恒流驅(qū)動源研究及在太陽能LED路燈中的應(yīng)用

一、概述

太陽能的利用雖然有很多方法，但是像超大功率的太陽能發(fā)電站、家庭屋頂發(fā)電等都不適合中國的國情，唯一最簡單而最容易實現(xiàn)的是太陽能路燈。我國的路燈總數(shù)超過1億盞，只要其中的6000萬盞改成太陽能路燈，其每年節(jié)省的電量就超過一個三峽水電站的發(fā)電量。如果把今后每年新增的2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈，三年下來又是一個三峽水電站。其節(jié)能的效果是非?？捎^的，而且完全不需要興師動眾地動員全國的力量來興建，而這樣發(fā)動各級地方政府的力量和各個有關(guān)企業(yè)的力量就可以完成。

太陽能路燈的構(gòu)成十分簡單（圖1）。

圖1. 太陽能路燈的構(gòu)成

太陽能路燈的安裝也十分簡單，幾乎就好像種樹一樣，挖一個坑，埋進去就可以了。不像采用交流電的路燈，需要鋪電纜、建造變壓器房、挖維修井…。雖然單個太陽能路燈的造價要比普通的高壓鈉燈的造價貴，但是，如果考慮鋪設(shè)電纜等的總體造價，二者就相差不多。再加上以后每年所節(jié)省的可觀的電費，可以說，太陽能路燈在一兩年之內(nèi)所節(jié)省的電費就可以彌補其差價，以后所節(jié)省的電費就是純收益了。

從圖1所示的框圖中可見，其中最核心的部件，就是PWM調(diào)光控制器和恒流模塊。過去很多投資都投向太陽能電池、和LED。很少有人關(guān)心到這兩部分，以至于目前市面上的控制器大都沒有PWM調(diào)光的能力，而目前的恒流模塊絕大多數(shù)都是采用從國外進口的芯片。而國家也不重視這方面投入。這是一個很大的問題，當(dāng)然也是有很大的機遇。

二、太陽能LED路燈為什么需要恒流驅(qū)動

除了發(fā)光效率以外，要使LED能夠成為一個實用的燈具還有一系列問題需要解決。其中最重要的就是它的恒流驅(qū)動。這是由以下幾個原因所決定的。

（一） 太陽能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不恒定
在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲存單元的，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放，其電壓變化是會接近20%的（圖2）。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。

圖2. 鉛蓄電池的放電曲線。

圖3. 某一公司的 LED的伏安特性

LED有很陡的伏安特性（圖3）。

假定初始的電壓為3.25V，這時的正向電流為350mA。假如供電電壓降低到2.6V（20％），這時的電流就不到40mA,降低了將近8.75倍。

而LED的發(fā)光亮度是直接和其正向電流有關(guān)的。同一廠家的同一 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350mA降低8.75倍到40mA，其相對發(fā)光強度將從100降低到20。降低將近5倍。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。

（二） LED發(fā)光的溫度不穩(wěn)定

LED路燈通常在露天工作，其環(huán)境溫度的變化是很大的。
而LED的正向電流還和結(jié)溫有關(guān)，圖5就表明LED在不同結(jié)溫時的伏安特性。

圖5. 在不同環(huán)境溫度時LED的伏安特性

LED的溫度系數(shù)通常為負的，也就是當(dāng)溫度升高時（T1－>T2），伏安特性向左移動。其值大約是-2mV/℃，那么當(dāng)其結(jié)溫增加50度時，其正向電壓就會降低0.1V，假如用恒壓電源供電時，其正向電流就會增加。比如，常溫25℃時LED最佳工作電流20mA，當(dāng)環(huán)境溫度升高到85℃時，PN結(jié)電壓VF下降,工作電流急劇增加到35mA～37mA，但此時電流的增加并不會產(chǎn)生亮度的增加，稱為亮度飽和。同樣，當(dāng)環(huán)境溫度下降至-40℃時，結(jié)電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小到8mA~10mA，發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低，達不到應(yīng)用場所所需的照度。

