望的。所以在大功率LED路灯中，我们往往采用PWM的调光方法，以避免视在色温的变化。另一方面，改变正向电流的模拟式调光也会使输出电流的设定精度降低，这也是不希望的。

在PWM调光中，有一个很重要的指标就是调光频率。调光频率要足够高，以避免人眼感到闪烁，所以至少在200Hz以上。另一方面，调光频率也不能过高，因为输出电流从0增加到规定值有一个过程，也就是需要消耗一定时间，希望这个时间占整个周期的比例越小越好，所以周期不能太小。否则会降低所能实现的对比度。

除此之外，还有升降压型恒流源。但是这种恒流源比较多应用在像汽车这类的输入电压会在很大范围内波动的场合，而很少应用在太阳能LED路灯中。就不在这里介绍了。

结束语

太阳能LED路灯具有极好的市场前景，而且也是开发可再生能源的一种最佳途径。然而从目前情况来看，大多数人都把目光集中在太阳能电池板，以及LED灯具上。而较少有人注意到恒流源和控制器的性能和开发这方面。而选择高性能的LED恒流源不但可以提高LED路灯的可靠性，而且具有PWM调光性能的恒流源和具有PWM调光输出的控制器相配合，还可以大大减小所需的太阳能电池板的面积，这对于降低整个灯具的成本，加速普及太阳能LED路灯具有极其重要的意义。希望所有从事太阳能LED路灯的工作者都来重视这方面的工作，把我国的太阳能LED路灯提高到国际的最先进的水平上来！