設(shè)計LED路燈時應(yīng)該怎樣選擇恒流模塊

我們知道所有的LED都必須采用恒流源供電,但是目前很多路燈制造商大多是在LED模塊已經(jīng)設(shè)計好的情況下再來尋找合適的恒流模塊。殊不知這種設(shè)計方法是會遇到問題的,至少使得這種設(shè)計不是最佳的。有可能還會要重新設(shè)計LED模塊。

　　經(jīng)常會收到客戶的電話詢問,你們的恒流驅(qū)動模塊能夠帶多大的功率啊?這種問題實際上是無法回答的。因為恒流模塊能夠帶多大的功率是和很多因素有關(guān)。從恒流模塊本身來說,它主要是和散熱要求和散熱條件有關(guān),當(dāng)然也和驅(qū)動芯片的電流驅(qū)動能力有關(guān)。然而即使這些都已經(jīng)確定下來,例如已經(jīng)選定了SLM2842這一款恒流模塊,那么他的驅(qū)動能力似乎應(yīng)該完全確定了!其實不然!雖然它的極限驅(qū)動能力是可以知道,例如它的最大開關(guān)電流,它的最大輸入電流,它的最大輸入電壓和最大輸出電壓等。然而,一個恒流模塊的驅(qū)動功率除了和它的散熱能力有關(guān)以外,最主要的還和它的工作效率有關(guān)。而它的工作效率則和很多外在的因素有關(guān),尤其是用戶使用情況有關(guān)。所以在設(shè)計或選用LED模塊的時候就要考慮恒流源的要求和特點。

　　一.LED連接架構(gòu)

　　在設(shè)計和選用LED模塊時就需要考慮一些和恒流模塊和其他有關(guān)的要求。

　　1. 串聯(lián)的LED數(shù)應(yīng)當(dāng)少于10個,這是因為作為LED燈具,有一個安規(guī)上的要求。根據(jù)歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn),針對采用直流或交流供電的LED模塊要求在LED燈具中的電壓不得超過最大安全特低電壓(SELV),也就是其工作輸出電壓≤25 Vrms (35.3 Vdc),所以串聯(lián)的LED總數(shù)不得超過10個。

　　2. 作為路燈,為了修理更換方便通常采用LED模塊,每一個模塊通常設(shè)計成長方形,恒流模塊也設(shè)計在其中。建議每個模塊的功率小于30W。這樣,在100W左右的路燈采用3-4個LED模塊,而150WLED路燈,則采用5-6個LED模塊。再大功率則可以用7-8個模塊。

　　3. 在每個LED模塊中,通常采用1W的LED,其連接方式為串并聯(lián)方式。假如LED有保護(hù)二極管,那么可以先串后并,假如沒有保護(hù)二極管,那么就要先并后串,以免一個損壞一串都不亮。

　　4. 具體用幾串幾并,就要進(jìn)一步了解恒流模塊的性能和特點了。

　　二.恒流模塊的性能和特點

　　普通的穩(wěn)壓電源是在負(fù)載變化時,輸出電壓不變。而恒流模塊是一種在輸入電壓變化時保持輸出電流恒定的一種電源。在使用前,必須了解它的各種特點。

　　1. 電流的設(shè)定：一般恒流模塊的輸出電流都可以在很大的范圍內(nèi)根據(jù)用戶的要求來調(diào)節(jié),只要簡單地改變一下輸出電流設(shè)定電阻就可以了。

　　2.類型：恒流模塊有升壓型、降壓型和升降壓型三種。選擇哪一種完全是由所要求的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系而決定的。但是如果從得到最大效率的觀點出發(fā),那么就應(yīng)該選擇降壓型。降壓型就是輸入的電壓比較高。所以輸入的電流就比較小,這樣由銅損所引起的損耗就比較小,而降壓型的恒流模塊通常有較高的效率。所以,也一定要把負(fù)載中串聯(lián)的LED數(shù)目盡量減少,以便能夠采用降壓型的恒流驅(qū)動模塊。

　　3. 輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系

　　不管是升壓型還是降壓型恒流模塊,其升壓比或降壓比都是越接近1時效率越高。當(dāng)然也不能等于1,而必須留出2-3V給恒流模塊消耗。而這完全是由路燈的整燈設(shè)計所決定的。所以在進(jìn)行路燈的總體設(shè)計時就必須考慮這個因素來選擇電源電壓和負(fù)載串聯(lián)的LED個數(shù)。而不是設(shè)計好了再來要求恒流模塊必須提供多高的效率。

