采用PAM2842的太陽能LED路燈系統(tǒng)

太陽能最簡單的應用是產(chǎn)生熱水，其次是發(fā)電，發(fā)電的一個重要應用就是照明。中國的照明用電占全部電能耗費的12％，由于大型太陽能發(fā)電廠的建廠成本很高，而且大功率太陽能電池板要占用很大的面積，所以太陽能照明最好的實現(xiàn)方法是和發(fā)光器件結(jié)合在一起，構(gòu)成獨立的照明裝置。目前，最具前景的是太陽能路燈、太陽能庭院燈、太陽能草坪燈、太陽能信號燈和太陽能航標燈等。其中尤以太陽能LED路燈的經(jīng)濟價值最高。這是因為普通路燈需要鋪設(shè)很長的輸電線路，電源線路的鋪設(shè)要投入很高的費用，并且隨著距離的增加，電壓會逐漸降低，經(jīng)過一定距離還要用變壓器升壓。太陽能路燈則不然，由于每一根路燈桿都是獨立的，不需要鋪設(shè)輸電線路，這就大大降低了架設(shè)的費用。另一方面，LED的發(fā)光效率遠高于白熾燈，雖然在數(shù)字上比高壓鈉燈要低(高壓鈉燈的發(fā)光效率為132流明/瓦，而LED只有70流明/瓦)，但高壓鈉燈的光譜分散，其中很大一部分處于黃光、紅光和紅外，對于實際照明并沒有作用，而且還有很大一部分光線是散射到所有方向。因此，從實際路面發(fā)光效果(照度)來看，150瓦的LED就相當于400瓦的高壓鈉燈。假定路燈每天工作10小時，那么2年下來，400瓦高壓鈉燈耗電2920度電，而150瓦LED只耗電1095度電，節(jié)省2.66倍。此外，LED的壽命長，不需要經(jīng)常更換。高壓鈉燈的壽命為4000小時，假定每天工作10小時，則只能工作400天，一年多就要更換；而大功率LED的壽命為50,000小時，假定每天工作10小時，13.7年才需要更換。從而大大節(jié)省了維護費用。

以5公里路程架設(shè)250盞路燈為例，普通路燈的電纜埋設(shè)、配電設(shè)備、檢查井等費用就需要153萬元。而太陽能路燈可以省去這筆費用；普通路燈的電費也是非常可觀的，在以上例子中，普通路燈15年需耗電547.5萬元，太陽能路燈僅需要更換一次蓄電池，約37.5萬元。而且太陽能路燈的工作電壓低，絕對不會發(fā)生觸電事故。LED的壽命長，15年幾乎不需要更換，一方面減少了維護費用，另一方面也降低了安全風險。因而是一種性價比極高的路燈。太陽能庭院燈和草坪燈雖然也有類似的優(yōu)點，但是因為距離近、數(shù)量少，其優(yōu)點不那么顯著。美國在2008年的LED路燈市場達到2000千萬個，中國在2006年具有1,500萬個路燈，并以每年20％的速度增長。中國路燈的每年電費達到60億人民幣，改成太陽能路燈以后就可以全部節(jié)省下來。

太陽能燈具均由5個部分組成：太陽能電池、蓄電池、控制裝置、LED的驅(qū)動芯片以及LED本身。通常太陽能電池板掛在高桿上，充放電控制器和鉛蓄電池放在地面的控制箱內(nèi)，驅(qū)動芯片和LED都裝在燈頭里(如圖1所示)。其中充放電控制器只能控制對蓄電池的充電和放電過程以及定時向LED供電，并不能穩(wěn)定其輸出電壓。但是，有不少設(shè)計人員在設(shè)計中略去了恒流驅(qū)動，他們以為鉛蓄電池的輸出電壓足夠穩(wěn)定，不需要再采用恒流驅(qū)動就可以直接驅(qū)動LED，這種想法是錯誤的。

蓄電池的輸出電壓會隨著放電而逐漸降低，在整個放電過程中，其輸出電壓的變化高達20％左右。如果用它直接對LED供電，會使得LED的亮度產(chǎn)生很大的變化。以鉛蓄電池為例，它的放電曲線如圖2所示。

圖2：鉛蓄電池的放電曲線。

從圖中可以看出，在整個放電過程中，鉛蓄電池的輸出電壓將會下降達2V(將近20％)。而從LED伏安特性可知，20％的電壓變化將會引起極大的正向電流變化。圖3所示為某種3W LED的伏安特性，其中藍色為白光LED。

