恒流驅動(dòng)源技術(shù)在太陽(yáng)能LED路燈的設計應用

一、概述

太陽(yáng)能的利用雖然有很多方法，但是像超大功率的太陽(yáng)能發(fā)電站、家庭屋頂發(fā)電等都不適合中國的國情，唯一最簡(jiǎn)單而最容易實(shí)現的是太陽(yáng)能路燈。我國的路燈總數超過(guò)1億盞，只要其中的6000萬(wàn)盞改成太陽(yáng)能路燈，其每年節省的電量就超過(guò)一個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。如果把今后每年新增的2000萬(wàn)盞路燈全部改用太陽(yáng)能路燈，三年下來(lái)又是一個(gè)三峽水電站。其節能的效果是非?？捎^(guān)的，而且完全不需要興師動(dòng)眾地動(dòng)員全國的力量來(lái)興建，而這樣發(fā)動(dòng)各級地方政府的力量和各個(gè)有關(guān)企業(yè)的力量就可以完成。

太陽(yáng)能路燈的構成十分簡(jiǎn)單（圖1）。

太陽(yáng)能路燈控制器電路圖：http://www.elecfans.com/article/88/131/190/2009/2009040846544.html

圖1. 太陽(yáng)能路燈的構成

太陽(yáng)能路燈的安裝也十分簡(jiǎn)單，幾乎就好像種樹(shù)一樣，挖一個(gè)坑，埋進(jìn)去就可以了。不像采用交流電的路燈，需要鋪電纜、建造變壓器房、挖維修井…。雖然單個(gè)太陽(yáng)能路燈的造價(jià)要比普通的高壓鈉燈的造價(jià)貴，但是，如果考慮鋪設電纜等的總體造價(jià)，二者就相差不多。再加上以后每年所節省的可觀(guān)的電費，可以說(shuō)，太陽(yáng)能路燈在一兩年之內所節省的電費就可以彌補其差價(jià)，以后所節省的電費就是純收益了。

從圖1所示的框圖中可見(jiàn)，其中最核心的部件，就是PWM調光控制器和恒流模塊。過(guò)去很多投資都投向太陽(yáng)能電池、和LED。很少有人關(guān)心到這兩部分，以至于目前市面上的控制器大都沒(méi)有PWM調光的能力，而目前的恒流模塊絕大多數都是采用從國外進(jìn)口的芯片。而國家也不重視這方面投入。這是一個(gè)很大的問(wèn)題，當然也是有很大的機遇。

二、太陽(yáng)能LED路燈為什么需要恒流驅動(dòng)

除了發(fā)光效率以外，要使LED能夠成為一個(gè)實(shí)用的燈具還有一系列問(wèn)題需要解決。其中最重要的就是它的恒流驅動(dòng)。這是由以下幾個(gè)原因所決定的。

（一） 太陽(yáng)能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不恒定
在太陽(yáng)能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量?jì)Υ鎲卧?，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿(mǎn)充到滿(mǎn)放，其電壓變化是會(huì )接近20%的（圖2）。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過(guò)4倍以上。

圖2. 鉛蓄電池的放電曲線(xiàn)。

圖3. 某一公司的 LED的伏安特性

LED有很陡的伏安特性（圖3）。

假定初始的電壓為3.25V，這時(shí)的正向電流為350mA。假如供電電壓降低到2.6V（20％），這時(shí)的電流就不到40mA,降低了將近8.75倍。

而LED的發(fā)光亮度是直接和其正向電流有關(guān)的。同一廠(chǎng)家的同一 LED，其相對發(fā)光強度和正向電流的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4. 相對光強和正向電流的關(guān)系

由圖中可以看到，如果正向電流從350mA降低8.75倍到40mA，其相對發(fā)光強度將從100降低到20。降低將近5倍。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。

