中心議題：

• 太陽能LED路燈的構成
• 太陽能LED路燈采用恒流驅動的原因
• 太陽能LED路燈的各種恒流源的選用
• 太陽能LED路燈恒流源的基本工作原理和特性

太陽能LED路(lu)燈(deng)具(ju)有(you)極(ji)好(hao)的(de)市(shi)場(chang)前(qian)景(jing)，而(er)且(qie)也(ye)是(shi)開(kai)發(fa)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)一(yi)種(zhong)最(zui)佳(jia)途(tu)徑(jing)。然(ran)而(er)從(cong)目(mu)前(qian)情(qing)況(kuang)來(lai)看(kan)，大(da)多(duo)數(shu)人(ren)都(dou)把(ba)目(mu)光(guang)集(ji)中(zhong)在(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)，以(yi)及(ji)LED燈具上。而較少有人注意到恒流源和控製器的性能和開發這方麵。而選擇高性能的LED恒流源不但可以提高LED路燈的可靠性，而且具有PWM調光性能的恒流源和具有PWM調光輸出的控製器相配合
，還可以大大減小所需的太陽能電池板的麵積，這對於降低整個燈具的成本，加速普及太陽能LED路燈具有極其重要的意義。

一、太陽能LED路燈的構成

太陽能路燈的構成十分簡單（圖1）。從圖1所示的框圖中可見
，其中最核心的部件，就是PWM調光控製器和恒流模塊。

圖1. 太陽能路燈的構成

二、太陽能LED路燈為什麼需要恒流驅動

除了發光效率以外
，要使LED能夠成為一個實用的燈具還有一係列問題需要解決。其中最重要的就是它的恒流驅動。這是由以下幾個原因所決定的。

（一） 太陽能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不恒定
在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲存單元的
，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放，其電壓變化是會接近20%的（圖2）。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。

圖2. 鉛蓄電池的放電曲線。[page]

LED有很陡的伏安特性（圖3）。

圖3. 某一公司的 LED的伏安特性

假定初始的電壓為3.25V，這時的正向電流為350mA。假如供電電壓降低到2.6V（20％），這時的電流就不到40mA,降低了將近8.75倍。而LED的發光亮度是直接和其正向電流有關的。同一廠家的同一 LED，其相對發光強度和正向電流的關係曲線如圖4所示。

圖4. 相對光強和正向電流的關係

由圖中可以看到，如果正向電流從350mA降低8.75倍到40mA，其相對發光強度將從100降低到20。降低將近5倍。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。

（二） LED發光的溫度不穩定
LED路燈通常在露天工作，其環境溫度的變化是很大的。而LED的正向電流還和結溫有關，圖5就表明LED在不同結溫時的伏安特性。

圖5. 在不同環境溫度時LED的伏安特性

LED的溫度係數通常為負的
，也就是當溫度升高時（T1－>T2）
，伏安特性向左移動。其值大約是-2mV/℃，那麼當其結溫增加50度時，其正向電壓就會降低0.1V，假如用恒壓電源供電時，其正向電流就會增加。比如，常溫25℃時LED最佳工作電流20mA，當環境溫度升高到85℃時
，PN結電壓VF下降,工作電流急劇增加到35mA～37mA
，但此時電流的增加並不會產生亮度的增加，稱為亮度飽和。同樣，當環境溫度下降至-40℃時
，結電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小到8mA~10mA
，發光亮度也隨電流的減少而降低，達不到應用場所所需的照度。
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而且當溫度變化時，LED的發光光譜也會發生變化。通常溫度增加時光譜的最大值是向波長長的方向漂移。大約是每升高10oC時漂移1nm，升高50度會產生5nm的變化（見圖6）。

圖6. LED發光的峰值波長隨環境溫度而變化

實際上

，LED的de光guang譜pu也ye是shi隨sui其qi正zheng向xiang電dian流liu改gai變bian而er改gai變bian。這zhe也ye是shi不bu希xi望wang的de

