简述LED照明和太阳能充电的技术挑战

 

　　当前能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。随着功率的增加，LED的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。此外，对清洁能源的关注和太阳能电池板成本的下降，也带动了当前业内的太阳能商用热潮。为了帮助读者更快更好地把握这一商机，本刊特别邀请到了Linear电源Tony Armstrong来分享他的独到见解。

　　问：采用PWM或模拟调光时，如何消除LED的光闪烁现象？

　　答：面对高功率、高亮度LED普及率的日益提高，电子照明设计师必须提供高效、准确和简单的LED驱动解决方案。由于高功率照明灯（如汽车前照灯或大型LCD显示器背光源）实现了与商用化串联LED阵列的互换性，因而使得此项任务变得更加困难。

　　传统上，利用准确的电流来驱动高功率LED串与实现简单性和高效率这两者之间是相抵触的，通常需要采用某种效率低下的线性稳压器方案或更加精细复杂的多IC开关稳压器配置。此外，确保每个LED具有均匀的亮度且不产生任何闪烁也成为了主要的设计障碍。

　　人们普遍接受的LED亮度控制方法有两种，即模拟调光和PWM数字调光。当采用模拟调光时，LED电流的调节范围在某个值至该值的约10%之间（10:1调光范围）。由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。然而，PWM数字调光方式则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率（通常高于100kHz）在零电流和LED电流之间进行切换。该占空比改变了有效平均电流，从而实现了高达3000:1的调光范围（仅受限于占空比）。由于LED电流要么处于值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。

　　问：大功率LED照明的散热问题应该如何解决？

　　答：两种用量、功率的LED照明应用是大屏幕LCD TV显示器的背面照明和汽车前照灯。您不妨看看Lexus（雷克萨斯）、Audi（奥迪）、甚至GM（通用）公司的Cadillac Escalade所使用的标准LED汽车前照灯。所有这些汽车的总体照明结构均很相似。每个汽车前照灯包括5种专为各种照明要求而优化的LED供电光束，包括：近光灯、远光灯、转弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯。

　　LED大功率照明作为第四代电光源，赋有"绿色照明光源"之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。由于目前LED大功率照明在光通量、转换效率和成本等方面的制约，因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。LED大功率照明作为照明光源具有体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点。大功率LED照明在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业、城市景观照明、显示屏以及体育场馆等，特种工作灯具中的具有广泛的应用前景。

　　处理该散热问题方法有很多种。一种是增加大量的散热器以把热量从照明灯移走。然而，这会产生另一组问题，包括因为散热材料的使用而导致的成本和重量的增加。解决这一问题有效的方法是采用一个具极高效率的驱动器（效率>93%） 来限度地减少LED驱动电路的热耗散。这并不像听起来那么困难，原因是一个50W的远光灯通常可由14个串联的1A LED组成。由于整个温度范围内的正向电压降约为每个LED 4V,因此升压转换器LED驱动器拓扑结构能够以93%的效率将12V的标称电池电压提升至刚好超过56V.这使得仅需耗散3.5W的功率，对于该功率耗散值，在安装了LED汽车前照灯的印刷电路板内布设低等级的铜散热器便可轻松地满足要求。

　　问：用太阳能电池板采集来的电能对蓄电池进行充电时，关键的设计挑战有哪些？

　　答：太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。

　　一般而言，太阳能电池板所获取的能量用于给电池充电，电池的储能反过来将在没有阳光照射的情况下为终端应用电路的操作提供支持。如欲实现太阳能电池充电器的设计，则必需对太阳能电池板的特性有所了解。首先，由于具有很大的结合区，因此太阳能电池板会发生泄漏，在黑暗条件下电池将通过电池板放电。而且，每块太阳能电池板都拥有一个具功率点的特征IV曲线，所以，当负载特性与电池板特性不相匹配时，能量提取将有所减少。理想的情况是：电池板将在功率点上被持续加载，以充分地利用可用的太阳能，并由此限度地缩减电池板成本。

　　一般情况下，可以采用一个与电池板相串联的肖特基二极管来解决电池板的泄漏问题。反向泄漏被减小至一个很低的数值；然而，肖特基二极管的正向电压降 （它在高电流条件下会消耗大量的功率） 仍然会造成能量损失。因此，需要采用昂贵的散热器和精细的布局来把肖特基二极管保持于低温状态。解决该功率耗散问题的一种更加有效方法是用一个基于MOSFET的理想二极管来替代肖特基二极管。这将把正向电压降减小到低至20mV,从而显着地减少功耗，同时降低散热布局的复杂性、外形尺寸和成本。幸运的是，由于已经有一些IC供应商制造出了具有这种规格的理想二极管 （比如：由凌力尔特公司提供的LTC4412），因此上述目标得以轻松实现。

　　不过，有两个问题依然存在，即："至满充电电池的浮动电压控制"和"在发电点给电池板加载".这些问题常常可以通过采用一个开关模式充电器和一个高效率降压型稳压器来加以解决。

　　凌力尔特已经开发出了这样一款电路，它由LTC1625 No RESNSE（无检测电阻器）同步降压型控制器、LTC1541微功率运算放大器、比较器和基准、以及LTC4412理想二极管组成。下面给出了该电路以供参考：

　　图1中的电路被置于太阳能电池板和电池之间，用于调节电池浮动电压。基于LTC1541的附加控制环路强制充电器在电池板功率点上运作。这种效率的提升缩减了所需的电池板尺寸，因而降低了总体解决方案的成本。当电池板峰值电源电压和电池电压之间存在失配时，这款电路的重要优点表现得尤为突出。

