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基于PAM2842的LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2010-07-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

太陽能燈具均由5個(gè)部分組成:太陽能電池、、控制裝置、LED的驅(qū)動(dòng)芯片以及LED本身。通常太陽能電池板掛在高桿上,充放電控制器和鉛放在地面的控制箱內(nèi),驅(qū)動(dòng)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(duì)的充電和放電過程以及定時(shí)向LED供電,并不能穩(wěn)定其輸出電壓。但是,有不少設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中略去了恒流驅(qū)動(dòng),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(dòng)就可以直接驅(qū)動(dòng)LED,這種想法是錯(cuò)誤的。

圖1 太陽能燈具的5個(gè)組成部分

蓄電池的輸出電壓會(huì)隨著放電而逐漸降低,在整個(gè)放電過程中,其輸出電壓的變化高達(dá)20%左右。如果用它直接對(duì)LED供電,會(huì)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。
圖2:鉛蓄電池的放電曲線。

從圖中可以看出,在整個(gè)放電過程中,鉛蓄電池的輸出電壓將會(huì)下降達(dá)2V(將近20%)。而從LED伏安特性可知,20%的電壓變化將會(huì)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(lán)色為白光LED。

基于PAM2842的LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3:某款3W LED的伏安特性。

假設(shè)初始電壓為4.2V,此時(shí)正向電流為700mA。如果電壓降到3.5V(20%),這時(shí)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(duì)于同一款3W LED,其相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和正向電流的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4:相對(duì)光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系。

圖4:相對(duì)光強(qiáng)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(qiáng)度從1.75降低到1.0。如果正向電流降低到180mA,其發(fā)光強(qiáng)度將降低到0.6(降低將近3倍),這是不允許出現(xiàn)的。


此外,LED的正向電流還與環(huán)境溫度有關(guān),圖5表明了LED在不同環(huán)境溫度時(shí)的伏安特性。

圖5:在不同環(huán)境溫度時(shí)LED的伏安特性。

圖5:在不同環(huán)境溫度時(shí)LED的伏安特性

LED的溫度系數(shù)通常為負(fù)的,也就是當(dāng)溫度升高時(shí),伏安特性向左移動(dòng),該值約為-2mV/℃,那么當(dāng)環(huán)境溫度從20度上升到70度時(shí),正向電壓就會(huì)降低0.1V,正向電流會(huì)降低約100mA。當(dāng)溫度變化時(shí),由于正向電流減小,LED的發(fā)光光譜也會(huì)發(fā)生變化。通常是向波長(zhǎng)長(zhǎng)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(gè)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(shí)都能保持電流恒定。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(dòng)10顆串聯(lián)的3W LED。最高輸出電壓可達(dá)40V,最大輸出電流可達(dá)1.75A,但總輸出功率不能大于30W。應(yīng)用電路如圖6所示。

LED的電流由串聯(lián)的采樣電阻決定,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(duì)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(duì)效率的影響基本上可以忽略不計(jì)。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,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(shí)可以把FsEL端接地。PAM2842具有很好的恒流特性,當(dāng)輸入電壓從12V降至10V時(shí),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(hù)電路(OVP),如果出現(xiàn)一個(gè)LED開路,芯片的升壓會(huì)被限制而不至于過高,保護(hù)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(huì)導(dǎo)致所有LED不亮。但是,假如有一顆LED短路,這時(shí)候,由于有恒流環(huán)控制,所以芯片會(huì)自動(dòng)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(shí)際應(yīng)用電路。

圖6:PAM2842的實(shí)際應(yīng)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(shí),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(dá)95%以上。而如果輸入電壓為12V,仍然要求升壓至40V,這時(shí)其效率就只有91%左右。因?yàn)榇蠖鄶?shù)太陽能路燈系統(tǒng)所采用的蓄電池是12V的,為了在12V時(shí)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(gè)LED開路,至多影響一串5個(gè)LED,而不會(huì)影響另一串5個(gè)LED的工作。這時(shí),兩串LED共用一個(gè)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(yīng)當(dāng)減小一倍,變成0.07歐姆?;蛘咧粚⑵渲幸淮甃ED的電流進(jìn)行采樣,而另一串LED直接接地,這樣就只能對(duì)其中一串的LED電流進(jìn)行恒流控制。上述兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。兩串并聯(lián)時(shí),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(shí),這兩串LED的電流就會(huì)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(yīng)的調(diào)整。只要根據(jù)Vout=1.2*(1+R3/R4)的公式加以調(diào)整就可以。

圖7:兩串10個(gè)1W的LED相并聯(lián)。

圖7:兩串10個(gè)1W的LED相并聯(lián)。

有的客戶也想要采用1W的LED,因?yàn)檫@種LED比較成熟,散熱也容易處理。同樣可以利用PAM2842來驅(qū)動(dòng)2串10個(gè)1W的LED,總輸出功率約為23W。不過,對(duì)于1W的LED,它的驅(qū)動(dòng)電流是350mA,所以兩串并聯(lián)后的總電流仍然是0.7A,和一串10個(gè)3W的LED情況一樣,采樣電阻仍然是0.142歐姆。當(dāng)然,也可以連成4串,每串5個(gè)1W的LED,總數(shù)為20個(gè),甚至是連成5串,每串5個(gè)1W的LED。以減少由于某一串中的LED開路而引起不亮的LED個(gè)數(shù)。這時(shí)采樣電阻需根據(jù)電流值來調(diào)整。6串5個(gè)1W的LED架構(gòu)不建議使用,因?yàn)槠鋵?shí)際的輸出電流過大,已經(jīng)超過了芯片的允許值。各種不同架構(gòu)時(shí)所相應(yīng)的電流采樣電阻和輸出限壓電阻阻值如表1所示。

表1:各種不同架構(gòu)時(shí)的電流采樣電阻和輸出限壓電阻的阻值。

表1:各種不同架構(gòu)時(shí)的電流采樣電阻和輸出限壓電阻的阻值。

圖中元件的選擇:
1. C1,C6:10uF/50V;
2. C2:1uF/50V;
3. C3,C4: 1uF/10V;
4. C5:10nF/50V;
5. R1:0.1V/ILED 2串1W LED 總電流約667mA, R1=0.15Ω,(0805, 1/10W),可以用多個(gè)電阻并聯(lián)來調(diào)整這個(gè)阻值到合適的電流;
6. R2:1KΩ;
7. R3,R4: 設(shè)定輸出限制電壓。Vout=1.2*(1+R3/R4),取R3=12KΩ,R4=360KΩ,Vout=37.2V,要大于10個(gè)1W LED 串聯(lián)的電壓,但是要小于40V;
8. L1:33uH/3A;
9. D1:3A/40V;
10. 工作頻率選擇500KHz,要將Fsel接地。

演示板的印制板圖如圖8所示。

圖8:PAM2842的演示板印制板圖。

圖8:PAM2842的演示板印制板圖。

PAM2842不僅可用于太陽能路燈中,也可用于任何直流電源(12~24V)供電的,或是采用開關(guān)電源將交流變成直流輸出的系統(tǒng)中。在很多應(yīng)用中,出于安全的考慮,通常都是采用低壓直流電源,例如水下照明或用戶有可能接觸到的地方。

一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源,通常只能提供穩(wěn)壓輸出而不能保證LED恒流。因此,當(dāng)溫度變化時(shí),LED的電流就有可能變化。這都需要采用像PAM2842這樣的專門針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)的恒流驅(qū)動(dòng)芯片,才能保證LED燈具的性能。PAM2842是目前同類內(nèi)置大功率MOSFET恒流驅(qū)動(dòng)芯片中,輸出功率最大的。



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