原创 太阳能LED路灯将能无可争议地取代高压钠灯（一）

摘  要：本文讨论了太阳能LED路灯和传统的高压钠灯在性能上和造价上的比较。目前在LED的光衰和稳定性方面尚有较多争议。因此本文重点介绍了提高LED的长期寿命（光衰）和短期发光稳定性的方法。前者主要靠采用热管来改善其散热。后者则主要靠采用恒流驱动芯片。采用以上措施以后，太阳能LED路灯将能无可争议地取代高压钠灯。

作者简介：茅于海，现任上海龙茂微电子总经理。E-mail: yuhai.mao@poweranalog.com.

我国的光电子产业近年来的发展速度很快，每年以30－40％的速度增长，但目前仅占全球市场的5％，估计到2010年将占全球市场的10％。另外，我国的LED产业也发展极其迅速。中国高亮度白光GaN类的LED产量年增长率达到59％，2006年产量为72亿个。市场规模为90亿元。预计2010年产量将达到200亿个，超过日本，成为世界上第二大生产国。所以，这两者相结合，将使我国在这个领域走在世界的前列。只是有点遗憾的是，我国的太阳能电池板有95％都是出口，而只有5％是内销。而我国的发电70％以上都是由燃煤的火力发电厂产生的。看来关键还是从政府到老百姓都还缺乏环保的概念。

一. 中国的太阳能资源

中国的太阳能资源是十分丰富的(图1)。

图1. 我国的太阳能资源

    由图中可见，我国的东南沿海地区是比较差的，但平均日辐射量也可以达到每平方米3.2-3.8KW，也已经足够一个家庭的供电了。而2/3以上国土年总日照量>5GJ/M2，理论储量相当于1.7万亿吨标准煤。太阳能资源丰富地区包括：青藏高原、西北地区、华北地区、东北大部、云南、广东、海南地区,年平均日照时间2200小时。北京地区一年日照约2300小时。现在很多德国家庭都已经开始在屋顶上安装太阳能电池板以供应整个家庭的用电，而德国一般城市年平均日照只有1600小时，可见德国公民对环保意识的浓厚。

二. LED路灯和高压钠灯的比较

太阳能最简单的应用是产生热水，其次是发电。而发电的一个很重要的应用是照明,中国的照明用电占全部电能耗费的12％。但大型的太阳能发电厂的建厂成本很高，而且大功率太阳能电池板要占用很大的无遮挡面积，所以太阳能照明最好的实现方法是和发光器件结合在一起，构成独立的照明装置。目前，最有前景的是太阳能路灯，太阳能庭院灯，太阳能草坪灯，太阳能信号灯，和太阳能航标灯等。其中尤以太阳能LED路灯的经济价值最高。因为普通的路灯需要铺设很长的输电线路，而且随着距离的增加，电压会逐渐降低，过一定距离还要用变压器升压。其电源线路的铺设要投入很高的费用。而太阳能路灯则不然。因为每一根路灯杆都是独立的，不需要铺设输电线路，这就大大降低了架设的费用。而且LED的发光效率远高于白织灯，虽然从数字上比不过高压钠灯(高压钠灯的发光效率为132流明/瓦，而LED只有90流明/瓦)，但是LED的发展潜力很大。表1是各种灯具的发光效率的比较。

高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低只有2000－2500oK，而LED的色温较高，可以达到3500－4500oK以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。还有，高压钠灯的显色指数差，只有20到40，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75－80。所以路面明亮，感觉舒适。所以从实际的发光效果来看，LED反而可以比高压钠灯高出很多。100W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。100W的LED，其输出光通量大约只有6250流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6000流明，而路面的平均照度可以达到16Lux（12m高杆）。250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。但到达路面的流明数就只有7000流明。路面的照度大约为30－40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以100W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。二者相当。所以，100W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能2.5倍。

另外，LED的寿命长，不需要经常更换。高压钠灯设计寿命2万小时，由于受电压变化及高启动电流的影响，实际寿命在2年以下。所以其实际寿命通常只有4000小时，假定每天工作10小时，只能工作400天，一年多一点就要更换；而大功率LED的寿命为50,000小时，假定每天工作10小时，13.7年才需要更换。这就大大节省了维护费用。