，所suo以yi一yi定ding要yao保bao持chi其qi正zheng向xiang電dian流liu恒heng定ding。采cai用yong恒heng流liu源yuan供gong電dian以yi後hou，這zhe種zhong溫wen度du變bian化hua所suo引yin起qi的de電dian流liu變bian化hua就jiu會hui轉zhuan化hua為wei其qi正zheng向xiang電dian壓ya的de變bian化hua
，從cong而er不bu會hui引yin起qi亮liang度du和he光guang譜pu的de變bian化hua。

（三）LED的PWM調光
在太陽能LED路燈中
，常常需要按照工作時間來調節路燈的亮度，以減小太陽能電池板的麵積。

為了改變LED的亮度
，最簡單的方法就是改變其正向電流。但是，正向電流的改變會引起光譜的改變
，對於白光LED，會引起其視在色溫的改變，顯然這是不希望的(圖7)。

圖7. 正向電流的變化引起的發光光譜的變化.

最好的方法就是采用脈寬調製（PWM）的方法來調光。這實際上利用了人眼的視覺殘留的特點，使得雖然LED仍然以滿電流工作，但是它是開關式(shi)地(di)間(jian)歇(xie)地(di)工(gong)作(zuo)，改(gai)變(bian)開(kai)和(he)關(guan)的(de)比(bi)例(li)，就(jiu)可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)其(qi)視(shi)在(zai)亮(liang)度(du)。為(wei)了(le)不(bu)致(zhi)引(yin)起(qi)閃(shan)爍(shuo)的(de)感(gan)覺(jiao)，開(kai)關(guan)的(de)周(zhou)期(qi)必(bi)須(xu)小(xiao)於(yu)人(ren)眼(yan)視(shi)覺(jiao)殘(can)留(liu)的(de)時(shi)間(jian)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，PWM的頻率必須高於人眼所能感覺到的閃爍頻率。大約是在200Hz以上。不過
，由於現在的LED功率越來越大，要產生大功率的PWM信號直接加到LED上是很麻煩的。幸好現在的恒流源大多是一種開關式直流變換器，它可以接受一個很小功率的PWM信號
，就可以輸出一個大功率的開關信號加到LED上，而同時還能保持恒流的作用，也就是它的峰值仍然保持原來設定的電流值。

所以，為了實現PWM調光也是需要采用恒流驅動源。而調光功能在太陽能LED路燈中是非常重要的。例如可以在午夜以後改為半功率工作
，甚至再以後改為1/3功率工作
，這樣就可以大大減小太陽能電池板的麵積，從而降低了整個燈具的成本。

（四）LED的不一致性
即使是同一型號的LED其伏安特性在各個個別的器件之間也是不同的，更何況在不同生產廠家之間就更是不同了(圖8)。

圖8. 同一廠家LED伏安特性離散性(實線),和不同廠家LED伏安特性的離散性(虛線)

從圖中可以看出,假如采用恒壓電源供電
，它們之間的正向電流就會有很大的差異。而過大的正向電流也會導致光衰的加速，所以一定要用恒流源供電。
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三．各種恒流源的選用

用在太陽能LED路燈中的恒流源

，可以分為升壓型
、降壓型、升降壓型三種：所(suo)謂(wei)升(sheng)壓(ya)型(xing)就(jiu)是(shi)它(ta)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)比(bi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)高(gao)。降(jiang)壓(ya)型(xing)就(jiu)是(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)比(bi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)低(di)。而(er)升(sheng)降(jiang)壓(ya)型(xing)則(ze)是(shi)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)低(di)於(yu)或(huo)高(gao)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)情(qing)況(kuang)自(zi)動(dong)地(di)調(tiao)節(jie)其(qi)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)為(wei)升(sheng)壓(ya)或(huo)降(jiang)壓(ya)。

