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摘 要:太阳能LED路灯具有绿色、节能、长寿命等诸多优点,发展前景可观。选用SLM2842S驱动模块为载体,从供电、驱动和LED连接构架等方面展开论述,对太阳能LED路灯的研究和设计具有一定参考应用价值。
关键词:LED路灯 SLM2842S模块 升压恒流驱动 LED连接构架
中图分类号:TM923 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2012)012-029-03
1引言
太阳能是绿色能源中最重要的能源,是取之不尽、用之不竭、广泛存在的天然能源,其优点是极为丰富、洁净、安全、价廉,对生态平衡没有任何影响。目前,LED照明技术日趋成熟,LED将会在照明行业内得到普及,进而引发人类照明史上的第四次革命。太阳能LED路灯不仅能利用清洁免费的太阳能以及高效环保的LED 给道路带来照明,而且同时可以减少温室气体排放,实现绿色照明的目的。利用太阳能和LED光源制成各种新型太阳能路灯,相同照度情况下比不用LED 的太阳能路灯节约太阳能电池和蓄电池容量40%,光源寿命增加10倍,可靠性提高5倍,系统成本降低40%以上,同时也解决了常规太阳能路灯系统用交流逆变不可靠、低温启动难、系统造价高等缺点。这里想要从供电和驱动器来探讨其总体设计。
2 LED的恒流驱动特性
LED是一个很热的二极管。因为输入LED的电功率70%都变成热能,所以LED很热,必须考虑LED的温度特性。LED具有负温系数-2mV/℃,温度升高伏安特性左移。如图1,如果采用恒压电源就会加大光衰。随着LED温度升高,如果电源电压恒定,电流就会加大。例如,常温下3.3V时,电流20mA;85度时,电流35—37mA,亮度饱和并不增加。电流加大温升更高,结温升高的结果就是光衰加大。如果采用恒流电源供电,即使温度升高,电流不变,不会造成恶性循环。
同时,选用电流模式的恒流设计,可以让输出电流不受输入电压变化的影响,在电池满载以及快没电时,都能让路灯维持相同的亮度。
3 太阳能LED路灯的电源系统结构
太阳能LED路灯的结构如图2所示。太阳能电池板在太阳光的照射下,其内部PN结会形成新的电子空穴对,在一个回路里就能产生直流电流,这个电流流入控制器,会以某种方式给蓄电池充电。蓄电池在白天的时候会接受充电,而在晚上则会提供能量给LED。
蓄电池的电压越高越好,蓄电池电压越高,电流越小,效率越高。功率小于10W的草坪灯、庭院灯,可以采用6V、12V;大于10W以上,尽可能采用24V;特别高功率(60W以上),建议采用36V。
要特别注意导线的压降。大多数情况蓄电池放在下面,或埋入地下,功率越大、灯杆越高,引线越长,电流越大,压降也就越大。压降过大会超过恒流模块的最低工作电压,而无法工作甚至烧毁。所以功率越大就应该采用电压越高的蓄电池,以减小电流,当然也应该采用足够粗的引线。太阳能路灯常用24V。
4 LED升压型恒流驱动研究
按照输入输出电压的关系分类,分为升压型恒流驱动和降压型恒流驱动。如何选择升压还是降压型恒流源。一般来说,完全由实际情况决定。由太阳能电池板供电,通常其输出电压较低(12V或24V),需要采用升压型的恒流源。如果由交流市电供电,建议采用比较高的输出电压(36V)以提高效率,故采用降压型恒流源。
不论升压型还是降压型其效率主要取决于升压和降压的比值,比值较高,效率较低。所以要尽可能使输入电压接近于输出电压。假定要求驱动30W,10串3并1W,或10串3W,一般的恒流模块大约只能散热1.5W,这就要求效率高达95%。假定工作在升压方式,升压比应小于1.38,也就是要求输入电压为24V;假如输入电压为12V,其升压比就高达2.75,效率只有90%。耗散功率高达3W,就必须外加散热器。实际上假如是12V蓄电池供电,其最低电压只有10V,其升压比就高达3.3,效率只有88%,即使加散热器也无法实现。