图1：峰值功率跟踪降压充电器限度地提高了效率

　　问：Linear提供了哪些独特的解决方案来解决以上设计挑战？

　　答：凌特公司（Linear Technology Corporation）创建于 1981 年，总部位于美国硅谷，是一家高性能线性集成电路制造商。凌特的产品包括高性能放大器、比较器、电压基准、单片滤波器、线性稳压器、DC/DC 变换器、电池充电器、数据转换器、通信接口电路、射频信号修整电路及其它众多模拟功能。凌特公司的高性能电路可用于电信、蜂窝电话、如光纤交换机的网络设备、笔记本电脑和台式电脑、计算机外围设备、视频/多媒体装置、工业仪表、安全监控设备、包括数码照相机、MP3 播放器在内的高端消费类产品、复杂医疗设备、汽车用电子设备、工厂自动化、过程控制、军事和航天系统等领域。为了满足LED驱动以及太阳能电池板电池充电器的设计需要，凌力尔特提供了各种各样的产品。LT3595、LT3518和LT3755便是其中一些产品。

　　此类产品和LED驱动器IC的一个实例是凌力尔特的LT3595降压模式LED驱动器，它具有16个单独的通道，每个通道能够从高达45V的输入来驱动一个由多达10个50mA LED所组成的LED串。每个通道可用于驱动10个串联LED以提供局部调光。于是，每个LT3595都能够驱动多达160个50mA白光LED.一台46英寸LCD TV将需要为每部HDTV配用约10个LT3595.它的16个通道均可以独立控制，并具有一个能够提供高达5000:1 PWM调光比的单独PWM输入。

　　每个通道只需要一个纤巧的片式电感器和一个甚至更加小巧的陶瓷输出电容器。所需的其他元件仅为单个输入电容器和电流设定电阻器 （图2）。所有16个通道的箝位二极管、电源开关和具补偿功能的控制逻辑电路都被压缩在LT3595的相对较小56引脚、5mm x 9mm QFN封装之内。

图2：一个从45V输入来驱动160个白光LED的16通道LED驱动器。PWM调光比为5000:1。

　　大多数电池供电型便携式产品均具有一个或多个显示屏，用于向用户传递图形信息。然而，TFT-LCD显示屏 （甚至OLED屏） 的供电需要系统设计师给予特别的关注。为了实现TFT-LCD屏的正确供电，一个DC/DC转换器必需要能够以正确上电和断电排序来提供三个独立的输出电压，即：AVDD、VON和VOFF.凌力尔特认识到了这一点，并开发出了专门针对该用途的专用单片式DC/DC转换器。推出的一款器件是我们的LT3513.该转换器具有5个独立受控的稳压器，用于提供一个TFT-LCD屏内部所有必要的电源轨。

　　其降压型稳压器能够为逻辑电源轨输送高达1.2A的连续输出电流。可以利用LDO控制器和一个外部NPN MOSFET产生一个较低电压辅助逻辑电源。一个高功率升压型转换器 （ISW = 1.5A）、一个较低功率升压型转换器 （ISW = 250mA） 和一个负输出转换器 （ISW = 250mA） 提供了三个独立的输出电压，即：LCD屏通常需要的AVDD、VON和VOFF.一个集成高压侧PNP提供了VON信号的延迟接通，而显示屏保护电路则将在4个输出中的任一个低于其编程输出电压达10%以上时停用VON,从而起到保护TFT-LCD屏的作用。其他特点包括集成肖特基二极管、用于AVDD引脚的PGOOD引脚、输出断接以及用于降压型稳压器的电感器电流检测功能。

　　LT3755/-1是 DC/DC 控制器，专为充当一个用于驱动高电流 LED 的恒定电流源而设计。它们从一个内部已调 7V 电源来驱动一个低压侧外部 N 沟道功率 MOSFET.固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现了稳定的操作。一个参考于地的电压 FB 引脚用作多个 LED 保护功能电路的输入，而且还使得转换器能够起一个恒定电压源的作用。一个频率调节引脚允许用户在 100kHz 至 1MHz 的范围内设置频率，旨在优化效率、性能或外部元件尺寸。 LT3755/-1在 LED 串的高压侧检测输出电流。高压侧电流检测是用于驱动LED 灵活的方案，允许采用升压、降压模式或降压-升压模式配置。PWM 输入提供了高达 3000:1 的 LED 调光比，而 CTRL 输入则提供了额外的模拟调光能力。这两款器件均采用 16 引脚 （3mm x 3mm） QFN 封装。

　　对于那些需要高于40V输入电压 （比如：48V电源轨） 的应用，LT3756/-1将是优选的解决方案。LT3755/-1和 LT3756/-1均采用一个外部N沟道MOSFET,并能够从一个12V （标称值） 输入来驱动多达14个1A白光LED,从而提供了50W以上的功率。它们内置了一个高压侧电流检测电路，因而使其能够在升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑结构中使用。LT3755/-1和 LT3756/-1在升压模式中能提供超过 94% 的效率，从而免除了任何增设外部散热装置的需要。一个频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz的范围内设置频率，因而优化了效率，并限度地缩减了外部元件的尺寸和成本。再加上所采用3mm×3mm QFN封装或耐热性能增强型MSOP-16E封装，LT3755/-1和 LT3756/-1提供了一款非常紧凑的高功率LED驱动器解决方案。

　　LT3755/-1和 LT3756/-1均采用了True Color PWM调光，这种调光方式提供了恒定的LED彩色和高达3000:1的调光范围。对于不太苛刻的调光要求，可采用CTRL引脚来提供一个10:1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源电压和输出电压范围内实现了稳定的操作性能。一个参考于地电压的FB引脚用作多个LED保护功能电路的输入，从而使转换器能够起一个恒定电压源的作用。