恒流驱动源及其在太阳能LED 路灯中的应用.pdf

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太阳能的利用虽然有很多方法,但是像超大功率的太阳能发电站、家庭屋顶发电等都不适合中国的国情,唯一最简单而最容易实现的是太
而的发光亮度是直接和其正向电流有关的。同一厂家的同 ,其相对发光强 度和正向电流的关系曲线如图所示。 250 x山 200 95 careen White 8 blue 200 400 ino Forward Current(nA) 图们和光强和正向电流的关系 由图中可以看到,如果正向电流从 降低倍到,其相对发光强度将 从降低到。降低将近倍。显然这是完全不能允许的。所以一定要把电流恒定。 (二) 发光的温度不稳定 路灯通常在露天工作,其环境温度的变化是很大的 而的正向电流还和结温有关,图就表明在不同结温时的伏安特性。 T D2 图在不同环境温度时的伏安特性 的温度系数通常为负的,也就是当温度升高时( ),伏安特性向左移动 其值大约是℃,那么当其结温增加度吋,其正向电压就会降低,假如用恒压 电源供电时,其正向电流就会增加。比如,常温℃时最佳工作电流 当环境 温度升高到℃时,结电压下降工作电流急剧增加到 ,但此时电流 的增加并不会产生亮度的增加,称为亮度饱和。同样,当环境温度下降至℃时,结电压 上升,最佳工作电流将从 减小到 ,发光亮度也随电流的减少而降低, 达不到应用场所所需的照度。 而且当温度变化时,的发光光谱也会发生变化。通常温度增加时光谱的最大值是 向波长长的方向漂移。大约是每升高时漂移 升高度会产生的变化(见 图) T=-20°C armb 25°C Amber 0 peak Wavelength [nm 图发光的峰值波长随环境温度而变化 实际上,的光谱也是随其正向电流改变而改变。这也是不希望的,所以一定要保 持其正向电流恒定。采用恒流源供电以后,这种温度变化所引起的电流变化就会转化为其正 向电压的变化,从而不会引起亮度和光谱的变化。 的调光 在太阳能路灯中,常常需要按照工作时间来调节路灯的亮度,以减小太阳能电池 板的面积。为了改变的亮度,最简单的方法就是改变其正向电流。但是,正向电流的 收变会引起光谱的改变,对于白光,会引起其视在色温的改变,显然这是不希望的图 Farbortverschiebung,y=F(r Chromacity Coordinate shift 0375 OI IL00G17 0,365 0350 0.335 0320 0510152025303540mA50 图止向电流的变化引起的发光光谱的变化 最好的方法就是采用脉宽调制()的方法来调光。这实际上利用了人眼的视觉残 留的特点,使得虽然仍然以满电流工作,但是它是开关式地间歇地工作,改变开和关 的比例,就可以改变其视在亮度。为了不致引起闪烁的感觉,开关的周期必须小于人眼视觉 残留的时间,也就是说,的频率必须扃于人眼所能感觉到的闪烁频率。大约是在 以上。不过,由于现在的功率越来葳大,要产生大功率的信号直接加到上 是很麻烦的。幸好现在的恒流溟大多是一种开关式直流变换器,它可以接受一个很小功率的 信号,就可以输出一个大功率的开关信号加到,而同时还能保持恒流的作用, 乜就是它的峰值仍然保持原来设定的电流值 所以,为了实现 调光也是需要采用恒流驱动源。而调光功能在太阳能路灯 中是非常重要的。例如可以在午夜以后改为半功率工作,甚至再以后改为功率工作,这 样就可以大大减小太阳能电池板的面积,从而降低了整个灯具的成本。 (四)的不一致性 即使是同一型号的其伏安特性在各个个别的器件之间也是不同的,更何况在不同 生产厂家之间就更是不同了图。 Random LEDg from brand A Bandon lede iron brand B 28 30 8 Forward voltage o 图同一厂家伏安特性离散性实线和不同厂家伏安特性的离散性 虚线 从图中可以看出假如采用恒压电源供电,它们之间的正向电流就会有很大 的差异。而过大的正向电流也会导致光衰的加速,所以一定要用恒流源供电 各种恒流源的选用 用在太阳能路灯中的恒流源,可以分为升压型、降压型、升降压型三种:所谓升 压型就是它的输出电压比输入电压高。降压型就是输出电压比输入电压低。而升降压型则是 可以根据输入电压低于或高于输出电压的情况自动地调节其工作模式为升压或降压。 在太阳能路灯中,通常采用铅蓄电池作为储能器件,它的电压通常为或 两种。而所要求的输出电压,则是由所连接的的架构所决定。为了使得所有的正 向电流一致,通常采用各个串联的方式,这时,所要求的输出电压就是所有串联的 正向电压的总和。例如,假定用个串联(图),其正向电压的总和大约为 。其实由于各个生产厂家所生产的各不相同,而且各个之间也有所 不同。所以,个的正向电压的总合也不尽相同。其实在恒沇源中,所恒定的是电流 而不是电压。所以,并不需要知道正向电压总和的准确值,而只要知道它比输入电压高还是 低就可以了。在这里,不论采用还是的蓄电池,它都要求采用升压型的恒流源。 假如所用的为 的瓦那么不论是 蓄电池还是的蓄电 池就都要采用降压型的恒流源。如果的电压和电源电压接近,例如负载为个瓦 串联,那么它的电压为左右,而蓉电池在充满电的时候就会达到以上,这时候就 要用降压型的恒流源,但是如果在蓄电池快要放完电的时候,它的电压就大概只有 这时候就需要采用升压型的恒流源。