太阳能路灯采用升压工作方式,这样可以减少系统中LED驱动器的数目,节约系统成本。
4.1传统升压驱动存在的问题
(1)电池使用寿命短:图3中,即使关断升压转换器主开关,Vin与Vout之间仍会形成一条电流泄露路径,如果在输出端接有任何负载,其中泄露电流Ileak接近于Vin/Rload,那么漏电流的存在使的蓄电池一直处于工作状态,这样将会缩短电池的使用寿命。
(2)无短路保护装置:图3中,当出现输出端短路时,电流经过电感器,整流器和地,仅仅受到印刷电路板迹线电阻、整流器寄生电阻和电感器DCR电阻的限制,没有其他任何保护措施,即使主开关关断,也照样存在这个问题。因此必须加设输入保险丝提供保护,以免出现短路。
4.2 SLM2842S恒流驱动模块实例
图4为大功率升压型SLM2842S实用电路。其输入电压6-29V,输出功率30W(10€?W),可用于太阳能路灯,可PWM调光。其输出电流可以在输入电压从8—28V范围内(变化达3.5倍)均保持不变。当输入电压从28V降低到8V时,LED中的电流只变化不到3%,如图5所示。这样就可以保证LED的亮度基本上不变。
5 太阳能LED路灯连接架构
LED串联个数不能超过10个。LED的亮度正比于正向电流,为了使流过各LED的亮度一致,要求各个LED串联,一般来说串联个数不能超过10个,因为超过10个以后,输出电压就会超过36V的安全电压。
假如两串LED并联,即使采用恒流电源供电,有一串中一个LED开路,所有电流都会流入另一串,使另一串电流加大一倍,很快就会坏掉,而且是所有LED都受到大电流的损坏;更多串并联可以减轻这个问题,但不能彻底解决,而且要求恒流源电流加大。LED串并联必须加保护,最简单的保护就是每个LED两两并联,但是如果一个开路,和它并联的另一个就会电流加倍,也很快烧坏,只是其他LED不会受到电流加倍的损坏。最简单的保护就是并联稳压管。
到底是几串几并?对于太阳能LED路灯,因为输入电压是由蓄电池决定的,而蓄电池的电压是12的整数倍(12V:10.7V-14.7V,24V:21.4-29.4V),在决定几串几并的时候必须考虑输出电压,不要落在输入电压的范围内。假如落在输入电压的范围内,就必须采用降压型恒流源,这种恒流模块的效率比较低,价格也比较高,应当尽可能避免。表1给出了SLM2842S模组的几种输出架构。
表1 SLM2842S模组的几种输出架构
表中加黑字为带散热器时的表面温度(在25℃室温时测试的结果)
6 结语
LED光源在道路照明中的应用已成为近年来半导体照明行业的热点。近年来随着制造工艺的不断发展,大功率高亮度LED性能不断提高,价格不断下降,特别是在全球能源短缺的背景下,LED光源必将成为2l世纪的主导光源。
参考文献:
[1] 吕慧敏,蔡永泉.节能高手——LED的应用[J].现代显示,2006(12):50-51.
[2] 孙晓娟.基于LM3423的太阳能LED路灯驱动器的设计[J].科技信息,2008(11):85.
[3] 周志敏,纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2009:207-212.
[4] Jen-Hau Cheng,Chun-Kal Liu,cooling Performance of Silicon-Based Thermoelectric Device on High Power LED,IEEE,2005,V01.19,No.23:53-55.
[5] 孙晓娟.基于LM3423的太阳能LED路灯驱动器的设计[J].科技信息,2008(11):85.
[6] Eric Hoyt.汽车电子系统应用的LED驱动解决方案[J].世界电子元器件,2010(5):46-47.