在太陽能LED路燈中，通常采用鉛蓄電池作為儲能器件，它的電壓通常為12V或24V兩種。而所要求的輸出電壓
，則是由所連接的LED的架構所決定。為了使得所有LED的正向電流一致
，通常采用各個LED串聯的方式，這時，所要求的輸出電壓就是所有串聯的LED正向電壓的總和。例如，假定用10個LED串聯（圖9a），其正向電壓的總和大約為10x3.3V=33V。其實由於各個生產廠家所生產的LED各不相同
，而且各個LED之間也有所不同。所以
，10個LED的(de)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)的(de)總(zong)合(he)也(ye)不(bu)盡(jin)相(xiang)同(tong)。其(qi)實(shi)在(zai)恒(heng)流(liu)源(yuan)中(zhong)，所(suo)恒(heng)定(ding)的(de)是(shi)電(dian)流(liu)而(er)不(bu)是(shi)電(dian)壓(ya)。所(suo)以(yi)，並(bing)不(bu)需(xu)要(yao)知(zhi)道(dao)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)總(zong)和(he)的(de)準(zhun)確(que)值(zhi)，而(er)隻(zhi)要(yao)知(zhi)道(dao)它(ta)比(bi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)高(gao)還(hai)是(shi)低(di)就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)。在(zai)這(zhe)裏(li)，不(bu)論(lun)采(cai)用(yong)12V還是24V的蓄電池，它都要求采用升壓型的恒流源。

假如所用的LED為10V，1A的10瓦LED。那麼不論是12Vd1蓄電池還是24V的蓄電池就都要采用降壓型的恒流源。

如果LED的電壓和電源電壓接近，例如負載為4個1瓦LED串聯，那麼它的電壓為13V左右，而蓄電池在充滿電的時候就會達到14V以上
，這時候就要用降壓型的恒流源
，但是如果在蓄電池快要放完電的時候，它的電壓就大概隻有10.4V。這時候就需要采用升壓型的恒流源。所以，在這種情況下
，就必須采用升降壓型的恒流源。

多個LED也可以采用串並聯的結構，通常我們稱之為幾串幾並。例如10串3並就是如圖9b的結構。

圖9. LED的10串3並結構

這時候雖然也可以采用一個恒流源供電，但是這時候的恒流源就隻能夠恒定3串的總電流。這個總電流在各串中的分配是根據它們的伏安特性來分配的。因為加在這3串上的電壓是一樣的，而每串中的每一個LED的電流又是相同的，這時候就必須平衡在滿足這兩個條件的工作點上。而且，假如有一串中的一個LED壞了，就會把三串的總電流分配到兩串中去
，這就加大了每串中的電流。為了減小各串之間的電流不平衡，可以把各串中所有的LED都並聯起來，構成一個網格型的結構。這時候如果某一串中有一個LED壞了
，就不會影響到其它LED。但是，如果壞的LED呈現短路情況，那就會把其它兩串中的LED也都短路掉，不過LED損壞時以開路為多，短路比較少。當然最好的方法就是用保護二極管（通常是齊納二極管）和每個LED並聯
，不過這樣就增加了成本。

當然多個LED也可以采用全部並聯的方法
，但是因為每個LED的伏安特性不一樣，如果這時候用恒壓源來供電就會產生極大的問題（圖10）。

圖10. 用恒壓源對多個並聯的LED供電時每個LED的電流都不一樣

這時候即使采用大電流的恒流源供電，也不能保證每個LED裏的電流一樣，通常需要對每個LED串聯電阻來得到平衡，但那樣會降低效率。所以並聯的LED數過多是不建議的。
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四．恒流源的基本工作原理和特性

(一) 升壓型恒流源的基本結構如圖11所示。

圖11. 升壓型恒流源的基本原理圖

圖中顯示了一個基本的電感升壓電路，其中控製器（Control）給出了一個PWM開kai關guan信xin號hao來lai控kong製zhi大da功gong率lv開kai關guan管guan，後hou者zhe在zai導dao通tong時shi對dui電dian感gan充chong電dian，而er在zai斷duan開kai時shi電dian感gan中zhong的de能neng量liang就jiu對dui電dian容rong充chong電dian。經jing過guo幾ji次ci開kai關guan以yi後hou就jiu可ke以yi把ba輸shu入ru電dian壓ya泵beng至zhi更geng高gao的de電dian壓ya，從cong而er完wan成cheng升sheng壓ya的de任ren務wu。改gai變bianPWM信號的工作比就可以改變其輸出電壓。為了保持輸出電流的恒定

，就要求測量輸出電流值，這是靠一個和LED串聯的小電阻來測量的。這個電阻上的電壓就和一個參考電壓相比較，比較所得出的誤差信號就送去控製器用以改變PWM信號的工作比，這樣就實現了一個閉環自動控製
，以控製其輸出電流為恒定。

