設(shè)計(jì)LED路燈時(shí)應(yīng)該怎樣選擇恒流模塊
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經(jīng)常會(huì)收到客戶的電話詢問(wèn),你們的恒流驅(qū)動(dòng)模塊能夠帶多大的功率啊?這種問(wèn)題實(shí)際上是無(wú)法回答的。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/恒流模塊">恒流模塊能夠帶多大的功率是和很多因素有關(guān)。從恒流模塊本身來(lái)說(shuō),它主要是和散熱要求和散熱條件有關(guān),當(dāng)然也和驅(qū)動(dòng)芯片的電流驅(qū)動(dòng)能力有關(guān)。然而即使這些都已經(jīng)確定下來(lái),例如已經(jīng)選定了SLM2842這一款恒流模塊,那么他的驅(qū)動(dòng)能力似乎應(yīng)該完全確定了!其實(shí)不然!雖然它的極限驅(qū)動(dòng)能力是可以知道,例如它的最大開(kāi)關(guān)電流,它的最大輸入電流,它的最大輸入電壓和最大輸出電壓等。然而,一個(gè)恒流模塊的驅(qū)動(dòng)功率除了和它的散熱能力有關(guān)以外,最主要的還和它的工作效率有關(guān)。而它的工作效率則和很多外在的因素有關(guān),尤其是用戶使用情況有關(guān)。所以在設(shè)計(jì)或選用LED模塊的時(shí)候就要考慮恒流源的要求和特點(diǎn)。
一.LED連接架構(gòu)
在設(shè)計(jì)和選用LED模塊時(shí)就需要考慮一些和恒流模塊和其他有關(guān)的要求。
1. 串聯(lián)的LED數(shù)應(yīng)當(dāng)少于10個(gè),這是因?yàn)樽鳛長(zhǎng)ED燈具,有一個(gè)安規(guī)上的要求。根據(jù)歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)采用直流或交流供電的LED模塊要求在LED燈具中的電壓不得超過(guò)最大安全特低電壓(SELV),也就是其工作輸出電壓≤25 Vrms (35.3 Vdc),所以串聯(lián)的LED總數(shù)不得超過(guò)10個(gè)。
2. 作為路燈,為了修理更換方便通常采用LED模塊,每一個(gè)模塊通常設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形,恒流模塊也設(shè)計(jì)在其中。建議每個(gè)模塊的功率小于30W。這樣,在100W左右的路燈采用3-4個(gè)LED模塊,而150WLED路燈,則采用5-6個(gè)LED模塊。再大功率則可以用7-8個(gè)模塊。
3. 在每個(gè)LED模塊中,通常采用1W的LED,其連接方式為串并聯(lián)方式。假如LED有保護(hù)二極管,那么可以先串后并,假如沒(méi)有保護(hù)二極管,那么就要先并后串,以免一個(gè)損壞一串都不亮。
4. 具體用幾串幾并,就要進(jìn)一步了解恒流模塊的性能和特點(diǎn)了。
二.恒流模塊的性能和特點(diǎn)
普通的穩(wěn)壓電源是在負(fù)載變化時(shí),輸出電壓不變。而恒流模塊是一種在輸入電壓變化時(shí)保持輸出電流恒定的一種電源。在使用前,必須了解它的各種特點(diǎn)。
1. 電流的設(shè)定：一般恒流模塊的輸出電流都可以在很大的范圍內(nèi)根據(jù)用戶的要求來(lái)調(diào)節(jié),只要簡(jiǎn)單地改變一下輸出電流設(shè)定電阻就可以了。
2.類型：恒流模塊有升壓型、降壓型和升降壓型三種。選擇哪一種完全是由所要求的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系而決定的。但是如果從得到最大效率的觀點(diǎn)出發(fā),那么就應(yīng)該選擇降壓型。降壓型就是輸入的電壓比較高。所以輸入的電流就比較小,這樣由銅損所引起的損耗就比較小,而降壓型的恒流模塊通常有較高的效率。所以,也一定要把負(fù)載中串聯(lián)的LED數(shù)目盡量減少,以便能夠采用降壓型的恒流驅(qū)動(dòng)模塊。
3. 輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系
不管是升壓型還是降壓型恒流模塊,其升壓比或降壓比都是越接近1時(shí)效率越高。當(dāng)然也不能等于1,而必須留出2-3V給恒流模塊消耗。而這完全是由路燈的整燈設(shè)計(jì)所決定的。所以在進(jìn)行路燈的總體設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮這個(gè)因素來(lái)選擇電源電壓和負(fù)載串聯(lián)的LED個(gè)數(shù)。而不是設(shè)計(jì)好了再來(lái)要求恒流模塊必須提供多高的效率。