（二） LED發(fā)光的溫度不穩定

LED路燈通常在露天工作，其環(huán)境溫度的變化是很大的。
而LED的正向電流還和結溫有關(guān)，圖5就表明LED在不同結溫時(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的溫度系數通常為負的，也就是當溫度升高時(shí)（T1－>T2），伏安特性向左移動(dòng)。其值大約是-2mV/℃，那么當其結溫增加50度時(shí)，其正向電壓就會(huì )降低0.1V，假如用恒壓電源供電時(shí)，其正向電流就會(huì )增加。比如，常溫25℃時(shí)LED最佳工作電流20mA，當環(huán)境溫度升高到85℃時(shí)，PN結電壓VF下降,工作電流急劇增加到35mA～37mA，但此時(shí)電流的增加并不會(huì )產(chǎn)生亮度的增加，稱(chēng)為亮度飽和。同樣，當環(huán)境溫度下降至-40℃時(shí)，結電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小到8mA~10mA，發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低，達不到應用場(chǎng)所所需的照度。

而且當溫度變化時(shí)，LED的發(fā)光光譜也會(huì )發(fā)生變化。通常溫度增加時(shí)光譜的最大值是向波長(cháng)長(cháng)的方向漂移。大約是每升高10oC時(shí)漂移1nm，升高50度會(huì )產(chǎn)生5nm的變化（見(jiàn)圖6）。

圖6. LED發(fā)光的峰值波長(cháng)隨環(huán)境溫度而變化

實(shí)際上，LED的光譜也是隨其正向電流改變而改變。這也是不希望的，所以一定要保持其正向電流恒定。采用恒流源供電以后，這種溫度變化所引起的電流變化就會(huì )轉化為其正向電壓的變化，從而不會(huì )引起亮度和光譜的變化。

（三）LED的PWM調光

在太陽(yáng)能LED路燈中，常常需要按照工作時(shí)間來(lái)調節路燈的亮度，以減小太陽(yáng)能電池板的面積。
為了改變LED的亮度，最簡(jiǎn)單的方法就是改變其正向電流。但是，正向電流的改變會(huì )引起光譜的改變，對于白光LED，會(huì )引起其視在色溫的改變，顯然這是不希望的(圖7)。

圖7. 正向電流的變化引起的發(fā)光光譜的變化.

最好的方法就是采用脈寬調制（PWM）的方法來(lái)調光。這實(shí)際上利用了人眼的視覺(jué)殘留的特點(diǎn)，使得雖然LED仍然以滿(mǎn)電流工作，但是它是開(kāi)關(guān)式地間歇地工作，改變開(kāi)和關(guān)的比例，就可以改變其視在亮度。為了不致引起閃爍的感覺(jué)，開(kāi)關(guān)的周期必須小于人眼視覺(jué)殘留的時(shí)間，也就是說(shuō)，PWM的頻率必須高于人眼所能感覺(jué)到的閃爍頻率。大約是在200Hz以上。不過(guò)，由于現在的LED功率越來(lái)越大，要產(chǎn)生大功率的PWM信號直接加到LED上是很麻煩的。幸好現在的恒流源大多是一種開(kāi)關(guān)式直流變換器，它可以接受一個(gè)很小功率的PWM信號，就可以輸出一個(gè)大功率的開(kāi)關(guān)信號加到LED上，而同時(shí)還能保持恒流的作用，也就是它的峰值仍然保持原來(lái)設定的電流值。

所以，為了實(shí)現PWM調光也是需要采用恒流驅動(dòng)源。而調光功能在太陽(yáng)能LED路燈中是非常重要的。例如可以在午夜以后改為半功率工作，甚至再以后改為1/3功率工作，這樣就可以大大減小太陽(yáng)能電池板的面積，從而降低了整個(gè)燈具的成本。

（四）LED的不一致性

即使是同一型號的LED其伏安特性在各個(gè)個(gè)別的器件之間也是不同的，更何況在不同生產(chǎn)廠(chǎng)家之間就更是不同了(圖8)。

圖8. 同一廠(chǎng)家LED伏安特性離散性(實(shí)線(xiàn)),和不同廠(chǎng)家LED伏安特性的離散性(虛線(xiàn))

