PoE和LED結(jié)合的低功率、高亮度、長電纜解決方案

引言

與燈泡或螢光管相比，LED不單體積更小，光線放射更具方向性，而且只需低壓直流電即可驅(qū)動。IEEE認可的以太網(wǎng)電源(PoE)可以利用標準的以太網(wǎng)電纜來提供電源，并且這些電纜同時可提供網(wǎng)絡服務。PoE供電設備可在長達100米的電纜上利用48VDC來輸送15W的電力。在長電纜末端發(fā)放低功率高亮度光線自然非48VDC莫屬。此外，對于LED驅(qū)動器而言，采用DC-DC轉(zhuǎn)換器比起AC-DC轉(zhuǎn)換器的效果更佳，因為后者需使用更多元件和空間，而且效率亦比較低。事實上，LED和PoE兩者好像是為對方而生。配合PoE再加上高功率的LED，便可誕生出一個無懈可擊的方案。
 
圖 1  PoE LED 燈的原理圖

針對性解決方案

IEEE 802.11af規(guī)定在電源處的最高功率為15W。在典型電壓48V下，輸出電流為350mA。

然而，CAT5以太網(wǎng)電纜本身在設計時并沒有預期要做輸電應用，故一般只是采用較細的24線規(guī)銅線。因此，長距離的功率損耗(PoE電纜的長度可達100米)可達2W，剩下只有約13W給負載。要解決這個問題就需要使用10個1W的LED來組成一個光源，并用一條12英尺長的CAT5電纜把燈泡連接到電源。這樣，LED的照明效能便可大幅提升，標準的1W器件可發(fā)放每瓦50流明的光度，而最好的器件則可每瓦達100流明，并且會不斷改進。

北美LED制造商Cree生產(chǎn)的的1W功率LED在LED的裸片中采用表面貼裝技術(shù)，內(nèi)置了一塊可提供朗伯(lambertian)觀景角度的鏡片和一個具有低熱阻接口的裸片散熱銅套。這些型號為XLamp系列的1W LED器件，現(xiàn)有七種顏色供選擇：紅、紅-橙、黃、綠、青、藍和墨藍，以及三種白色的色溫：冷白(5000K至10000K)、軟白(3500K至5000K)和暖白(2600K至3500K)。PoE “饋電器”是一個供電設備(PSE)，它從以太網(wǎng)電纜提取數(shù)據(jù)并在閑置的雙絞線上加入電源?？蓮臄?shù)家電信設備制造商處購得具備有八個輸出端口的饋電器，因此這個 “方案”下的照明系統(tǒng)特色是：每種顏色均有一個PoE LED燈，在任何給定時間都可以供電給八個LED燈。

電源方案

現(xiàn)今有數(shù)家模擬半導體制造商可提供兩種基本的元件來建立一個10W的PoE LED燈，它們是802.11af認可的受電器件(PD)接口和一個高效率的LED驅(qū)動器。該PD接口可檢測PSE的以太網(wǎng)電源可用性，并且可以在起動時為涌流限制提供軟起動，也可在備用狀態(tài)期間提供電流限制和諸如 “電源良好”的邏輯標識信號，以便告知負載電源己準備發(fā)送。圖1為LM5073的電路原理圖，它提供有一個PD接口但不包括任何類型的開關(guān)式穩(wěn)壓控制器。這個設計可自由選用任何的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓樸。
串連成一行的10個LED需要的總電壓范圍由22.5V (AlInGaP紅色和黃色 LEDs的典型正激電壓)至40V (用來正向偏壓InGaN綠、藍和白色LED的最大電壓)。這意味即使在最惡劣的條件下，LED驅(qū)動器的輸出電壓都將會比輸入電壓為低，從而允許使用升壓或降壓穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED。
VO = n x VF
其中n是串聯(lián)LED的數(shù)量，VF是LED的正激電壓。

盡管輸出電流只是一個可控制的參數(shù)，它卻代表了輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系，并可支配什么樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓樸作為設計。多種因素顯示降壓穩(wěn)壓器比起其他任何類型的開關(guān)穩(wěn)壓器能得出更佳的LED驅(qū)動效果，尤其是它的高功率效率和低元件用量。

LED驅(qū)動器是一個DC-DC電源，它提取輸入電壓并在一個輸出電壓范圍下提供一個受控的輸出電流。這種做法剛好與傳統(tǒng)的功率DC-DC轉(zhuǎn)換器相反，因為它們是在一個輸出電流的范圍下提供一個受控的輸出電壓。乍一看，使用在PoE LED燈的開關(guān)穩(wěn)壓器的確與其他降壓穩(wěn)壓器很相似，它包含有全部所需的主要元件：一個功率開關(guān)(內(nèi)置于電路的N-MOSFET)、一個用作電流再循環(huán)的肖特基二極管、一個電感器，以及輸入和輸出電容器。不過，假如深入地觀察便會發(fā)現(xiàn)兩者間的分別，正是這個分別促使降壓穩(wěn)壓器變成一個電流控制LED驅(qū)動器。在設計中，LED串鏈取代了上面的反饋分頻器電阻，而在底下的反饋分頻器電阻其實是一個電流傳感電阻器。在這種配置中，輸出電壓會不斷上升直至有足夠的電流流通電流傳感電阻，并令到輸出電壓相當于反饋電壓。假如把LED放置在V0和CS之間，那電流一樣會通過它們。至于輸出電容器，它們會與LED并聯(lián)在一起并作用為一個濾波器以降低通過LED的紋波電流。一個降壓LED驅(qū)動器可在沒有任何的輸出電容器下運行，在這情況下的電感便只會負責控制LED的紋波電流。對于一些需要嚴格控制紋波電流的應用來說，這會導致所需的電感增加，從而使電感器本身的體積過大。
 
圖2  PoE 燈的內(nèi)部俯瞰圖

美國國家半導體的LM3402HV是一個專用降壓穩(wěn)壓器，為LED提供恒定電流，并且可提供超過70V的輸入電壓范圍和超過48V PoE的寬輸入容限。LM3042HV有兩個主要的特點使它不同于系列中其他的穩(wěn)壓器成員。首先，反饋電壓(CS，用于電流感測)會內(nèi)部地削減至0.2V，以便將R2內(nèi)的功耗減至最少。其次，其啟動引腳(DIM)是一個快速邏輯輸入，它只會關(guān)閉功率FET。這樣的安排可以盡量減少傳播延遲，并且可在用PWM調(diào)光時達到最佳的對比度。