[7] 吴淑梅,霍彦明,徐梅.LED光源在照明中的应用[J].中国高新技术企业,2008(9):43.
关键词:LED路灯 SLM2842S模块 升压恒流驱动 LED连接构架
中图分类号:TM923 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2012)012-029-03
1引言
太阳能是绿色能源中最重要的能源,是取之不尽、用之不竭、广泛存在的天然能源,其优点是极为丰富、洁净、安全、价廉,对生态平衡没有任何影响。目前,LED照明技术日趋成熟,LED将会在照明行业内得到普及,进而引发人类照明史上的第四次革命。太阳能LED路灯不仅能利用清洁免费的太阳能以及高效环保的LED 给道路带来照明,而且同时可以减少温室气体排放,实现绿色照明的目的。利用太阳能和LED光源制成各种新型太阳能路灯,相同照度情况下比不用LED 的太阳能路灯节约太阳能电池和蓄电池容量40%,光源寿命增加10倍,可靠性提高5倍,系统成本降低40%以上,同时也解决了常规太阳能路灯系统用交流逆变不可靠、低温启动难、系统造价高等缺点。这里想要从供电和驱动器来探讨其总体设计。
2 LED的恒流驱动特性
LED是一个很热的二极管。因为输入LED的电功率70%都变成热能,所以LED很热,必须考虑LED的温度特性。LED具有负温系数-2mV/℃,温度升高伏安特性左移。如图1,如果采用恒压电源就会加大光衰。随着LED温度升高,如果电源电压恒定,电流就会加大。例如,常温下3.3V时,电流20mA;85度时,电流35—37mA,亮度饱和并不增加。电流加大温升更高,结温升高的结果就是光衰加大。如果采用恒流电源供电,即使温度升高,电流不变,不会造成恶性循环。
同时,选用电流模式的恒流设计,可以让输出电流不受输入电压变化的影响,在电池满载以及快没电时,都能让路灯维持相同的亮度。
3 太阳能LED路灯的电源系统结构
太阳能LED路灯的结构如图2所示。太阳能电池板在太阳光的照射下,其内部PN结会形成新的电子空穴对,在一个回路里就能产生直流电流,这个电流流入控制器,会以某种方式给蓄电池充电。蓄电池在白天的时候会接受充电,而在晚上则会提供能量给LED。
蓄电池的电压越高越好,蓄电池电压越高,电流越小,效率越高。功率小于10W的草坪灯、庭院灯,可以采用6V、12V;大于10W以上,尽可能采用24V;特别高功率(60W以上),建议采用36V。
要特别注意导线的压降。大多数情况蓄电池放在下面,或埋入地下,功率越大、灯杆越高,引线越长,电流越大,压降也就越大。压降过大会超过恒流模块的最低工作电压,而无法工作甚至烧毁。所以功率越大就应该采用电压越高的蓄电池,以减小电流,当然也应该采用足够粗的引线。太阳能路灯常用24V。
4 LED升压型恒流驱动研究
按照输入输出电压的关系分类,分为升压型恒流驱动和降压型恒流驱动。如何选择升压还是降压型恒流源。一般来说,完全由实际情况决定。由太阳能电池板供电,通常其输出电压较低(12V或24V),需要采用升压型的恒流源。如果由交流市电供电,建议采用比较高的输出电压(36V)以提高效率,故采用降压型恒流源。
不论升压型还是降压型其效率主要取决于升压和降压的比值,比值较高,效率较低。所以要尽可能使输入电压接近于输出电压。假定要求驱动30W,10串3并1W,或10串3W,一般的恒流模块大约只能散热1.5W,这就要求效率高达95%。假定工作在升压方式,升压比应小于1.38,也就是要求输入电压为24V;假如输入电压为12V,其升压比就高达2.75,效率只有90%。耗散功率高达3W,就必须外加散热器。实际上假如是12V蓄电池供电,其最低电压只有10V,其升压比就高达3.3,效率只有88%,即使加散热器也无法实现。
太阳能路灯采用升压工作方式,这样可以减少系统中LED驱动器的数目,节约系统成本。