從圖中可以看出,假如采用恒壓電源供電，它們之間的正向電流就會(huì )有很大的差異。而過(guò)大的正向電流也會(huì )導致光衰的加速，所以一定要用恒流源供電。

三．各種恒流源的選用

用在太陽(yáng)能LED路燈中的恒流源，可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種：所謂升壓型就是它的輸出電壓比輸入電壓高。降壓型就是輸出電壓比輸入電壓低。而升降壓型則是可以根據輸入電壓低于或高于輸出電壓的情況自動(dòng)地調節其工作模式為升壓或降壓。

在太陽(yáng)能LED路燈中，通常采用鉛蓄電池作為儲能器件，它的電壓通常為12V或24V兩種。而所要求的輸出電壓，則是由所連接的LED的架構所決定。為了使得所有LED的正向電流一致，通常采用各個(gè)LED串聯(lián)的方式，這時(shí)，所要求的輸出電壓就是所有串聯(lián)的LED正向電壓的總和。例如，假定用10個(gè)LED串聯(lián)（圖9a），其正向電壓的總和大約為10x3.3V=33V。其實(shí)由于各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家所生產(chǎn)的LED各不相同，而且各個(gè)LED之間也有所不同。所以，10個(gè)LED的正向電壓的總合也不盡相同。其實(shí)在恒流源中，所恒定的是電流而不是電壓。所以，并不需要知道正向電壓總和的準確值，而只要知道它比輸入電壓高還是低就可以了。在這里，不論采用12V還是24V的蓄電池，它都要求采用升壓型的恒流源。

假如所用的LED為10V，1A的10瓦LED。那么不論是12Vd1蓄電池還是24V的蓄電池就都要采用降壓型的恒流源。
如果LED的電壓和電源電壓接近，例如負載為4個(gè)1瓦LED串聯(lián)，那么它的電壓為13V左右，而蓄電池在充滿(mǎn)電的時(shí)候就會(huì )達到14V以上，這時(shí)候就要用降壓型的恒流源，但是如果在蓄電池快要放完電的時(shí)候，它的電壓就大概只有10.4V。這時(shí)候就需要采用升壓型的恒流源。所以，在這種情況下，就必須采用升降壓型的恒流源。

多個(gè)LED也可以采用串并聯(lián)的結構，通常我們稱(chēng)之為幾串幾并。例如10串3并就是如圖9b的結構。

圖9. LED的10串3并結構

這時(shí)候雖然也可以采用一個(gè)恒流源供電，但是這時(shí)候的恒流源就只能夠恒定3串的總電流。這個(gè)總電流在各串中的分配是根據它們的伏安特性來(lái)分配的。因為加在這3串上的電壓是一樣的，而每串中的每一個(gè)LED的電流又是相同的，這時(shí)候就必須平衡在滿(mǎn)足這兩個(gè)條件的工作點(diǎn)上。而且，假如有一串中的一個(gè)LED壞了，就會(huì )把三串的總電流分配到兩串中去，這就加大了每串中的電流。為了減小各串之間的電流不平衡，可以把各串中所有的LED都并聯(lián)起來(lái)，構成一個(gè)網(wǎng)格型的結構。這時(shí)候如果某一串中有一個(gè)LED壞了，就不會(huì )影響到其它LED。但是，如果壞的LED呈現短路情況，那就會(huì )把其它兩串中的LED也都短路掉，不過(guò)LED損壞時(shí)以開(kāi)路為多，短路比較少。當然最好的方法就是用保護二極管（通常是齊納二極管）和每個(gè)LED并聯(lián)，不過(guò)這樣就增加了成本。

當然多個(gè)LED也可以采用全部并聯(lián)的方法，但是因為每個(gè)LED的伏安特性不一樣，如果這時(shí)候用恒壓源來(lái)供電就會(huì )產(chǎn)生極大的問(wèn)題（圖10）。