基于PAM2842的LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)近年來(lái)的發(fā)展速度很快，每年以30～40％的速度增長(zhǎng)。但目前還僅僅占到全球市場(chǎng)的5％，預(yù)計(jì)到2010年將占全球市場(chǎng)的10％。此外，中國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)也發(fā)展極其迅速，高亮度白光GaN類(lèi)的LED產(chǎn)量年增長(zhǎng)率達(dá)到59％，2006年產(chǎn)量為72億個(gè)，市場(chǎng)規(guī)模為90億元。預(yù)計(jì)2010年產(chǎn)量將達(dá)到200億個(gè)，從而將超過(guò)日本成為世界上第二大生產(chǎn)國(guó)。

?

太陽(yáng)能最簡(jiǎn)單的應(yīng)用是產(chǎn)生熱水，其次是發(fā)電，發(fā)電的一個(gè)重要應(yīng)用就是照明。中國(guó)的照明用電占全部電能耗費(fèi)的12％，由于大型太陽(yáng)能發(fā)電廠的建廠成本很高，而且大功率太陽(yáng)能電池板要占用很大的面積，所以太陽(yáng)能照明最好的實(shí)現(xiàn)方法是和發(fā)光器件結(jié)合在一起，構(gòu)成獨(dú)立的照明裝置。目前，最具前景的是太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能信號(hào)燈和太陽(yáng)能航標(biāo)燈等。其中尤以太陽(yáng)能LED路燈的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高。這是因?yàn)槠胀窡粜枰佋O(shè)很長(zhǎng)的輸電線路，電源線路的鋪設(shè)要投入很高的費(fèi)用，并且隨著距離的增加，電壓會(huì)逐漸降低，經(jīng)過(guò)一定距離還要用變壓器升壓。太陽(yáng)能路燈則不然，由于每一根路燈桿都是獨(dú)立的，不需要鋪設(shè)輸電線路，這就大大降低了架設(shè)的費(fèi)用。另一方面，LED的發(fā)光效率遠(yuǎn)高于白熾燈，雖然在數(shù)字上比高壓鈉燈要低(高壓鈉燈的發(fā)光效率為132流明/瓦，而LED只有70流明/瓦)，但高壓鈉燈的光譜分散，其中很大一部分處于黃光、紅光和紅外，對(duì)于實(shí)際照明并沒(méi)有作用，而且還有很大一部分光線是散射到所有方向。因此，從實(shí)際路面發(fā)光效果(照度)來(lái)看，150瓦的LED就相當(dāng)于400瓦的高壓鈉燈。假定路燈每天工作10小時(shí)，那么2年下來(lái)，400瓦高壓鈉燈耗電2920度電，而150瓦LED只耗電1095度電，節(jié)省2.66倍。此外，LED的壽命長(zhǎng)，不需要經(jīng)常更換。高壓鈉燈的壽命為4000小時(shí)，假定每天工作10小時(shí)，則只能工作400天，一年多就要更換；而大功率LED的壽命為50,000小時(shí)，假定每天工作10小時(shí)，13.7年才需要更換。從而大大節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

?

以5公里路程架設(shè)250盞路燈為例，普通路燈的電纜埋設(shè)、配電設(shè)備、檢查井等費(fèi)用就需要153萬(wàn)元。而太陽(yáng)能路燈可以省去這筆費(fèi)用；普通路燈的電費(fèi)也是非?？捎^的，在以上例子中，普通路燈15年需耗電547.5萬(wàn)元，太陽(yáng)能路燈僅需要更換一次蓄電池，約37.5萬(wàn)元。而且太陽(yáng)能路燈的工作電壓低，絕對(duì)不會(huì)發(fā)生觸電事故。LED的壽命長(zhǎng)，15年幾乎不需要更換，一方面減少了維護(hù)費(fèi)用，另一方面也降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。因而是一種性價(jià)比極高的路燈。太陽(yáng)能庭院燈和草坪燈雖然也有類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)榫嚯x近、數(shù)量少，其優(yōu)點(diǎn)不那么顯著。美國(guó)在2008年的LED路燈市場(chǎng)達(dá)到2000千萬(wàn)個(gè)，中國(guó)在2006年具有1,500萬(wàn)個(gè)路燈，并以每年20％的速度增長(zhǎng)。中國(guó)路燈的每年電費(fèi)達(dá)到60億人民幣，改成太陽(yáng)能路燈以后就可以全部節(jié)省下來(lái)。

?

太陽(yáng)能燈具均由5個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制裝置、LED的驅(qū)動(dòng)芯片以及LED本身。通常太陽(yáng)能電池板掛在高桿上，充放電控制器和鉛蓄電池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)蓄電池的充電和放電過(guò)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(yáng)能燈具的由5個(gè)部分構(gòu)成。

?

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(guò)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。

?

從圖中可以看出，在整個(gè)放電過(guò)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。

?

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。

?

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。

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(lái)控制LED的電流，使其無(wú)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。PAM2842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，PAM2842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(lái)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，PAM2842的工作頻率可以有三種選擇：500kHz、1MHz、1.6MHz。為降低其開(kāi)關(guān)損耗，建議選擇500kHz開(kāi)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(guò)壓保護(hù)電路(OVP)，如果出現(xiàn)一個(gè)LED開(kāi)路，芯片的升壓會(huì)被限制而不至于過(guò)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(kāi)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(guò)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。

?

由于PAM2842是作為升壓芯片來(lái)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(yáng)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(kāi)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)。

?

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(lái)驅(qū)動(dòng)2串10個(gè)1W的LED，總輸出功率約為23W。不過(guò)，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(kāi)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(lái)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(guò)大，已經(jīng)超過(guò)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。

?

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(lái)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。

?

PAM2842不僅可用于太陽(yáng)能路燈中，也可用于任何直流電源(12~24V)供電的LED照明系統(tǒng)，或是采用開(kāi)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(kāi)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(zhuān)門(mén)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(lèi)內(nèi)置大功率MOSFET恒流驅(qū)動(dòng)芯片中，輸出功率最大的。