　　4.調(diào)光能力：恒流模塊通常都具有調(diào)光能力,而且這種調(diào)光能力并不是簡單地調(diào)節(jié)其輸出電流,而是采用一種稱之為脈寬調(diào)制(PWM)的調(diào)光方法,它利用了LED的快速開關(guān)能力和人眼的視覺殘留,使得看上去的亮度發(fā)生了變化。從而避免了因為調(diào)節(jié)電流而產(chǎn)生的色譜的變化。這種調(diào)光能力在路燈設(shè)計中是非常重要的,因為利用這種性能可以使路燈的亮度根據(jù)交通流量來變化,從而進(jìn)一步實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

　　下面我們分太陽能LED路燈和市電LED路燈兩種情況來討論。

　　三.太陽能路燈

　　太陽能LED路燈的最大特點就是它通常是由蓄電池供電的,而蓄電池有一些特點是需要考慮的：

　　3.1 蓄電池只有幾種規(guī)定的電壓,12V是最常使用的,因為它是汽車電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓。24V就需要用兩個串聯(lián)。36V就更少見了。為此,在太陽能LED路燈中經(jīng)常需要采用升壓型的恒流驅(qū)動模塊。這就影響了恒流模塊的效率。

　　3.2在太陽能路燈中另一個需要考慮的問題是輸入電壓的變化

　　對于恒流源的輸出功率和效率來說,要得到最高的效率就要保持輸入和輸出電壓的比值越接近1越好。但是如果輸入電壓不穩(wěn)。那么就很難保持在最高效率的最佳狀態(tài)。太陽能LED路燈系統(tǒng)通常采用蓄電池作為能量儲存單元。而蓄電池在剛充滿電和快放完電的時候電壓會有較大的變化。通常這種變化超過30%以上。例如對于12V的蓄電池,其輸出電壓可以在14.8V變化到10.8V。當(dāng)然對于恒流模塊來說,這樣的變化是完全可以承受的。也就是完全可以在這樣大的變化范圍內(nèi)保持其輸出電流的恒定。但是這也是有代價的,那就是不能工作于最佳狀態(tài)。所謂最佳狀態(tài)就是指效率最高的狀態(tài)?；蚴禽敵龉β首罡叩臓顟B(tài)。

　　對于恒流模塊來說,不管是升壓型還是降壓型,只有當(dāng)輸出電壓最接近輸入電壓的時候,效率最高。通常輸出電壓是由負(fù)載決定的,是很少變化的。所以當(dāng)輸入電壓在一個范圍內(nèi)變化時,它的效率也跟著變化。為了保證在最壞情況下也能工作,就不能工作在最佳狀態(tài)了!

　　例如對于SLM2842S升壓型恒流模塊,假如輸出功率為27瓦,那么升壓比越接近1,效率就越高!芯片的溫升就越低!壽命和可靠性也就越高(見圖1)。

　　圖1. SLM2842S在輸出功率為27.5W時,芯片表面溫度和升壓比的關(guān)系。

　　從圖中可以看出,芯片封裝也是很重要的,采用QFN的芯片封裝顯然好于采用TSSOP的芯片封裝,因為它的熱阻要低很多。所以在購買模塊時也要了解所采用芯片的封裝(盡可能采用QFN封裝的,盡量不要采用TSSOP封裝的)。

　　現(xiàn)在舉一個具體的例子來說明：假如太陽能LED路燈采用的是12V蓄電池,負(fù)載是8串3并1W的LED,那么在輸出端負(fù)載的電壓大致是26.4V,電流是1.05A,輸出功率為27.7W。而假如采用12V蓄電池,在電壓最高的時候是14.8V,升壓比就是1.78,那時候不用散熱器用QFN封裝時外殼溫度大約是60度。還可以接受,但是當(dāng)蓄電池電壓降低至10.8V時,升壓比就變成2.44倍,這時候外殼溫度就會升高到70度以上,而假如采用的是TSSOP封裝,那么外殼溫度更會上升至85度左右,就是不能允許的了!

　除了要考慮外殼溫度以外,還要考慮最大輸入電流。因為SLM2842的最大輸入電流為3A。在計算最大輸入電流時,要考慮恒流模塊本身的效率。現(xiàn)在假定是90%,同時假定輸出功率是32W,除以0.9就是35.5W,而當(dāng)輸入電壓為14.8V時,輸入電流為2.4A,沒有超出允許的3A;可是當(dāng)蓄電池電壓降低至10.8V時,輸入電流就達(dá)到3.28A,這就超出了3A,芯片就會自動停止工作。

　　所以假如不考慮蓄電池的電壓變化是很危險的設(shè)計!