圖3：某款3W LED的伏安特性。

假設(shè)初始電壓為4.2V，此時正向電流為700mA。如果電壓降到3.5V(20％)，這時的電流低于180mA，降低了將近4倍。而LED的發(fā)光亮度是直接與其正向電流相關(guān)的。對于同一款3W LED，其相對發(fā)光強度和正向電流的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4：相對光強和正向電流的關(guān)系。

由圖中可以看到，如果正向電流從700mA降低到350mA，其發(fā)光強度從1.75降低到1.0。如果正向電流降低到180mA，其發(fā)光強度將降低到0.6(降低將近3倍)，這是不允許出現(xiàn)的。

LED的溫度系數(shù)通常為負的，也就是當溫度升高時，伏安特性向左移動，該值約為-2mV/℃，那么當環(huán)境溫度從20度上升到70度時，正向電壓就會降低0.1V，正向電流會降低約100mA。當溫度變化時，由于正向電流減小，LED的發(fā)光光譜也會發(fā)生變化。通常是向波長長的方向漂移，大約每升高10oC漂移1nm。因此，一定要保持正向電流恒定。

必須采用一個集成電路來控制LED的電流，使其無論在電池電壓降低或是環(huán)境溫度升高時都能保持電流恒定。PAM2842就是這樣一種芯片，它能夠以12V或24V的輸入電源電壓驅(qū)動10顆串聯(lián)的3W LED。最高輸出電壓可達40V，最大輸出電流可達1.75A，但總輸出功率不能大于30W。應用電路如圖6所示。

LED的電流由串聯(lián)的采樣電阻決定，PAM2842要求其反饋電壓為0.1V，串聯(lián)電阻的阻值就可以根據(jù)所要求的正向電流來設(shè)定。假設(shè)對3W的LED要求其正向電流為700mA，則其阻值為0.142Ω，損耗為0.07W，對效率的影響基本上可以忽略不計。二極管必須采用低壓降、大電流的肖特基二極管，以減小功耗。電感需要采用高飽和電流、低DCR的電感。此外，PAM2842的工作頻率可以有三種選擇：500kHz、1MHz、1.6MHz。為降低其開關(guān)損耗，建議選擇500kHz開關(guān)頻率。此時可以把Fsel端接地。PAM2842具有很好的恒流特性，當輸入電壓從12V降至10V時，LED中電流的變化還不到3％，這樣就可以保證LED的亮度基本不變。芯片內(nèi)部具有過壓保護電路(OVP)，如果出現(xiàn)一個LED開路，芯片的升壓會被限制而不至于過高，保護芯片本身不至于損壞。但由于所有LED為串聯(lián)，如果一顆LED開路，必然會導致所有LED不亮。但是，假如有一顆LED短路，這時候，由于有恒流環(huán)控制，所以芯片會自動降低其輸出電壓，而保持流過LED的電流不變，因此不影響其它LED的工作。

圖6：PAM2842的實際應用電路。

由于PAM2842是作為升壓芯片來使用的，因此在要求的升壓比較高時，它的效率較低。例如，假設(shè)輸入電壓為24V，升壓至40V，其效率可達95％以上。而如果輸入電壓為12V，仍然要求升壓至40V，這時其效率就只有91％左右。因為大多數(shù)太陽能路燈系統(tǒng)所采用的蓄電池是12V的，為了在12V時還能獲得95％的效率，可以把10顆LED二極管分成兩串，每串為5顆LED串聯(lián)，這樣就只要求升壓至不到20V，可以將效率提高至95％。而且如果一個LED開路，至多影響一串5個LED，而不會影響另一串5個LED的工作。這時，兩串LED共用一個LED電流采樣電阻，由于電流增加一倍變成1.4A，所以電流采樣電阻阻值也應當減小一倍，變成0.07歐姆。或者只將其中一串LED的電流進行采樣，而另一串LED直接接地，這樣就只能對其中一串的LED電流進行恒流控制。上述兩種方法各有優(yōu)缺點。兩串并聯(lián)時，所控制的是兩串電流之和。因此，如果兩串的LED伏安特性有區(qū)別時，這兩串LED的電流就會有所不同。除了電流采樣電阻，限壓電阻R3和R4的值也需要作相應的調(diào)整。只