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(dòng)。IEEE認(rèn)可的以太網(wǎng)電源(PoE)可以利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜來提供電源，并且這些電纜同時(shí)可提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。PoE供電設(shè)備可在長達(dá)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(duì)于LED驅(qū)動(dòng)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?yàn)楹笳咝枋褂酶嘣涂臻g，而且效率亦比較低。事實(shí)上，LED和PoE兩者好像是為對(duì)方而生。配合PoE再加上高功率的LED，便可誕生出一個(gè)無懈可擊的方案。

　　針對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)并沒有預(yù)期要做輸電應(yīng)用，故一般只是采用較細(xì)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(dá)100米)可達(dá)2W，剩下只有約13W給負(fù)載。要解決這個(gè)問題就需要使用10個(gè)1W的LED來組成一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)100流明，并且會(huì)不斷改進(jìn)。

　　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(gè)具有低熱阻接口的裸片散熱銅套。這些型號(hào)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(lán)和墨藍(lán)，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(gè)供電設(shè)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(shè)備制造商處購得具備有八個(gè)輸出端口的饋電器，因此這個(gè) “方案”下的照明系統(tǒng)特色是：每種顏色均有一個(gè)PoE LED燈，在任何給定時(shí)間都可以供電給八個(gè)LED燈。

　　圖 1  PoE LED 燈的原理圖

　　電源方案

　　現(xiàn)今有數(shù)家模擬半導(dǎo)體制造商可提供兩種基本的元件來建立一個(gè)10W的PoE LED燈，它們是802.11af認(rèn)可的受電器件(PD)接口和一個(gè)高效率的LED驅(qū)動(dòng)器。該P(yáng)D接口可檢測PSE的以太網(wǎng)電源可用性，并且可以在起動(dòng)時(shí)為涌流限制提供軟起動(dòng)，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(biāo)識(shí)信號(hào)，以便告知負(fù)載電源己準(zhǔn)備發(fā)送。圖1為LM5073的電路原理圖，它提供有一個(gè)PD接口但不包括任何類型的開關(guān)式穩(wěn)壓控制器。這個(gè)設(shè)計(jì)可自由選用任何的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓樸。



　　串連成一行的10個(gè)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(lán)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(dòng)器的輸出電壓都將會(huì)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(dòng)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(gè)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(shè)計(jì)。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(dòng)效果，尤其是它的高功率效率和低元件用量。

　　LED驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)DC-DC電源，它提取輸入電壓并在一個(gè)輸出電壓范圍下提供一個(gè)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?yàn)樗鼈兪窃谝粋€(gè)輸出電流的范圍下提供一個(gè)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(gè)功率開關(guān)(內(nèi)置于電路的N-MOSFET)、一個(gè)用作電流再循環(huán)的肖特基二極管、一個(gè)電感器，以及輸入和輸出電容器。不過，假如深入地觀察便會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者間的分別，正是這個(gè)分別促使降壓穩(wěn)壓器變成一個(gè)電流控制LED驅(qū)動(dòng)器。在設(shè)計(jì)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(shí)是一個(gè)電流傳感電阻器。在這種配置中，輸出電壓會(huì)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(dāng)于反饋電壓。假如把LED放置在V0和CS之間，那電流一樣會(huì)通過它們。至于輸出電容器，它們會(huì)與LED并聯(lián)在一起并作用為一個(gè)濾波器以降低通過LED的紋波電流。一個(gè)降壓LED驅(qū)動(dòng)器可在沒有任何的輸出電容器下運(yùn)行，在這情況下的電感便只會(huì)負(fù)責(zé)控制LED的紋波電流。對(duì)于一些需要嚴(yán)格控制紋波電流的應(yīng)用來說，這會(huì)導(dǎo)致所需的電感增加，從而使電感器本身的體積過大。

　　美國國家半導(dǎo)體的LM3402HV是一個(gè)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(gè)主要的特點(diǎn)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(huì)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(dòng)引腳(DIM)是一個(gè)快速邏輯輸入，它只會(huì)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(shí)達(dá)到最佳的對(duì)比度。



　　圖2  PoE 燈的內(nèi)部俯瞰圖

　　散熱方案

　　為確保萬無一失，規(guī)定機(jī)箱溫度最高為50°C，如超過這個(gè)閾值，工程人員便無法在建立LED燈時(shí)把手指放在機(jī)箱上。此外，Cree亦生產(chǎn)1×5 英寸的金屬核心電路板(MCPCB) XR LED，這種LED每一個(gè)只占據(jù)一平方英寸的空間。所有五個(gè)器件都串聯(lián)在一起，以確保每個(gè)的驅(qū)動(dòng)電流是相同，并且每個(gè)LED的光輸出都得到平衡。兩行共10個(gè)LED所占的面積約為2 X 5英寸，其總光線輸出介乎冷白的500流明至藍(lán)色的150流明(墨藍(lán)色LED之光線輸出值由輻射度功率所指定)。兩行LED會(huì)被安置在一個(gè)鎂制機(jī)箱的前端，大小為6英寸寬、2.5英寸高和四英寸深。至于散熱方面則由一對(duì)置于箱外的鎂金屬散熱器來負(fù)責(zé)，其大小為1.75×2.25×0.5英寸，它直接被安裝在箱前面的MCPCB之后。散熱油脂會(huì)施加到MCPCB和散熱器上，使到箱本身可作進(jìn)一步散熱。