　　那么是不是可以采用2個蓄電池串聯(lián)呢?在這里也是不行的,因為這樣的話,輸入電壓剛好和輸出電壓相同,都是在24V左右。這時候就必須采用升降壓型的SLM2842SJ。

　　升降壓型的恒流模塊的特點是不論輸入電壓如何變化,使得其低于或高于輸出電壓時,其輸出電流都不變。也就是說它可以自動地根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系自動地從升壓變?yōu)榻祲?。例?升降壓恒流模塊SLM2842SJ可以在輸出電流為1A,輸出電壓為13V時,輸入電壓從7.5V一直升至25V都能保持輸出電流為恒定的1A。那么是不是所有情況下都盡可能采用升降壓型呢?不是這樣的,因為升降壓型的輸出功率比較小,而且它的效率低,價錢貴,不是必要情況下盡量少用。

　　那能不能用三個蓄電池串聯(lián),而采用降壓型的恒流模塊呢?理論上是可以的,這時候還可以得到更高的效率,但是因為三個蓄電池串聯(lián)有可能會用了過大的容量(安時),而且增加了成本,增加了維護(hù)時更換蓄電池的幾率?？傮w上是不合算的。

　　所以對于太陽能LED路燈的設(shè)計,可以歸納如下：

　　如上所述,3個蓄電池串聯(lián)是不建議使用的,所以假如總功率大于60W,那時候太陽能電池板的尺寸也會過大而抗風(fēng)力降低,所以建議采用可調(diào)光控制器,以盡量減少亮燈時間和亮度。這樣可以節(jié)約大約40-50%的容量。這樣,仍然可以采用2個12V蓄電池串聯(lián)的方案。

　　四.市電LED路燈

　　在市電的情況下,當(dāng)然最好是采用AC-DC直接恒流輸出的方案。

　　但是這種方案大多數(shù)只能提供小功率輸出(40W)目前只有美國的Power Integration 公司的TOP250YN才能夠提供75W功率輸出的方案。但是其電路十分復(fù)雜,價格貴,而且靈活性低。

　　國內(nèi)的茂碩公司雖然也提供直接恒流輸出的電源,但是通常只有單路輸出。如果要多路就必須定制(路數(shù)和每路電流)。一方面提高了成本,而且將來要有任何變動都將是十分麻煩的事。

　　所以在市電的情況下最好先用恒壓電源穩(wěn)壓然后再采用多個恒流模塊恒流。這樣做的最大好處就是可以在各種不同的LED連接架構(gòu)下得到最高的效率。因為可以任意選擇恒壓源的輸出電壓而達(dá)到最佳的匹配。而且靈活性高,很容易改變其組合。

　　市電的恒壓源是一種非常成熟的產(chǎn)品,它通常具有如下的優(yōu)點：

　　1. 輸入電壓范圍寬,可以適用于各國不同的電壓規(guī)格。

　　2. 效率高,通常可以做到90%以上。

　　3. 功率因素高,通常可以做到0.99以上

　　4. 具有防浪涌措施,可抗雷擊4kv以上,可以保護(hù)后面的電路。

　　5. 具備完善的過流,過壓,短路,過功率保護(hù)功能

　　6. 成本低

　　7. 最大的優(yōu)點是很容易選擇其輸出電壓以便和負(fù)載電壓接近從而得到最高的效率

　　下面就來舉一個例子：

　　這是一個LED功率為112W的路燈,LED模塊分為4組,每組為7串4并,28W。

　　我們采用了香港煒達(dá)電子公司的150W,輸出28V的市電穩(wěn)壓電源VP28SA150U,其總體框圖如圖2所示：

　　圖2. 市電LED路燈的通用結(jié)構(gòu)

　　因為負(fù)載是7串4并。其電壓為23-24V左右,所以選用了輸出為28V的開關(guān)電源,這樣就可以采用降壓型的恒流源。而且因為其輸出電壓十分接近輸入電壓,從而可以實現(xiàn)很高的效率。實測的結(jié)果為從輸入到輸出的總效率為90.9%,功率因素為0.996。

　　而且這種恒壓和恒流分開的方案的最大優(yōu)點是可以插入程序調(diào)光系統(tǒng)。這樣可以進(jìn)一步節(jié)約電能40%以上,這是任何直接恒流輸出方案所無法實現(xiàn)的。

　　而且這種方案又可以配合各種不同的LED連接架構(gòu)。例如假定LED為10串3并。那么只要把上面圖中的穩(wěn)壓源的輸出改為36V,其他一切都不變就可以了。這時恒流源本身的效率可以高達(dá)98%。

　　總而言之,LED路燈設(shè)計人員,必須對各種恒流電源的特性有充分的了解,才能設(shè)計出高性能、高可靠的路燈系統(tǒng)來!