LED路燈設(shè)計中恒流源模塊的選擇

我們知道所有的LED都必須采用恒流源供電，但是目前很多路燈制造商大多是在LED模塊已經(jīng)設(shè)計好的情況下再來尋找合適的恒流模塊。殊不知這種設(shè)計方法是會遇到問題的，至少使得這種設(shè)計不是最佳的。有可能還會要重新設(shè)計LED模塊。

一．LED連接架構(gòu)

在設(shè)計和選用LED模塊時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，這是因為作為LED燈具，有一個安規(guī)上的要求。根據(jù)歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn)，針對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10個。

2．作為路燈，為了修理更換方便通常采用LED模塊，每一個模塊通常設(shè)計成長方形，恒流模塊也設(shè)計在其中。建議每個模塊的功率小于30W。這樣，在100W左右的路燈采用3-4個LED模塊，而150WLED路燈，則采用5-6個LED模塊。再大功率則可以用7-8個模塊。

3．在每個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有保護二極管，那么可以先串后并，假如沒有保護二極管，那么就要先并后串，以免一個損壞一串都不亮。
4．具體用幾串幾并，就要進一步了解恒流模塊的性能和特點了。

二．恒流模塊的性能和特點

普通的穩(wěn)壓電源是在負(fù)載變化時，輸出電壓不變。而恒流模塊是一種在輸入電壓變化時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。

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)用戶的要求來調(diào)節(jié)，只要簡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)計所決定的。所以在進行路燈的總體設(shè)計時就必須考慮這個因素來選擇電源電壓和負(fù)載串聯(lián)的LED個數(shù)。而不是設(shè)計好了再來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的快速開關(guān)能力和人眼的視覺殘留，使得看上去的亮度發(fā)生了變化。從而避免了因為調(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)計中是非常重要的，因為利用這種性能可以使路燈的亮度根據(jù)交通流量來變化，從而進一步實現(xiàn)了節(jié)能的目的。
下面我們分太陽能LED路燈和市電LED路燈兩種情況來討論。

三．太陽能路燈

太陽能LED路燈的最大特點就是它通常是由蓄電池供電的，而蓄電池有一些特點是需要考慮的：

3.1 蓄電池只有幾種規(guī)定的電壓，12V是最常使用的，因為它是汽車電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓。24V就需要用兩個串聯(lián)。36V就更少見了。為此，在太陽能LED路燈中經(jīng)常需要采用升壓型的恒流驅(qū)動模塊。這就影響了恒流模塊的效率。

3.2在太陽能路燈中另一個需要考慮的問題是輸入電壓的變化對于恒流源的輸出功率和效率來說，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)。太陽能LED路燈系統(tǒng)通常采用蓄電池作為能量儲存單元。而蓄電池在剛充滿電和快放完電的時候電壓會有較大的變化。通常這種變化超過30%以上。例如對于12V的蓄電池，其輸出電壓可以在14.8V變化到10.8V。當(dāng)然對于恒流模塊來說，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)。
對于恒流模塊來說，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)輸入電壓在一個范圍內(nèi)變化時，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（見圖1）。

圖1. SLM2842S在輸出功率為27.5W時，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，因為它的熱阻要低很多。所以在購買模塊時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)在舉一個具體的例子來說明：假如太陽能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，在電壓最高的時候是14.8V，升壓比就是1.78，那時候不用散熱器用QFN封裝時外殼溫度大約是60度。還可以接受，但是當(dāng)蓄電池電壓降低至10.8V時，升壓比就變成2.44倍，這時候外殼溫度就會升高到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。因為SLM2842的最大輸入電流為3A。在計算最大輸入電流時，要考慮恒流模塊本身的效率?，F(xiàn)在假定是90%，同時假定輸出功率是32W，除以0.9就是35.5W，而當(dāng)輸入電壓為14.8V時，輸入電流為2.4A，沒有超出允許的3A；可是當(dāng)蓄電池電壓降低至10.8V時，輸入電流就達到3.28A，這就超出了3A，芯片就會自動停止工作。所以假如不考慮蓄電池的電壓變化是很危險的設(shè)計！那么是不是可以采用2個蓄電池串聯(lián)呢？在這里也是不行的，因為這樣的話，輸入電壓剛好和輸出電壓相同，都是在24V左右。這時候就必須采用升降壓型的SLM2842SJ。升降壓型的恒流模塊的特點是不論輸入電壓如何變化，使得其低于或高于輸出電壓時，其輸出電流都不變。也就是說它可以自動地根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系自動地從升壓變?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，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，因為升降壓型的輸出功率比較小，而且它的效率低，價錢貴，不是必要情況下盡量少用。