LED照明和太陽能充電的挑戰(zhàn)

1、LED照明和太陽能充電的技術(shù)挑戰(zhàn)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)場和路燈等廣泛的應(yīng)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(diào)光閃爍、散熱、色彩均勻性等技術(shù)難題。此外，對清潔能源的關(guān) 注和太陽能電池板成本的下降，也帶動了當(dāng)前業(yè)內(nèi)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(jī)，本刊特別邀請到了Lin ear電源專家Tony Armstro ng 來分享他的獨(dú)到見解。問：采用PWM或模擬調(diào)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(shè)計(jì)師必須提供高效、準(zhǔn) 確和簡單的

2、LED驅(qū)動解決方案。因?yàn)楦吖β收彰鳠簦ㄈ缙嚽罢諢艋虼笮蚅CD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)確的電流來驅(qū)動高功率LED串與實(shí)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(xì)復(fù)雜的多IC開關(guān)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(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，LED電流的調(diào)節(jié)范圍在某個最大值至該最大值的約10%之間（10:1調(diào)光范圍。因?yàn)長ED的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適

3、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 。因?yàn)長ED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(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

4、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)?。遠(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)向信號指示燈所需的功率則較低。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

5、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?yàn)樯岵牧系氖褂枚鴮?dǎo)致的成本和重量的增加。解決 這一問題最有效的方法是采用一個具極高效率的驅(qū)動器（效率93% 來最大限度地減少LED驅(qū)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(yuǎn)光燈通?？捎?4個串聯(lián)的1A LED組成。因?yàn)檎麄€溫度范圍內(nèi)的正向電壓降約為每個 LED 4V， 因此升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器拓?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56V。這使得僅需耗散3.5W 的

6、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(nèi)布設(shè)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(jìn)行充電時，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，太陽能電池板所獲取的能量用于給電池充電，電池的儲能反過

7、來將在沒有陽 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)太陽能電池充電器的最佳設(shè) 計(jì)，貝U必需對太陽能電池板的特性有所了解。首先，因?yàn)榫哂泻艽蟮慕Y(jié)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(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，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

8、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(xì) 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(fù)雜性、外形尺寸和成本。幸運(yùn) 的是，因?yàn)橐呀?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，有兩個問題依然存在，即：至滿充電電池的浮動電壓控制”和 在最佳發(fā)電點(diǎn)給電池板加載”。這些問題常?？梢酝ㄟ^采用一個開關(guān)模式充電器和一

9、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（無檢測電阻器 > 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能電池板和電池之間，用于調(diào)節(jié)電池浮動電壓。基于 LTC1541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，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：L

10、in ear提供了哪些獨(dú)特的解決方案來解決以上設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？答：為了滿足LED驅(qū)動以及太陽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)動器IC的一個實(shí)例是凌力爾特的LT3595降壓模式LED驅(qū) 動器，它具有16個單獨(dú)的通道，每個通道能夠從高達(dá)45V的輸入來驅(qū)動一個由 多達(dá)10個50mA LED所組成的LED串。每個通道可用于驅(qū)動10個串聯(lián)LED 以提供局部調(diào)光。于是，每個LT3595都能夠驅(qū)動多達(dá)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

11、16個通道均可以獨(dú)立控制，并具有一個能夠提供高達(dá) 5000:1 PWM調(diào)光比的 單獨(dú)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(shè)定電阻器（圖2。所有16個通道的箝位二極管、電源開關(guān)和具補(bǔ)償功能的控制邏輯電路都被壓 縮在LT3595的相對較小56引腳、5mm x 9mm QFN 封裝之內(nèi)。圖2 : 一個從45V輸入來驅(qū)動160個白光LED的16通道LED驅(qū)動器。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

12、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 DC/DC轉(zhuǎn)換器必需要 能夠以正確上電和斷電排序來提供三個獨(dú)立的輸出電壓，即：AVDD、VON和VOFF。凌力爾特認(rèn)識到了這一點(diǎn)，并開發(fā)出了專門針對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個獨(dú)立受控的穩(wěn)壓器，用于提供一個 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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(zhuǎn)換器（ISW = 1.5A、一個較低功率升壓型轉(zhuǎn)