4.調(diào)光能力：恒流模塊通常都具有調(diào)光能力,而且這種調(diào)光能力并不是簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)其輸出電流,而是采用一種稱之為脈寬調(diào)制(PWM)的調(diào)光方法,它利用了LED的快速開(kāi)關(guān)能力和人眼的視覺(jué)殘留,使得看上去的亮度發(fā)生了變化。從而避免了因?yàn)檎{(diào)節(jié)電流而產(chǎn)生的色譜的變化。這種調(diào)光能力在路燈設(shè)計(jì)中是非常重要的,因?yàn)槔眠@種性能可以使路燈的亮度根據(jù)交通流量來(lái)變化,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。
下面我們分太陽(yáng)能LED路燈和市電LED路燈兩種情況來(lái)討論。
三.太陽(yáng)能路燈
太陽(yáng)能LED路燈的最大特點(diǎn)就是它通常是由蓄電池供電的,而蓄電池有一些特點(diǎn)是需要考慮的：
3.1 蓄電池只有幾種規(guī)定的電壓,12V是最常使用的,因?yàn)樗瞧囯姵氐臉?biāo)準(zhǔn)電壓。24V就需要用兩個(gè)串聯(lián)。36V就更少見(jiàn)了。為此,在太陽(yáng)能LED路燈中經(jīng)常需要采用升壓型的恒流驅(qū)動(dòng)模塊。這就影響了恒流模塊的效率。
3.2在太陽(yáng)能路燈中另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是輸入電壓的變化
對(duì)于恒流源的輸出功率和效率來(lái)說(shuō),要得到最高的效率就要保持輸入和輸出電壓的比值越接近1越好。但是如果輸入電壓不穩(wěn)。那么就很難保持在最高效率的最佳狀態(tài)。太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)通常采用蓄電池作為能量?jī)?chǔ)存單元。而蓄電池在剛充滿電和快放完電的時(shí)候電壓會(huì)有較大的變化。通常這種變化超過(guò)30%以上。例如對(duì)于12V的蓄電池,其輸出電壓可以在14.8V變化到10.8V。當(dāng)然對(duì)于恒流模塊來(lái)說(shuō),這樣的變化是完全可以承受的。也就是完全可以在這樣大的變化范圍內(nèi)保持其輸出電流的恒定。但是這也是有代價(jià)的,那就是不能工作于最佳狀態(tài)。所謂最佳狀態(tài)就是指效率最高的狀態(tài)。或是輸出功率最高的狀態(tài)。
對(duì)于恒流模塊來(lái)說(shuō),不管是升壓型還是降壓型,只有當(dāng)輸出電壓最接近輸入電壓的時(shí)候,效率最高。通常輸出電壓是由負(fù)載決定的,是很少變化的。所以當(dāng)輸入電壓在一個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí),它的效率也跟著變化。為了保證在最壞情況下也能工作,就不能工作在最佳狀態(tài)了!
例如對(duì)于SLM2842S升壓型恒流模塊,假如輸出功率為27瓦,那么升壓比越接近1,效率就越高!芯片的溫升就越低!壽命和可靠性也就越高(見(jiàn)圖1)。
圖1. SLM2842S在輸出功率為27.5W時(shí),芯片表面溫度和升壓比的關(guān)系。
從圖中可以看出,芯片封裝也是很重要的,采用QFN的芯片封裝顯然好于采用TSSOP的芯片封裝,因?yàn)樗臒嶙枰秃芏?。所以在?gòu)買模塊時(shí)也要了解所采用芯片的封裝(盡可能采用QFN封裝的,盡量不要采用TSSOP封裝的)。
現(xiàn)在舉一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明：假如太陽(yáng)能LED路燈采用的是12V蓄電池,負(fù)載是8串3并1W的LED,那么在輸出端負(fù)載的電壓大致是26.4V,電流是1.05A,輸出功率為27.7W。而假如采用12V蓄電池,在電壓最高的時(shí)候是14.8V,升壓比就是1.78,那時(shí)候不用散熱器用QFN封裝時(shí)外殼溫度大約是60度。還可以接受,但是當(dāng)蓄電池電壓降低至10.8V時(shí),升壓比就變成2.44倍,這時(shí)候外殼溫度就會(huì)升高到70度以上,而假如采用的是TSSOP封裝,那么外殼溫度更會(huì)上升至85度左右,就是不能允許的了!
除了要考慮外殼溫度以外,還要考慮最大輸入電流。因?yàn)镾LM2842的最大輸入電流為3A。在計(jì)算最大輸入電流時(shí),要考慮恒流模塊本身的效率?，F(xiàn)在假定是90%,同時(shí)假定輸出功率是32W,除以0.9就是35.5W,而當(dāng)輸入電壓為14.8V時(shí),輸入電流為2.4A,沒(méi)有超出允許的3A;可是當(dāng)蓄電池電壓降低至10.8V時(shí),輸入電流就達(dá)到3.28A,這就超出了3A,芯片就會(huì)自動(dòng)停止工作。
所以假如不考慮蓄電池的電壓變化是很危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)!