而且當(dāng)溫度變化時，LED的發(fā)光光譜也會發(fā)生變化。通常溫度增加時光譜的最大值是向波長長的方向漂移。大約是每升高10oC時漂移1nm，升高50度會產(chǎn)生5nm的變化（見圖6）。

圖6. LED發(fā)光的峰值波長隨環(huán)境溫度而變化

實際上，LED的光譜也是隨其正向電流改變而改變。這也是不希望的，所以一定要保持其正向電流恒定。采用恒流源供電以后，這種溫度變化所引起的電流變化就會轉(zhuǎn)化為其正向電壓的變化，從而不會引起亮度和光譜的變化。

（三）LED的PWM調(diào)光

在太陽能LED路燈中，常常需要按照工作時間來調(diào)節(jié)路燈的亮度，以減小太陽能電池板的面積。
為了改變LED的亮度，最簡單的方法就是改變其正向電流。但是，正向電流的改變會引起光譜的改變，對于白光LED，會引起其視在色溫的改變，顯然這是不希望的(圖7)。

圖7. 正向電流的變化引起的發(fā)光光譜的變化.

最好的方法就是采用脈寬調(diào)制（PWM）的方法來調(diào)光。這實際上利用了人眼的視覺殘留的特點，使得雖然LED仍然以滿電流工作，但是它是開關(guān)式地間歇地工作，改變開和關(guān)的比例，就可以改變其視在亮度。為了不致引起閃爍的感覺，開關(guān)的周期必須小于人眼視覺殘留的時間，也就是說，PWM的頻率必須高于人眼所能感覺到的閃爍頻率。大約是在200Hz以上。不過，由于現(xiàn)在的LED功率越來越大，要產(chǎn)生大功率的PWM信號直接加到LED上是很麻煩的。幸好現(xiàn)在的恒流源大多是一種開關(guān)式直流變換器，它可以接受一個很小功率的PWM信號，就可以輸出一個大功率的開關(guān)信號加到LED上，而同時還能保持恒流的作用，也就是它的峰值仍然保持原來設(shè)定的電流值。

所以，為了實現(xiàn)PWM調(diào)光也是需要采用恒流驅(qū)動源。而調(diào)光功能在太陽能LED路燈中是非常重要的。例如可以在午夜以后改為半功率工作，甚至再以后改為1/3功率工作，這樣就可以大大減小太陽能電池板的面積，從而降低了整個燈具的成本。

（四）LED的不一致性

即使是同一型號的LED其伏安特性在各個個別的器件之間也是不同的，更何況在不同生產(chǎn)廠家之間就更是不同了(圖8)。

圖8. 同一廠家LED伏安特性離散性(實線),和不同廠家LED伏安特性的離散性(虛線)

從圖中可以看出,假如采用恒壓電源供電，它們之間的正向電流就會有很大的差異。而過大的正向電流也會導(dǎo)致光衰的加速，所以一定要用恒流源供電。

三．各種恒流源的選用

用在太陽能LED路燈中的恒流源，可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種：所謂升壓型就是它的輸出電壓比輸入電壓高。降壓型就是輸出電壓比輸入電壓低。而升降壓型則是可以根據(jù)輸入電壓低于或高于輸出電壓的情況自動地調(diào)節(jié)其工作模式為升壓或降壓。

在太陽能LED路燈中，通常采用鉛蓄電池作為儲能器件，它的電壓通常為12V或24V兩種。而所要求的輸出電壓，則是由所連接的LED的架構(gòu)所決定。為了使得所有LED的正向電流一致，通常采用各個LED串聯(lián)的方式，這時，所要求的輸出電壓就是所有串聯(lián)的LED正向電壓的總和。例如，假定用10個LED串聯(lián)（圖9a），其正向電壓的總和大約為10x3.3V=33V。其實由于各個生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的LED各不相同，而且各個LED之間也有所不同。所以，10個LED的正向電壓的總合也不盡相同。其實在恒流源中，所恒定的是電流而不是電壓。所以，并不需要知道正向電壓總和的準(zhǔn)確值，而只要知道它比輸入電壓高還是低就可以了。在這里，不論采用12V還是24V的蓄電池，它都要求采用升壓型的恒流源。

