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(chē)、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(zhuān)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(chē)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(xiàn)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(chē)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(chē)前照燈。所有這些汽車(chē)的總體照明結(jié)構(gòu)均很相似。每個(gè)汽車(chē)前照燈包括5種專(zhuān)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)?。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(hào)指示燈所需的功率則較低。不過(guò)，該總體汽車(chē)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)光燈通常可由14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(chēng)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(chē)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(mǎn)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(xiàn)，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(mǎn)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