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太阳能灯具均由5个部分组成:太阳能电池、蓄电池、控制装置、LED的驱动芯片以及LED本身。通常太阳能电池板挂在高杆上,充放电控制器和铅蓄电池放在地面的控制箱内,驱动芯片和LED都装在灯头里(如图1所示)。其中充放电控制器只能控制对蓄电池的充电和放电过程以及定时向LED供电,并不能稳定其输出电压。但是,有不少设计人员在设计中略去了恒流驱动,他们以为铅蓄电池的输出电压足够稳定,不需要再采用恒流驱动就可以直接驱动LED,这种想法是错误的。

图1 太阳能灯具的5个组成部分

蓄电池的输出电压会随着放电而逐渐降低,在整个放电过程中,其输出电压的变化高达20%左右。如果用它直接对LED供电,会使得LED的亮度产生很大的变化。以铅蓄电池为例,它的放电曲线如图2所示。

图2:铅蓄电池的放电曲线。
图2:铅蓄电池的放电曲线。

从图中可以看出,在整个放电过程中,铅蓄电池的输出电压将会下降达2V(将近20%)。而从LED伏安特性可知,20%的电压变化将会引起极大的正向电流变化。图3所示为某种3W LED的伏安特性,其中蓝色为白光LED。

图3:某款3W LED的伏安特性。

图3:某款3W LED的伏安特性。

假设初始电压为4.2V,此时正向电流为700mA。如果电压降到3.5V(20%),这时的电流低于180mA,降低了将近4倍。而LED的发光亮度是直接与其正向电流相关的。对于同一款3W LED,其相对发光强度和正向电流的关系曲线如图4所示。

图4:相对光强和正向电流的关系。

图4:相对光强和正向电流的关系。

由图中可以看到,如果正向电流从700mA降低到350mA,其发光强度从1.75降低到1.0。如果正向电流降低到180mA,其发光强度将降低到0.6(降低将近3倍),这是不允许出现的。


此外,LED的正向电流还与环境温度有关,图5表明了LED在不同环境温度时的伏安特性。

图5:在不同环境温度时LED的伏安特性。

图5:在不同环境温度时LED的伏安特性

LED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,该值约为-2mV/℃,那么当环境温度从20度上升到70度时,正向电压就会降低0.1V,正向电流会降低约100mA。当温度变化时,由于正向电流减小,LED的发光光谱也会发生变化。通常是向波长长的方向漂移,大约每升高10oC漂移1nm。因此,一定要保持正向电流恒定。

必须采用一个集成电路来控制LED的电流,使其无论在电池电压降低或是环境温度升高时都能保持电流恒定。PAM2842就是这样一种芯片,它能够以12V或24V的输入电源电压驱动10颗串联的3W LED。最高输出电压可达40V,最大输出电流可达1.75A,但总输出功率不能大于30W。应用电路如图6所示。

LED的电流由串联的采样电阻决定,PAM2842要求其反馈电压为0.1V,串联电阻的阻值就可以根据所要求的正向电流来设定。假设对3W的LED要求其正向电流为700mA,则其阻值为0.142Ω,损耗为0.07W,对效率的影响基本上可以忽略不计。二极管必须采用低压降、大电流的肖特基二极管,以减小功耗。电感需要采用高饱和电流、低DCR的电感。此外,PAM2842的工作频率可以有三种选择:500kHz、1MHz、1.6MHz。为降低其开关损耗,建议选择500kHz开关频率。此时可以把FsEL端接地。PAM2842具有很好的恒流特性,当输入电压从12V降至10V时,LED中电流的变化还不到3%,这样就可以保证LED的亮度基本不变。芯片内部具有过压保护电路(OVP),如果出现一个LED开路,芯片的升压会被限制而不至于过高,保护芯片本身不至于损坏。但由于所有LED为串联,如果一颗LED开路,必然会导致所有LED不亮。但是,假如有一颗LED短路,这时候,由于有恒流环控制,所以芯片会自动降低其输出电压,而保持流过LED的电流不变,因此不影响其它LED的工作。