13、換器 （ISW = 250mA 和一個負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器 （ISW = 250mA 提供了三個獨(dú)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(cè) PNP提 供了 VON信號的延遲接通，而顯示屏保護(hù)電路則將在 4個輸出中的任一個低于 其編程輸出電壓達(dá)10%以上時停用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弓|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(cè)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(qū)動高電流 LED而設(shè)計(jì)。LT3756/

14、-1采用了相同的設(shè) 計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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：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 均采用一個外部N溝道 MOSFET，并能夠從一個12V （標(biāo)稱值 > 輸入來驅(qū)動多達(dá)14個1A白光LED， 從而提供了 50W以上的功率。它們內(nèi)置了一個高壓側(cè)電流檢測電路，因而使其 能夠在升壓、降壓、降

15、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 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 X3mm 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

16、的調(diào)光范圍。對于不太苛刻的調(diào)光要求， 可采用CTRL引腳來提供一個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。一個參考 于地電壓的FB引腳用作多個LED保護(hù)功能電路的輸入，從而使轉(zhuǎn)換器能夠起 一個恒定電壓源的作用。正面思考如何提升LED道路照明可靠性字體：小中大作者：gaogong123日期：2009-9-3 11:36:03近年來在全球環(huán)保潮流之下 丄ED照明產(chǎn)業(yè)迅速興起，有許多科技公司投入 此新興產(chǎn)業(yè),但因?yàn)長ED照明信賴性能標(biāo)準(zhǔn)未能實(shí)時訂定、妥為規(guī)范 ，導(dǎo)致大量 產(chǎn)品無法通過考驗(yàn)、嚴(yán)重光衰收場，主要原因是無設(shè)計(jì)理論性研究為檢

17、視支柱，因 而造成使用業(yè)主疑慮，也因此推遲產(chǎn)業(yè)發(fā)展時機(jī)。LED照明解決方案供貨商鑫源 盛科技（Thermalking>,提供了高性能LED路燈多項(xiàng)組件至燈具系統(tǒng)的各項(xiàng)重要技術(shù)指針規(guī)格數(shù)據(jù)，供業(yè)界參考。LED芯片與封裝組件發(fā)光效率關(guān)鍵技術(shù)指針部分,首要之LED芯片與封裝組件關(guān)鍵技術(shù),歐美、日廠商均已量產(chǎn)突破發(fā)光效率100120lm/W 以上,超越傳統(tǒng)最高效率的HID光源（發(fā)光效率90110lm/W>,解決目前LED燈具總體光效不足三45lm/W 問題,滿足道路照明壽命長、光衰低,符合國際標(biāo)準(zhǔn)平均照 度,達(dá)2540Lux 規(guī)格與節(jié)能3060% 需求。LED發(fā)光效率、溫升與壽命規(guī)格關(guān)鍵技

18、術(shù)指針部分,檢視CREE或OsramLED等業(yè)者所公布的數(shù)據(jù)，其芯片PN結(jié)工作溫度Tj<7585 C,方能確保高于 85%出光效率下工作壽命達(dá)5萬小時,且芯片PN結(jié)至本身導(dǎo)熱片（Tjs>溫升為 AT = 615 C之間,另外LED光效率與工作溫度成反比性能特性，每升高10 C,就 會導(dǎo)致光衰36%并且壽命減半的嚴(yán)重后果,與一般宣傳LED可工作于 100125 C壽命可達(dá)10萬小時以上的論點(diǎn)，卻忽略在此條件下已造成光效率折 損2530% 的觀念相去甚遠(yuǎn)。LED路燈系統(tǒng)熱傳散熱環(huán)境溫度關(guān)鍵技術(shù)指針部分，此類燈具系統(tǒng)工作溫度 不得高于85-10=75 C；臺灣LED道路燈具規(guī)范CNS15