那么是不是可以采用2個(gè)蓄電池串聯(lián)呢?在這里也是不行的,因?yàn)檫@樣的話,輸入電壓剛好和輸出電壓相同,都是在24V左右。這時(shí)候就必須采用升降壓型的SLM2842SJ。
升降壓型的恒流模塊的特點(diǎn)是不論輸入電壓如何變化,使得其低于或高于輸出電壓時(shí),其輸出電流都不變。也就是說(shuō)它可以自動(dòng)地根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系自動(dòng)地從升壓變?yōu)榻祲骸＠?升降壓恒流模塊SLM2842SJ可以在輸出電流為1A,輸出電壓為13V時(shí),輸入電壓從7.5V一直升至25V都能保持輸出電流為恒定的1A。那么是不是所有情況下都盡可能采用升降壓型呢?不是這樣的,因?yàn)樯祲盒偷妮敵龉β时容^小,而且它的效率低,價(jià)錢貴,不是必要情況下盡量少用。
那能不能用三個(gè)蓄電池串聯(lián),而采用降壓型的恒流模塊呢?理論上是可以的,這時(shí)候還可以得到更高的效率,但是因?yàn)槿齻€(gè)蓄電池串聯(lián)有可能會(huì)用了過(guò)大的容量(安時(shí)),而且增加了成本,增加了維護(hù)時(shí)更換蓄電池的幾率?？傮w上是不合算的。
所以對(duì)于太陽(yáng)能LED路燈的設(shè)計(jì),可以歸納如下：
如上所述,3個(gè)蓄電池串聯(lián)是不建議使用的,所以假如總功率大于60W,那時(shí)候太陽(yáng)能電池板的尺寸也會(huì)過(guò)大而抗風(fēng)力降低,所以建議采用可調(diào)光控制器,以盡量減少亮燈時(shí)間和亮度。這樣可以節(jié)約大約40-50%的容量。這樣,仍然可以采用2個(gè)12V蓄電池串聯(lián)的方案。
四.市電LED路燈
在市電的情況下,當(dāng)然最好是采用AC-DC直接恒流輸出的方案。
但是這種方案大多數(shù)只能提供小功率輸出(40W)目前只有美國(guó)的Power Integration 公司的TOP250YN才能夠提供75W功率輸出的方案。但是其電路十分復(fù)雜,價(jià)格貴,而且靈活性低。
國(guó)內(nèi)的茂碩公司雖然也提供直接恒流輸出的電源,但是通常只有單路輸出。如果要多路就必須定制(路數(shù)和每路電流)。一方面提高了成本,而且將來(lái)要有任何變動(dòng)都將是十分麻煩的事。
所以在市電的情況下最好先用恒壓電源穩(wěn)壓然后再采用多個(gè)恒流模塊恒流。這樣做的最大好處就是可以在各種不同的LED連接架構(gòu)下得到最高的效率。因?yàn)榭梢匀我膺x擇恒壓源的輸出電壓而達(dá)到最佳的匹配。而且靈活性高,很容易改變其組合。
市電的恒壓源是一種非常成熟的產(chǎn)品,它通常具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
1. 輸入電壓范圍寬,可以適用于各國(guó)不同的電壓規(guī)格。
2. 效率高,通常可以做到90%以上。
3. 功率因素高,通?？梢宰龅?.99以上
4. 具有防浪涌措施,可抗雷擊4kv以上,可以保護(hù)后面的電路。
5. 具備完善的過(guò)流,過(guò)壓,短路,過(guò)功率保護(hù)功能
6. 成本低
7. 最大的優(yōu)點(diǎn)是很容易選擇其輸出電壓以便和負(fù)載電壓接近從而得到最高的效率
下面就來(lái)舉一個(gè)例子：
這是一個(gè)LED功率為112W的路燈,LED模塊分為4組,每組為7串4并,28W。
我們采用了香港煒達(dá)電子公司的150W,輸出28V的市電穩(wěn)壓電源VP28SA150U,其總體框圖如圖2所示：
圖2. 市電LED路燈的通用結(jié)構(gòu)
因?yàn)樨?fù)載是7串4并。其電壓為23-24V左右,所以選用了輸出為28V的開(kāi)關(guān)電源,這樣就可以采用降壓型的恒流源。而且因?yàn)槠漭敵鲭妷菏纸咏斎腚妷?從而可以實(shí)現(xiàn)很高的效率。實(shí)測(cè)的結(jié)果為從輸入到輸出的總效率為90.9%,功率因素為0.996。
而且這種恒壓和恒流分開(kāi)的方案的最大優(yōu)點(diǎn)是可以插入程序調(diào)光系統(tǒng)。這樣可以進(jìn)一步節(jié)約電能40%以上,這是任何直接恒流輸出方案所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
而且這種方案又可以配合各種不同的LED連接架構(gòu)。例如假定LED為10串3并。那么只要把上面圖中的穩(wěn)壓源的輸出改為36V,其他一切都不變就可以了。這時(shí)恒流源本身的效率可以高達(dá)98%。
總而言之,LED路燈設(shè)計(jì)人員,必須對(duì)各種恒流電源的特性有充分的了解,才能設(shè)計(jì)出高性能、高可靠的路燈系統(tǒng)來(lái)!
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