图6:PAM2842的实际应用电路。

图6:PAM2842的实际应用电路。

由于PAM2842是作为升压芯片来使用的,因此在要求的升压比较高时,它的效率较低。例如,假设输入电压为24V,升压至40V,其效率可达95%以上。而如果输入电压为12V,仍然要求升压至40V,这时其效率就只有91%左右。因为大多数太阳能路灯系统所采用的蓄电池是12V的,为了在12V时还能获得95%的效率,可以把10颗LED二极管分成两串,每串为5颗LED串联,这样就只要求升压至不到20V,可以将效率提高至95%。而且如果一个LED开路,至多影响一串5个LED,而不会影响另一串5个LED的工作。这时,两串LED共用一个LED电流采样电阻,由于电流增加一倍变成1.4A,所以电流采样电阻阻值也应当减小一倍,变成0.07欧姆。或者只将其中一串LED的电流进行采样,而另一串LED直接接地,这样就只能对其中一串的LED电流进行恒流控制。上述两种方法各有优缺点。两串并联时,所控制的是两串电流之和。因此,如果两串的LED伏安特性有区别时,这两串LED的电流就会有所不同。除了电流采样电阻,限压电阻R3和R4的值也需要作相应的调整。只要根据Vout=1.2*(1+R3/R4)的公式加以调整就可以。

图7:两串10个1W的LED相并联。

图7:两串10个1W的LED相并联。

有的客户也想要采用1W的LED,因为这种LED比较成熟,散热也容易处理。同样可以利用PAM2842来驱动2串10个1W的LED,总输出功率约为23W。不过,对于1W的LED,它的驱动电流是350mA,所以两串并联后的总电流仍然是0.7A,和一串10个3W的LED情况一样,采样电阻仍然是0.142欧姆。当然,也可以连成4串,每串5个1W的LED,总数为20个,甚至是连成5串,每串5个1W的LED。以减少由于某一串中的LED开路而引起不亮的LED个数。这时采样电阻需根据电流值来调整。6串5个1W的LED架构不建议使用,因为其实际的输出电流过大,已经超过了芯片的允许值。各种不同架构时所相应的电流采样电阻和输出限压电阻阻值如表1所示。

表1:各种不同架构时的电流采样电阻和输出限压电阻的阻值。

表1:各种不同架构时的电流采样电阻和输出限压电阻的阻值。

图中元件的选择:
1. C1,C6:10uF/50V;
2. C2:1uF/50V;
3. C3,C4: 1uF/10V;
4. C5:10nF/50V;
5. R1:0.1V/ILED 2串1W LED 总电流约667mA, R1=0.15Ω,(0805, 1/10W),可以用多个电阻并联来调整这个阻值到合适的电流;
6. R2:1KΩ;
7. R3,R4: 设定输出限制电压。Vout=1.2*(1+R3/R4),取R3=12KΩ,R4=360KΩ,Vout=37.2V,要大于10个1W LED 串联的电压,但是要小于40V;
8. L1:33uH/3A;
9. D1:3A/40V;
10. 工作频率选择500KHz,要将Fsel接地。

演示板的印制板图如图8所示。

图8:PAM2842的演示板印制板图。

图8:PAM2842的演示板印制板图。

PAM2842不仅可用于太阳能路灯中,也可用于任何直流电源(12~24V)供电的LED照明系统,或是采用开关电源将交流变成直流输出的系统中。在很多应用中,出于安全的考虑,通常都是采用低压直流电源,例如水下照明或用户有可能接触到的地方。

一般的开关稳压电源,通常只能提供稳压输出而不能保证LED恒流。因此,当温度变化时,LED的电流就有可能变化。这都需要采用像PAM2842这样的专门针对LED驱动的恒流驱动芯片,才能保证LED灯具的性能。PAM2842是目前同类内置大功率MOSFET恒流驱动芯片中,输出功率最大的。

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