LED照明和太陽能充電的技術挑戰(zhàn)及解決方案

　作為一種既環(huán)保又節(jié)能的解決方案，LED照明在汽車、家庭、辦公樓、酒店、機場和路燈等廣泛的應用場合找到了自己的用武之地。但它的大規(guī)模商用除了還要克服成本障礙以外，還需要解決調光閃爍、散熱、色彩均勻性等技術難題。此外，對清潔能源的關注和太陽能電池板成本的下降，也帶動了當前業(yè)內的太陽能商用熱潮。為了幫助讀者更快更好地把握這一商機，本刊特別邀請到了Linear電源專家Tony Armstrong來分享他的獨到見解。

　　問：采用PWM或模擬調光時，如何消除LED的光閃爍現(xiàn)象？

　　答：面對高功率、高亮度LED普及率的日益提高，電子照明設計師必須提供高效、準確和簡單的LED驅動解決方案。由于高功率照明燈(如汽車前照燈或大型LCD顯示器背光源)實現(xiàn)了與商用化串聯(lián)LED陣列的互換性，因而使得此項任務變得更加困難。

　　傳統(tǒng)上，利用準確的電流來驅動高功率LED串與實現(xiàn)簡單性和高效率這兩者之間是相抵觸的，通常需要采用某種效率低下的線性穩(wěn)壓器方案或更加精細復雜的多IC開關穩(wěn)壓器配置。此外，確保每個LED具有均勻的亮度且不產生任何閃爍也成為了主要的設計障礙。

　　人們普遍接受的LED亮度控制方法有兩種，即模擬調光和PWM數(shù)字調光。當采用模擬調光時，LED電流的調節(jié)范圍在某個最大值至該最大值的約10%之間(10:1調光范圍)。由于LED的色譜與電流有關，因此這種方法并不適合于某些應用。然而，PWM數(shù)字調光方式則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率(通常高于100kHz)在零電流和最大LED電流之間進行切換。該占空比改變了有效平均電流，從而實現(xiàn)了高達3000:1的調光范圍(僅受限于最小占空比)。由于LED電流要么處于最大值，要么被關斷，所以該方法還具有能夠避免發(fā)生LED色偏的優(yōu)點，而在采用模擬調光時這種LED色偏現(xiàn)象是很常見的。

　　問：大功率LED照明的散熱問題應該如何解決？

　　答：兩種用量最大、功率最高的LED照明應用是大屏幕LCD TV顯示器的背面照明和汽車前照燈。您不妨看看Lexus(雷克薩斯)、Audi(奧迪)、甚至GM(通用)公司的Cadillac Escalade所使用的標準LED汽車前照燈。所有這些汽車的總體照明結構均很相似。每個汽車前照燈包括5種專為各種照明要求而優(yōu)化的LED供電光束，包括：近光燈、遠光燈、轉彎輔助燈、晝間行駛燈和轉向信號指示燈。

　　標準LED照明光束通常將需要35W至50W的供電功率。這或許看似不是很多的功率；然而，LED提供的亮度卻達到了HID鹵素燈的10倍，因此LED的光輸出就相當于500W的鹵素燈。遠光燈所需的功率一般與標準照明光束相同或略為高一點，而轉彎輔助燈、晝間行駛燈和轉向信號指示燈所需的功率則較低。不過，該總體汽車前照燈會消耗200W以上的電能，因而有可能產生重大的熱功率耗散問題。這確實不是什么好事，因為隨著工作溫度的升高，LED的光輸出和工作壽命將迅速降低。

　　處理該散熱問題方法有很多種。一種是增加大量的散熱器以把熱量從照明燈移走。然而，這會產生另一組問題，包括因為散熱材料的使用而導致的成本和重量的增加。解決這一問題最有效的方法是采用一個具極高效率的驅動器(效率>93%) 來最大限度地減少LED驅動電路的熱耗散。這并不像聽起來那么困難，原因是一個50W的遠光燈通?？捎?4個串聯(lián)的1A LED組成。由于整個溫度范圍內的正向電壓降約為每個LED 4V，因此升壓轉換器LED驅動器拓撲結構能夠以93%的效率將12V的標稱電池電壓提升至剛好超過56V。這使得僅需耗散3.5W的功率，對于該功率耗散值，在安裝了LED汽車前照燈的印刷電路板內布設低等級的銅散熱器便可輕松地滿足要求。

　　問：用太陽能電池板采集來的電能對蓄電池進行充電時，關鍵的設計挑戰(zhàn)有哪些？

　　答：作為在商業(yè)和住宅環(huán)境中均具實用性的一種發(fā)電方法而言，太陽能電池板已經被人們所廣泛接受。然而，盡管在技術方面取得了進步，太陽能電池板的造價仍然很昂貴。這種高昂的成本有很大部分來自于電池板本身，這里，電池板的尺寸 (因而也包括其成本) 將隨著所需輸出功率的增加而增加。因此，為了造就外形尺寸最小、成本效益性最佳的解決方案，最大限度地提升電池板性能是很重要的。

　　一般而言，太陽能電池板所獲取的能量用于給電池充電，電池的儲能反過來將在沒有陽光照射的情況下為終端應用電路的操作提供支持。如欲實現(xiàn)太陽能電池充電器的最佳設計，則必需對太陽能電池板的特性有所了解。首先，由于具有很大的結合區(qū)，因此太陽能電池板會發(fā)生泄漏，在黑暗條件下電池將通過電池板放電。而且，每塊太陽能電池板都擁有一個具最大功率點的特征IV曲線，所以，當負載特性與電池板特性不相匹配時，能量提取將有所減少。理想的情況是：電池板將在最大功率點上被持續(xù)加載，以充分地利用可用的太陽能，并由此最大限度地縮減電池板成本。

　　一般情況下，可以采用一個與電池板相串聯(lián)的肖特基二極管來解決電池板的泄漏問題。反向泄漏被減小至一個很低的數(shù)值；然而，肖特基二極管的正向電壓降 (它在高電流條件下會消耗大量的功率) 仍然會造成能量損失。因此，需要采用昂貴的散熱器和精細的布局來把肖特基二極管保持于低溫狀態(tài)。解決該功率耗散問題的一種更加有效方法是用一個基于MOSFET的理想二極管來替代肖特基二極管。這將把正向電壓降減小到低至20mV，從而顯著地減少功耗，同時降低散熱布局的復雜性、外形尺寸和成本。幸運的是，由于已經有一些IC供應商制造出了具有這種規(guī)格的理想二極管 (比如：由凌力爾特公司提供的LTC4412)，因此上述目標得以輕松實現(xiàn)。

不過，有兩個問題依然存在，即：“至滿充電電池的浮動電壓控制”和“在最佳發(fā)電點給電池板加載”。這些問題常常可以通過采用一個開關模式充電器和一個高效率降壓型穩(wěn)壓器來加以解決。

　　凌力爾特已經開發(fā)出了這樣一款電路，它由LTC1625 No RESNSE(無檢測電阻器)同步降壓型控制器、LTC1541微功率運算放大器、比較器和基準、以及LTC4412理想二極管組成。下面給出了該電路以供參考：

　　圖1中的電路被置于太陽能電池板和電池之間，用于調節(jié)電池浮動電壓?；贚TC1541的附加控制環(huán)路強制充電器在最大電池板功率點上運作。這種效率的提升縮減了所需的電池板尺寸，因而降低了總體解決方案的成本。當電池板峰值電源電壓和電池電壓之間存在失配時，這款電路的重要優(yōu)點表現(xiàn)得尤為突出。

圖1：峰值功率跟蹤降壓充電器最大限度地提高了效率