所以,在这种情况下,就必须采用升降压型的恒流源 多个也可以采用串并联的结构,通常我们称之为几串几并。例如串并就是如 图的结构 辛千千子子子 ) () 图 的并结构 这时候虽然也可以采用一个恒流源供电,但是这时侯的恒流源就只能够恒定串的总电 流。这个总电流在各串中的分配是根据它们的伏安特性来分配的。因为加在这串上的电压 是一杵的,而每串中的每一个的电流又是相同的,这时候就必须平衡在满足这两个条 件的工作点上。而且,假如有一中的一个坏了,就会把三串的总电流分配到两串中 去,这就加大了每串中的电流。为了减小各串之问的电流不平衡,可以把各串中所有的 都并联起来,构成一个网格型的结构。这时候如果某一串中有一个坏了,就不会影响 到其它。但是,如果坏的呈现短路情况,那就会把其亡两串中的也都短路 掉,不过损坏时以开路为多,短路比较少。当然最好的方法就是用倮护二极管(通常 是齐纳极管)和每个并联,不过这样就增加了成本。 当然多个也可以采用全部并联的方法,但是因为每个的伏安特性不一样,如 果这时候用恒压源米供电就会产生极大的问题(图)。 -E 图用恒压源对多个并联的供电时每个的电流都不·样 这时候即使采用大电流的恒流源供电,也不能保证每个里的电流一样,通常需要 对每个串联电阻来得到平衡,但那样会降低效率。所以并联的数过多是不建议的。 四.恒流源的基本工作原理和特性 升压型恒流源的基本结构如图所示。 Implernentsti 图11.升压型恒流源的基本原理图 图中显示了个基本的电感升压电路,其中控制器( Control)给出了个PWM开关信 号来控制大功率开关管,后者在导通时对电感充电,而在断开时电感中的能量就对电容充电。 经过几次开关以后就可以把输入电压泵至更高的电压,从而完成升压的任务。改变P啊M信号 的工作比就可以改变其输出电压。为了保持输岀电流的恒定,就要求测量输出电流值,这是 靠一个和LED串联的小电阻来测量的。这个电阳上的电压就和一个参考电压相比较,比较所 得出的误差信号就送去控制器用以改变PNM信号的上作比,这样就实现了个闭环自动控 制,以控制其输出电流为恒定。 在选用这类升压型恒流源时,有几个问题需要注意的 1.恒流特性要好 图12表示一个SIM2842的恒流特性曲线。检测电阻放在高端比方在低端更为好点。 Ou Lpu c Volt 0.8 0.7 0.6 0.5 0.1 0. 0.2 30.1 15 20 25 30 Input Vollage (v) High side -Low side 图12.SLM284A2S的恒流特性 2.升压比要尽可能小,或者说输入电压要尽可能高,一般来说,升压比越小效率越高。卜 面图13是当输出电流为0.7A输出功率为30瓦时,SLM2842S的效率和输入电压的关系 Vin vs erlicher 94% 91% 0% 89% 10 15 25 图当输出电流为输出功率为时, 的效率和输入电压的关系 由图中可见,如果釆用12V的蓄电池,它的效率就只有90%左右,而如果改用24V的蓄 电池,它的效率就可以达到94%。这就可以减少芯片的功耗,降低芯片的温度,提高芯片的 可靠性。 3.检测电阻要尽可能小,以免在上面消耗功率。实际上这也就意味着其内部的参考电压要 尽可能低。这对于芯片改计者来说有一定的难度。如果这个参考电压在0.1伏左右,就 是一个相当好的一个芯片了,这时,外部的检测电阻就可以用一个很小值了,也就意味 着整个系统具有很高的效率。 降压型恒流源 降压型恒流源的基本工作原理和升压型是差不多的。其基本原理图如图所小。 VIN NGATE IA LED1 Basic Buck Controller LEDn GND 图降压型恒流源的基本原理图 通常储能电感是和串联,开关导通时,电感储能;开关断开时电感通过二极管继 续有电流流通。由于输出电压是输入电压减去电感电压,所以是降压型。 中的电流经 过检测电阻测量以后反馈回控制器。来控制的工作比,以实现恒流的控制。 降压型恒流源的缺点是要求输入电压高于输出电压,而太阳能路灯中所采用的蓄 电池往往是,顶多是而路灯中的通常是个申联,其所要求的总输出电压 往往在 左右,因此铰难采用降压型的恒流源。而降压型恒流源的优点是效率高。 因为输入电压高于输出电压,所以输入电流小于输岀电流。电流小有助于减小电阳性损耗。 图表明一个降压型恒流源在输入电压固定在,输出电流固定在时,其效率和输 出电压的关系曲线。 Efficiency Vs Output Voltage (Output Current-2A) 97% ① % 654 % 3% 92% 91% 0 10 30 p ge Vin=35v 图降压型恒流源的效率和输出电压的关系曲线 从图中可以看出,当输出电压为时,其效率高达。这种恒流源的恒流特性也很好 (图) Input vollage vs output current (Buck 1*3W) 0000 7 6 0000 0 10152025 0 540 nput Voltage (v) 图 的恒流特性 其实,这种降压型恒流源也可以用在交流电的路灯中,只要在前面加一个输出为 的恒压电源,就可以驱动瓦(瓦 串并)的,而且效率高达 (三)带 调光的恒流源 对于人眼来说,很难寮觉到红、绿或蓝中几纳米波长的变化,特别是在光强也在

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