三. 太阳能灯具的构成

    不管是那一种太阳能灯具，它都是由5个部分组成，第一是太阳能电池，第二是蓄电池第三是它的控制装置，第四是LED的驱动芯片，第五个是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。其示意图如图3所示。其中充放电工控制器只能控制对蓄电池的充电和放电的过程和定时（或光控）向LED供电，而并不能稳定其输出电压。

四. LED灯头

4.1 LED的选择

    因为目前LED的发光效率还是比较低，大约有85％的电能都转化为热能。所以发热很高。为了能够分散这些热量，不宜采用功率过大的LED。以目前的工艺来看，以1W的LED比较成熟。对于100W的LED灯头，需要采用100个1W的LED。这时大约有85W的热能要散发掉。LED的性价比是每美元的流明数。一方面希望它的发光效率高，也就是每瓦的流明数要高，目前，最高可以达到85－100流明/瓦。另一方面，希望它的价钱要便宜。1W的LED，批量购买时的最低价约为1美元一个。

4.2 二次光学设计

    由于目前所有LED都带有小型透镜，而使其光束集中在80度左右的角度范围内，为了使得路面的照度能够宽阔均匀，通常都要进行二次光学设计。二次光学设计可以有很多方法，但是其最终的目的是一样的，就是要求能够使得路面的照度均匀。最理想的是三角型的照度曲线，但是实际上是无法实现的，因此，对于能够实现的照度曲线通常称为蝙蝠翼型（图4）。

4.3 LED灯头的散热

    LED的效率还是比较低的，大约只有15％左右。也就是有85％的电能都转化为热能。而这些热能如果散不出去，就会反过来影响了LED的性能。最严重的是影响到LED的寿命。它的具体表现就是结温的上升。

虽然随着LED的效率逐年提高，这个问题会逐渐缓解，但是从目前的情况来说，还是需要尽可能做好散热措施。可以这样说，现在LED路灯表现出来的很多问题都是由不完善的散热所引起的。

目前最普通的做法就是采用尽可能大的铝制散热器。这虽然可以解决一些问题，但是这个方法会带来散热效果和重量之间的矛盾。为了散热效果好，就必须采用非常重大的散热器。而其效果还不尽人意。现在最新的方法是采用“回路热管”技术。这种方法可以在非常好的散热效果的同时还能够保持很轻的重量。

 
图8. 回路热管改造原理

采用了回路热管散热技术可以把LED的结温降低到65℃，这就大大地提高了LED灯具的使用寿命。经过了3年实际测试表明，在每天工作12小时，其光衰小于3％。预计在工作十年以后，其光衰只有20％。这就基本上解决了寿命的问题。

五. LED的恒流驱动

作为一种光源，LED的最大缺点就是它的发光不稳定，很容易受到电压温度的影响。而且，它对电压和温度的灵敏度还很高。所以一定要采用恒流驱动，来克服它的发光不稳定。

5.1 电压不稳所引起的发光不稳
    在太阳能路灯中，主要采用铅蓄电池来储存太阳能。但是，有不少设计人员在设计中略去了恒流驱动，以为铅蓄电池的输出电压足够稳定，而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。
不论哪一种蓄电池它的输出电压都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。如果将其直接对LED加电，会使LED的亮度产生很大的变化。现以铅蓄电池为例，它的放电曲线如图9所示。

假定初始的电压为3.4V，这时的正向电流为350mA。假如电压降低到3.1V（10％），这时的电流就不到100mA,降低了将近3.5倍。
而LED的发光亮度是直接和其正向电流有关的。同一厂家的同一1瓦 LED，其相对发光强度和正向电流的关系曲线如图11所示。

LED的温度系数通常为负的，也就是当温度升高时（T1－>T2），伏安特性向左移动。其值大约是-2mV/℃，那么当其结温增加50度时，其正向电压就会降低0.1V。假如用恒压电源供电时，其正向电流就会增加。比如，常温25℃时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85℃时，PN结电压VF下降,工作电流急剧增加到35mA～37mA，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-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小到8mA~10mA，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，LED的发光光谱也会发生变化。通常是向波长长的方向漂移。大约是每升高10oC时漂移1nm，升高50度会产生5nm的变化。所以一定要保持其正向电流恒定。