4.1传统升压驱动存在的问题
(1)电池使用寿命短:图3中,即使关断升压转换器主开关,Vin与Vout之间仍会形成一条电流泄露路径,如果在输出端接有任何负载,其中泄露电流Ileak接近于Vin/Rload,那么漏电流的存在使的蓄电池一直处于工作状态,这样将会缩短电池的使用寿命。
(2)无短路保护装置:图3中,当出现输出端短路时,电流经过电感器,整流器和地,仅仅受到印刷电路板迹线电阻、整流器寄生电阻和电感器DCR电阻的限制,没有其他任何保护措施,即使主开关关断,也照样存在这个问题。因此必须加设输入保险丝提供保护,以免出现短路。
4.2 SLM2842S恒流驱动模块实例
图4为大功率升压型SLM2842S实用电路。其输入电压6-29V,输出功率30W(10€?W),可用于太阳能路灯,可PWM调光。其输出电流可以在输入电压从8—28V范围内(变化达3.5倍)均保持不变。当输入电压从28V降低到8V时,LED中的电流只变化不到3%,如图5所示。这样就可以保证LED的亮度基本上不变。
5 太阳能LED路灯连接架构
LED串联个数不能超过10个。LED的亮度正比于正向电流,为了使流过各LED的亮度一致,要求各个LED串联,一般来说串联个数不能超过10个,因为超过10个以后,输出电压就会超过36V的安全电压。
假如两串LED并联,即使采用恒流电源供电,有一串中一个LED开路,所有电流都会流入另一串,使另一串电流加大一倍,很快就会坏掉,而且是所有LED都受到大电流的损坏;更多串并联可以减轻这个问题,但不能彻底解决,而且要求恒流源电流加大。LED串并联必须加保护,最简单的保护就是每个LED两两并联,但是如果一个开路,和它并联的另一个就会电流加倍,也很快烧坏,只是其他LED不会受到电流加倍的损坏。最简单的保护就是并联稳压管。
到底是几串几并?对于太阳能LED路灯,因为输入电压是由蓄电池决定的,而蓄电池的电压是12的整数倍(12V:10.7V-14.7V,24V:21.4-29.4V),在决定几串几并的时候必须考虑输出电压,不要落在输入电压的范围内。假如落在输入电压的范围内,就必须采用降压型恒流源,这种恒流模块的效率比较低,价格也比较高,应当尽可能避免。表1给出了SLM2842S模组的几种输出架构。
表1 SLM2842S模组的几种输出架构
表中加黑字为带散热器时的表面温度(在25℃室温时测试的结果)
6 结语
LED光源在道路照明中的应用已成为近年来半导体照明行业的热点。近年来随着制造工艺的不断发展,大功率高亮度LED性能不断提高,价格不断下降,特别是在全球能源短缺的背景下,LED光源必将成为2l世纪的主导光源。
参考文献:
[1] 吕慧敏,蔡永泉.节能高手——LED的应用[J].现代显示,2006(12):50-51.
[2] 孙晓娟.基于LM3423的太阳能LED路灯驱动器的设计[J].科技信息,2008(11):85.
[3] 周志敏,纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2009:207-212.
[4] Jen-Hau Cheng,Chun-Kal Liu,cooling Performance of Silicon-Based Thermoelectric Device on High Power LED,IEEE,2005,V01.19,No.23:53-55.
[5] 孙晓娟.基于LM3423的太阳能LED路灯驱动器的设计[J].科技信息,2008(11):85.
[6] Eric Hoyt.汽车电子系统应用的LED驱动解决方案[J].世界电子元器件,2010(5):46-47.
[7] 吴淑梅,霍彦明,徐梅.LED光源在照明中的应用[J].中国高新技术企业,2008(9):43.