假如所用的LED為10V，1A的10瓦LED。那么不論是12Vd1蓄電池還是24V的蓄電池就都要采用降壓型的恒流源。
如果LED的電壓和電源電壓接近，例如負載為4個1瓦LED串聯(lián)，那么它的電壓為13V左右，而蓄電池在充滿電的時候就會達到14V以上，這時候就要用降壓型的恒流源，但是如果在蓄電池快要放完電的時候，它的電壓就大概只有10.4V。這時候就需要采用升壓型的恒流源。所以，在這種情況下，就必須采用升降壓型的恒流源。

多個LED也可以采用串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通常我們稱之為幾串幾并。例如10串3并就是如圖9b的結(jié)構(gòu)。

圖9. LED的10串3并結(jié)構(gòu)

這時候雖然也可以采用一個恒流源供電，但是這時候的恒流源就只能夠恒定3串的總電流。這個總電流在各串中的分配是根據(jù)它們的伏安特性來分配的。因為加在這3串上的電壓是一樣的，而每串中的每一個LED的電流又是相同的，這時候就必須平衡在滿足這兩個條件的工作點上。而且，假如有一串中的一個LED壞了，就會把三串的總電流分配到兩串中去，這就加大了每串中的電流。為了減小各串之間的電流不平衡，可以把各串中所有的LED都并聯(lián)起來，構(gòu)成一個網(wǎng)格型的結(jié)構(gòu)。這時候如果某一串中有一個LED壞了，就不會影響到其它LED。但是，如果壞的LED呈現(xiàn)短路情況，那就會把其它兩串中的LED也都短路掉，不過LED損壞時以開路為多，短路比較少。當(dāng)然最好的方法就是用保護二極管（通常是齊納二極管）和每個LED并聯(lián)，不過這樣就增加了成本

當(dāng)然多個LED也可以采用全部并聯(lián)的方法，但是因為每個LED的伏安特性不一樣，如果這時候用恒壓源來供電就會產(chǎn)生極大的問題（圖10）。

圖10. 用恒壓源對多個并聯(lián)的LED供電時每個LED的電流都不一樣

這時候即使采用大電流的恒流源供電，也不能保證每個LED里的電流一樣，通常需要對每個LED串聯(lián)電阻來得到平衡，但那樣會降低效率。所以并聯(lián)的LED數(shù)過多是不建議的。

四．恒流源的基本工作原理和特性

(一) 升壓型恒流源的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11. 升壓型恒流源的基本原理圖

圖中顯示了一個基本的電感升壓電路，其中控制器（Control）給出了一個PWM開關(guān)信號來控制大功率開關(guān)管，后者在導(dǎo)通時對電感充電，而在斷開時電感中的能量就對電容充電。經(jīng)過幾次開關(guān)以后就可以把輸入電壓泵至更高的電壓，從而完成升壓的任務(wù)。改變PWM信號的工作比就可以改變其輸出電壓。為了保持輸出電流的恒定，就要求測量輸出電流值，這是靠一個和LED串聯(lián)的小電阻來測量的。這個電阻上的電壓就和一個參考電壓相比較，比較所得出的誤差信號就送去控制器用以改變PWM信號的工作比，這樣就實現(xiàn)了一個閉環(huán)自動控制，以控制其輸出電流為恒定。

在選用這類升壓型恒流源時，有幾個問題需要注意的。

1. 恒流特性要好

圖12表示一個SLM2842S的恒流特性曲線。檢測電阻放在高端比方在低端更為好點。

圖12. SLM2842S的恒流特性

2. 升壓比要盡可能小，或者說輸入電壓要盡可能高，一般來說，升壓比越小效率越高。下面圖13是當(dāng)輸出電流為0.7A輸出功率為30瓦時，SLM2842S的效率和輸入電壓的關(guān)系。

圖13. 當(dāng)輸出電流為0.7A輸出功率為30W時，SLM2842S的效率和輸入電壓的關(guān)系

由圖中可見，如果采用12V的蓄電池，它的效率就只有90%左右，而如果改用24V的蓄電池，它的效率就可以達到94%。這就可以減少芯片的功耗，降低芯片的溫度，提高芯片的可靠性。