19、233規(guī)定，耐久性實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為50 C ,因此路燈散熱系統(tǒng)溫升必須小于AT三25 C。以鑫源盛科技150W LED路燈為例，熱傳散熱系統(tǒng)溫升測試低達(dá)AT三13 C,計(jì)算其熱阻值Tr=0.08 C /W,而多數(shù)業(yè)界廠商設(shè)計(jì)系統(tǒng)溫升測試AT二3040 C,計(jì)算其熱阻值Tr=0.20.26 C /W ;以相同條件下鑫源盛科技的產(chǎn)品較其他廠商產(chǎn)品壽命將增 長2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED燈具測試，其散熱系 統(tǒng)溫升仍能達(dá)成AT = 15 C ,熱阻值Tr= 0.04 C /W 。LED路燈系統(tǒng)熱傳散熱關(guān)鍵技術(shù)部份，電子機(jī)器設(shè)備熱傳、散熱方法有適用 于小功率自然散熱方法,目前

20、如MR16/PAR30由170W 產(chǎn)品,系統(tǒng)溫升已高達(dá) 3040 C。若超過100W 仍使用自然散熱方法,就如同目前市面上大部分產(chǎn)品 必須使用大量鋁合金材料增加導(dǎo)熱量和超大的熱交換面積，體積重量動輒2、30Kg,非但增加燈具成本更增添了燈桿燈具安全懸掛的風(fēng)險(xiǎn)。自然散熱的定律為 使用越重越大面積的金屬材料來降低溫度，效果越好,但僅鋁合金材料成本即增加 60200元新臺幣/公斤,若干廠商號稱使用熱管或回路熱管即可達(dá)到散熱效果 這僅僅解決了熱傳導(dǎo)，不論是熱管或者是回路熱管都只有熱傳導(dǎo)的功能并沒有散 熱的功能,若要達(dá)到良好散熱必須使用相對瓦數(shù)的有效散熱面積也就是必須增加 大面積的金屬材料來做熱交換；否

21、則必須改用工業(yè)級高信賴性冷氣機(jī)空調(diào)、計(jì)算 機(jī)CPU等高階大功率產(chǎn)品所使用之主動強(qiáng)制散熱方法，高效率、軍規(guī)的小風(fēng)扇壽命保證7萬小時,并具備IP65防水防塵等級,再加上熱導(dǎo)管與散熱鋁鰭片等適當(dāng)?shù)?原件與合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),經(jīng)過測試燈具系統(tǒng)溫升可低達(dá)AT三1215 C ,與自然散1015% 以上。熱方法比較降溫達(dá) 25 C ,壽命將增加2倍且光效率亮度增加住験熱壽決重A棗鴉遶界Ol I3訕104糧悻erit I)* tfiLa< AN !*鍛冷才丸驗(yàn)it翟事末平7鼻進(jìn)骨馬豔盒桂洌吒皿冷峠方屯比僅就童姓核罕丸佃倍上TM0W上“葉鼻« 囲 IP6SR* 孫 * 冉 JiSOOODHr 如Pl

22、 *虬簾車的出用申）* A蠱直呼那為戌豐巻為肌舟、律戟大厲商4 H ?！按甤ilDOW U T-LEOrr 見 恵* 1®艷輕牛5 粗無韻宀腳4蒐瓷無淤蔘麗堆逼.LED路燈系統(tǒng)可靠性、耐久性 環(huán)境適應(yīng)性能測試指標(biāo)部分，一般LED燈具 產(chǎn)品設(shè)計(jì)均未考慮到落塵防護(hù)系統(tǒng)，室外道路用燈具必需完全防止砂塵暴、膠質(zhì) 懸浮物、重力落塵堆積于散熱結(jié)構(gòu)，以避免導(dǎo)致LED過熱燒毀之問題。若散熱結(jié) 構(gòu)朝向天面導(dǎo)致落塵堆積，熱累積無法發(fā)散，將可能產(chǎn)生LED光衰及燒毀狀況。 要解決以上問題，可設(shè)計(jì)采用散熱結(jié)構(gòu)朝向地面來因應(yīng)。其他抗鹽霧測試等等，鑫源盛科技現(xiàn)有產(chǎn)品經(jīng)戶外測試時間 2萬小時后，光衰10%、狀況良好。主干道 路照明光學(xué)設(shè)計(jì)亦可達(dá)到世界標(biāo)準(zhǔn)，即10公尺高燈桿必須平均照亮橫幅40公尺的 長型路面,解決高難度光學(xué)鏡片設(shè)計(jì),達(dá)到高寬比1:4之要求。另外核心燈芯技術(shù) 模塊亦達(dá)到了