最大限度提升太阳能LED路灯能效及降低成本[2]

　　应对LED性能提升的驱动电路设计策略及解决方案

　　如前所述，在太阳能街道照明系统的光源方面，LED正在取代传统的荧光灯和高强度气体放电灯(HID)。HID包括金属卤化物灯(简称“金卤灯”)、高/低压钠灯和水银蒸气灯等多种类型，其中，凭借着相对较高的发光效率，金属卤化物灯应用得更为普遍。

　　如今，随着LED性能的快速提升，它在替代金卤灯方面显示出了更大潜力，要提供同等的光输出，所使用的LED数量将会更少，从而提供LED的经济适用性。以100 W金卤灯为例，其平均光输出流明数为3,500流明(lm)，这功率等级所需要采用的LED数量在2007年是30个；预计到2012年，数量会减少到20个！所以LED将具有越来越大的经济适用优势。

　　为了因应LED性能快速提升的趋势，并维持设计在较长时期内的适用性，必须采用一些实用的设计策略，如模块化替代、使用寿命周期分析和物料清单(BOM)成本降低等。

图3：通过模块化LED途径替代金卤灯

　　首先，在模块化途径替代金卤灯光源方面，可使每个LED光条采用固定数量的LED。随着LED在光输出等方面性能的持续提升，要提供相同的总光能输出，就可以使用更少的LED光条，从而降低需要使用的LED的成本，参见图3。

　　其次，在设计过程中，要有效地利用LED使用寿命周期分析，从而提前预知可能的后果。例如，在采用目前市场上性能最高的LED进行原型设计方面，虽然相关的成本较为高昂，但随着LED性能的提升及价格的下降，这种方式能够缔造出在未来较长时期内具有更高竞争力和更长使用寿命的产品。此外，随着LED性能的提升及由此带来的单个设计用量减少，在LED驱动器设计方面也需要更好地规划相关的灵活性，做到相应的BOM成本降低。

　　以一个典型的太阳能街灯LED驱动设计为例，我们可以定出这样的目标：初始光输出为4,200 lm；光能效适用，采用单层光学器件；采用+12 V电池工作。

　　与此相应，假定所使用的LED规范如下：

　　输出：典型100 lm @ 350 mA @ 结温度(Tj)=25℃

　　驱动电流：350 mA

　　光电器件：单层，且耦合良好，光学损耗仅为12%

　　最高环境温度：40℃

　　驱动器损耗：10% (目标能效90%)

　　这样一来，我们就首先需要估计LED数量及总功率。由于Tj=25℃时LED光输出为100 lm，而Tj升高时LED光输出会降低；Tj为90℃时，LED光输出会下降20%，即输出降为80 lm。由于光器件的光学损耗为12%，所以每个LED的光输出就为约71 lm。由于需要的总光能输出为4,200 lm，所以计算出的所需LED数量为约60个。相应的，总输出功率为：3.6 V(LED工作电压)×0.350 A(输出电流)×60(LED数量)=76 W。由于驱动器的员耗约为15%，所以灯具总功率约为89 W。

　　而在拓扑结构方面，需要采用恒流架构来进行驱动。此外，需要能够根据不同LED数量来调节LED输出电流、满足较高能效要求、系统途径具有高性价比及易于实现。

　　针对上述设计要求，可以采用安森美半导体的稳压器NCP3066来实现驱动解决方案。NCP3066是一款高亮度LED恒流降压稳压器，带专用“启用”引脚用于实现低待机能耗，具有平均电流感测功能(电流精度与LED正向电压无关)，提供0.2 V电压参考，适合小尺寸/低成本感测电阻。该器件采用滞环控制，不需要环路补偿，易于设计。需要指出的是，NCP3066也可用作PWM控制器，如可采用100 V外部N沟道FET来进行升压。针对4至30 W功率的不同应用，可提供不同MOSFET选择。

　　在设计途径上，我们进行模块化设计，即采用8个LED光条，每个光条含1个驱动器电路及8个LED。这样LED总数即为64个，接近所要求的60个LED数量，可以提供所要求的功率及光输出，并具有极高的能效，参见图4。

图4：NCP3066驱动8个CREE XRE LED时的输出电流与输入电压曲线图。

　　总结：

　　本文探讨了如何利用安森美半导体的CS51221充电控制器，并结合最大峰值功率追踪(MPPT)功能来最大限度提升太阳能电池板为LED街灯供电的能效及降低相关成本，以及如何利用安森美半导体灵活的NCP3066控制器来驱动电池供电的LED街灯及相关的设计策略，帮助客户缩短太阳能LED街灯的设计过程，加快产品上市。