　　美國國家半導(dǎo)體的LM5073和LM3402HV同樣備有表面貼裝封裝，其在外面有一個(gè)外露的散熱片。通常，電源電路都需承受較高的環(huán)境溫度，而LED應(yīng)用亦不例外。這種散熱加強(qiáng)封裝(LM5073的eTSSOP-14和LM3402HV的PSOP-8)善用了PCB作為散熱器。驅(qū)動(dòng)電路被安裝在標(biāo)準(zhǔn)的FR-4上并且如圖2所示通過一條電線連接到LED。至于封裝的熱阻，例如是安裝在含有兩安士銅成份的FR-4上的eTSSOP-14和PSOP-8，其熱阻大約為50°C/W。對(duì)于這類LED燈來說，其機(jī)械設(shè)計(jì)并不允許將LED驅(qū)動(dòng)器放置在設(shè)有LED的MCPCB上，但必須注意到具備有外露散熱片的封裝，當(dāng)它們安裝在MCPCB上時(shí)的熱阻會(huì)低于10°C/W。因此，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以利用這個(gè)優(yōu)勢來充分驅(qū)動(dòng)電子器件。

　　PWM調(diào)光

　　假如設(shè)計(jì)的LED照明系統(tǒng)需要在某特定的光線輸出范圍內(nèi)維持LED的顏色或色溫，那便必需采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)來調(diào)光。然而，最麻煩的地方是要找出一個(gè)調(diào)光頻率，而該頻率不會(huì)產(chǎn)生可聽噪聲。在LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的電源開關(guān)頻率通常介乎100 kHz和 1 MHz之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類的可聽范圍。一般而言，調(diào)光頻率都會(huì)低很多，因?yàn)殚_啟和關(guān)閉一個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出所需的時(shí)間會(huì)比開關(guān)一個(gè)功率MOSFET長很多。因此，由LED驅(qū)動(dòng)器開關(guān)周期所引致的傳播延遲和輸出電流壓擺率會(huì)消耗某一固定量的時(shí)間。隨著調(diào)光頻率的增加，調(diào)光時(shí)間縮短，固定時(shí)間的延遲會(huì)在調(diào)光周期中占用更多的時(shí)間。

　　一個(gè)采用LM555定時(shí)器的方波產(chǎn)生器能提供50%至100%的調(diào)光功能，并且可在LM3402HV VCC穩(wěn)壓器的7V備用功率下運(yùn)行。這個(gè)低成本的純粹模擬方案屬于一個(gè)非最理想的運(yùn)作，尤其在LED照明設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的噪聲問題上。LM555定時(shí)器會(huì)作用成一個(gè)異步多重振蕩器，它會(huì)隨著工作周期的變化而改變頻率，因此設(shè)計(jì)初期會(huì)用上盡可能低的頻率，例如是200Hz至300Hz。

　　因?yàn)橐话銇碚f200Hz會(huì)被視為最低的頻率，在這頻率下所產(chǎn)生的閃爍和個(gè)別脈沖都是肉眼看不到的。這樣，設(shè)計(jì)會(huì)在100%以外的任何調(diào)光工作周期下，產(chǎn)生出一種清楚可聽而且令人煩擾的嗡嗡聲，因此令到最終的調(diào)光頻率由增加至20 kHz。這種可聽噪聲會(huì)延伸到最終的設(shè)計(jì)，原因是在50%的最低工作周期時(shí)，LM555會(huì)略微產(chǎn)生非線性，導(dǎo)致在大約50%調(diào)光時(shí)出現(xiàn)調(diào)光頻率急降。假如進(jìn)一步增加調(diào)光頻率，便會(huì)將LM3402HV的DIM引腳的響應(yīng)時(shí)間推至極限。一個(gè)簡單的微控制器能夠在固定的頻率下處理從0至100%的工作周期，從而形成出一個(gè)超級(jí)的調(diào)光方案。當(dāng)微控制器在一個(gè)類似LM555的VCC穩(wěn)壓器備用功率下運(yùn)行時(shí)，這一方案的效果尤其突出。

　　結(jié)果

　　XR LED的官方功耗大約為1W，但如要精確地計(jì)算出真正的典型功率，那便必須將它們的正向電流300mA乘以其正激電壓。表1示出在25°C和溫度穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)各顏色LED的典型VF值，而數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室溫度25°C下將燈開著一小時(shí)后錄取。雖然真正的裸片溫度難以測量，但可憑InGaN和AlInGaP的正激電壓系數(shù)來估計(jì)出最終的裸片溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由Cree 規(guī)定的125°C限制范圍以內(nèi)。



　　表1  溫度量度結(jié)果和效率

　　問題迎刃而解

　　PoE LED燈已展示了兩種技術(shù)結(jié)合后的優(yōu)點(diǎn)：可以在一些沒有AC電源的地方設(shè)立照明設(shè)施。PoE供電設(shè)備具備隔離和功率因數(shù)修正功能，因此減輕了在電網(wǎng)上設(shè)立照明的負(fù)擔(dān)。燈后的內(nèi)置開/關(guān)和調(diào)光控制可以通過以太網(wǎng)的閑置數(shù)據(jù)線來作遠(yuǎn)程控制。該方案的主要應(yīng)用為：舞臺(tái)或電影院燈光、臨時(shí)布置燈光、保安攝錄機(jī)照明或展覽會(huì)的地上投影效果。



　　圖3  燈的%觀視圖



　　圖4  八個(gè)燈照亮臥室墻壁