3. 檢測電阻要盡可能小，以免在上面消耗功率。實際上這也就意味著其內(nèi)部的參考電壓要盡可能低。這對于芯片設(shè)計者來說有一定的難度。如果這個參考電壓在0.1伏左右，就是一個相當(dāng)好的一個芯片了，這時，外部的檢測電阻就可以用一個很小值了，也就意味著整個系統(tǒng)具有很高的效率。

(二) 降壓型恒流源

降壓型恒流源的基本工作原理和升壓型是差不多的。其基本原理圖如圖14所示。

圖14. 降壓型恒流源的基本原理圖

通常儲能電感是和LED串聯(lián)，開關(guān)導(dǎo)通時，電感儲能；開關(guān)斷開時電感通過二極管繼續(xù)有電流流通。由于輸出電壓是輸入電壓減去電感電壓，所以是降壓型。LED中的電流經(jīng)過檢測電阻測量以后反饋回控制器。來控制PWM的工作比，以實現(xiàn)恒流的控制。

降壓型恒流源的缺點是要求輸入電壓高于輸出電壓，而太陽能LED路燈中所采用的蓄電池往往是12V，頂多是24V。而路燈中的LED通常是10個串聯(lián)，其所要求的總輸出電壓往往在33V-36V左右，因此較難采用降壓型的恒流源。而降壓型恒流源的優(yōu)點是效率高。因為輸入電壓高于輸出電壓，所以輸入電流小于輸出電流。電流小有助于減小電阻性損耗。圖15表明一個降壓型恒流源在輸入電壓固定在35V，輸出電流固定在2A時，其效率和輸出電壓的關(guān)系曲線。

圖15. 降壓型恒流源的效率和輸出電壓的關(guān)系曲線

從圖中可以看出，當(dāng)輸出電壓為30V時，其效率高達98%。這種恒流源的恒流特性也很好（圖16）。

圖16. SLM2862J的恒流特性

其實，這種降壓型恒流源也可以用在交流電的LED路燈中，只要在前面加一個輸出為36V的恒壓電源，就可以驅(qū)動60瓦（1瓦LED10串6并）的LED，而且效率高達98%。

（三） 帶PWM調(diào)光的恒流源

對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍LED中幾納米波長的變化，特別是在光強也在變化的時候。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測的。而采用改變正向電流的方法來調(diào)光就很容易使人眼感覺到色溫的變化，這是不希望的。所以在大功率LED路燈中，我們往往采用PWM的調(diào)光方法，以避免視在色溫的變化。另一方面，改變正向電流的模擬式調(diào)光也會使輸出電流的設(shè)定精度降低，這也是不希望的。

在PWM調(diào)光中，有一個很重要的指標(biāo)就是調(diào)光頻率。調(diào)光頻率要足夠高，以避免人眼感到閃爍，所以至少在200Hz以上。另一方面，調(diào)光頻率也不能過高，因為輸出電流從0增加到規(guī)定值有一個過程，也就是需要消耗一定時間，希望這個時間占整個周期的比例越小越好，所以周期不能太小。否則會降低所能實現(xiàn)的對比度。

除此之外，還有升降壓型恒流源。但是這種恒流源比較多應(yīng)用在像汽車這類的輸入電壓會在很大范圍內(nèi)波動的場合，而很少應(yīng)用在太陽能LED路燈中。就不在這里介紹了。結(jié)束語

太陽能LED路燈具有極好的市場前景，而且也是開發(fā)可再生能源的一種最佳途徑。然而從目前情況來看，大多數(shù)人都把目光集中在太陽能電池板，以及LED燈具上。而較少有人注意到恒流源和控制器的性能和開發(fā)這方面。而選擇高性能的LED恒流源不但可以提高LED路燈的可靠性，而且具有PWM調(diào)光性能的恒流源和具有PWM調(diào)光輸出的控制器相配合，還可以大大減小所需的太陽能電池板的面積，這對于降低整個燈具的成本，加速普及太陽能LED路燈具有極其重要的意義。希望所有從事太陽能LED路燈的工作者都來重視這方面的工作，把我國的太陽能LED路燈提高到國際的最先進的水平上來！