5.3采用恒流驱动IC来稳定LED的正向电流

从LED的电压特性和温度特性中，可以得出结论，一定要采用一个集成电路来控制LED的电流使其不论在电池电压降低或是环境温度升高时都能保持正向电流恒定。PAM2842就是这样一种芯片。这颗芯片可以从低到5V高到28V的输入电源电压范围内，驱动10颗串联的3W LED。它的最高输出电压可以达到40V，而最大输出电流可以达到1.75A。但是总的输出功率不能大于30W。而且输入电压可以任意从5V变到28V，都能保持LED的电流不变。
其应用电路如图13所示。

 
图13. PAM2842的实际应用电路

LED的电流由串联的电流采样电阻来决定,PAM2842只要求其反馈电压为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。假如对3W的LED要求其正向电流为700mA，则其阻值就是0.142Ω。其损耗为0.07W，对效率的影响基本上可以忽略不计。另外二极管D1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。为了降低其开关损耗，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降低到10V时，LED中的电流只变化不到3％。这样就可以保证LED的亮度基本上不变。芯片内部具有过压保护电路(OVP)，所以假如有一个LED开路，芯片的升压会被限制住不至于过高，保护芯片本身不至于损坏。但是由于所有LED为串联，有一颗LED开路，当然会导致所有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，因此不影响其他LED的工作。

因为PAM2842在这里是作为升压芯片来应用的，所以在要求的升压比比较高时，其效率就比较低。举例来说，假如输入电压是24V，升压至40V，其效率可达95％以上。而假如输入电压为12V，仍然要求升压至40V，这时候其效率就只有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时还能得到95％的效率，可以把10颗LED二极管分成两串，每一串为5颗LED串联，这样就只要求升压至20V以下，可以提高效率至95％。而且如果一个LED开路，顶多影响一串5个LED，而不至于影响另一串5个LED的工作。这时候，两串LED共用一个LED电流采样电阻，因为电流增加一倍，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，只将其中的一串LED的电流进行采样，而另一串的LED就直接接地，这样就只能对其中一串的LED电流进行恒流控制。这两种做法各有优缺点。两串并联时，所控制的是两串电流之和。所以，假如两串的LED伏安特性有所区别时，这两串的LED的电流就会有所不同。除了电流采样电阻以外，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。

现在还有很多人采用1W的LED， 因为它比较成熟，散热也容易处理。我们也可以利用PAM2842来驱动3串10个1W的LED。总的输出功率大约是30W。只是对于1W的LED，它的驱动电流是350mA，所以三串并联以后的总电流加大到1.05A，要比一串10个3W的LED大很多。可以有两个办法解决。一个是改成两串10个1W，这样其电流是0.7A，和1串10个3瓦的一样。采样电阻仍然是0.142欧姆。还有一个办法，是把3串10个1瓦的总电流减少为0.9A。这样每一串的电流仍然可以有300mA，对于其亮度影响不大，总功率也没有超过30W。当然，也可以连成四串，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，所引起不亮的LED个数。这时采样电阻就要根据电流值来调整。但是不建议使用6串5个1W的LED架构，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的值如表3所示。

表3  各种不同架构时的电流采样电阻和输出限压电阻的阻值
架构     1串10个3W    2串5个3W    2串10个1W    4串5个1W    5串5个1W
输出功率    23.1W    23.1W             23.1W           23.1W        28.8W
电流     0.7A             1.4A                0.7A              1.4A           1.75A
R1       0.142Ω         0.07Ω           0.142Ω           0.07Ω         0.06Ω
R3       360KΩ         180KΩ           360KΩ             180KΩ       180KΩ
R4       12KΩ            12KΩ            12KΩ               12KΩ          12KΩ

PAM2842不只限于太阳能路灯中。而且也可以用于任何直流电源（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。例如在很多应用中，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，或是用户有可能接触到的地方。

一般性的开关稳压电源，通常只能提供稳压输出，而不能保证LED恒流。所以，当温度变化时，LED的电流就有可能变化。所有这些，都还是需要有像PAM2842这样的专为LED驱动用的恒流驱动芯片，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。（待续）

太阳能LED路灯将能无可争议地取代高压钠灯（二）

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