在選用這類升壓型恒流源時
，有幾個問題需要注意的。

1. 恒流特性要好
圖12表示一個SLM2842S的恒流特性曲線。檢測電阻放在高端比方在低端更為好點。

圖12. SLM2842S的恒流特性

2. 升壓比要盡可能小
，或者說輸入電壓要盡可能高

，一般來說，升壓比越小效率越高。下麵圖13是當輸出電流為0.7A輸出功率為30瓦時，SLM2842S的效率和輸入電壓的關係。

圖13. 當輸出電流為0.7A輸出功率為30W時，SLM2842S的效率和輸入電壓的關係[page]

由圖中可見，如果采用12V的蓄電池，它的效率就隻有90%左右
，而如果改用24V的蓄電池，它的效率就可以達到94%。這就可以減少芯片的功耗
，降低芯片的溫度
，提高芯片的可靠性。

3. 檢jian測ce電dian阻zu要yao盡jin可ke能neng小xiao，以yi免mian在zai上shang麵mian消xiao耗hao功gong率lv。實shi際ji上shang這zhe也ye就jiu意yi味wei著zhe其qi內nei部bu的de參can考kao電dian壓ya要yao盡jin可ke能neng低di。這zhe對dui於yu芯xin片pian設she計ji者zhe來lai說shuo有you一yi定ding的de難nan度du。如ru果guo這zhe個ge參can考kao電dian壓ya在zai0.1伏左右，就是一個相當好的一個芯片了，這時
，外部的檢測電阻就可以用一個很小值了
，也就意味著整個係統具有很高的效率。

(二) 降壓型恒流源
降壓型恒流源的基本工作原理和升壓型是差不多的。其基本原理圖如圖14所示。

圖14. 降壓型恒流源的基本原理圖

通常儲能電感是和LED串聯，開關導通時，電感儲能
；開關斷開時電感通過二極管繼續有電流流通。由於輸出電壓是輸入電壓減去電感電壓，所以是降壓型。LED中的電流經過檢測電阻測量以後反饋回控製器。來控製PWM的工作比，以實現恒流的控製。

降壓型恒流源的缺點是要求輸入電壓高於輸出電壓，而太陽能LED路燈中所采用的蓄電池往往是12V
，頂多是24V。而路燈中的LED通常是10個串聯，其所要求的總輸出電壓往往在33V-36Vzuoyou，yincijiaonancaiyongjiangyaxingdehengliuyuan。erjiangyaxinghengliuyuandeyoudianshixiaolvgao。yinweishurudianyagaoyushuchudianya
，suoyishurudianliuxiaoyushuchudianliu。dianliuxiaoyouzhuyujianxiaodianzuxingsunhao。tu15表明一個降壓型恒流源在輸入電壓固定在35V，輸出電流固定在2A時，其效率和輸出電壓的關係曲線。

圖15. 降壓型恒流源的效率和輸出電壓的關係曲線

從圖中可以看出，當輸出電壓為30V時，其效率高達98%。這種恒流源的恒流特性也很好（圖16）。

圖16. SLM2862J的恒流特性

其實
，這種降壓型恒流源也可以用在交流電的LED路燈中
，隻要在前麵加一個輸出為36V的恒壓電源，就可以驅動60瓦（1瓦LED10串6並）的LED
，而且效率高達98%。

（三） 帶PWM調光的恒流源
對於人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍LED中zhong幾ji納na米mi波bo長chang的de變bian化hua，特te別bie是shi在zai光guang強qiang也ye在zai變bian化hua的de時shi候hou。但dan是shi白bai光guang的de顏yan色se溫wen度du變bian化hua是shi很hen容rong易yi檢jian測ce的de。而er采cai用yong改gai變bian正zheng向xiang電dian流liu的de方fang法fa來lai調tiao光guang就jiu很hen容rong易yi使shi人ren眼yan感gan覺jiao到dao色se溫wen的de變bian化hua
，這zhe是shi不bu希xi望wang的de。所suo以yi在zai大da功gong率lvLED路燈中，我們往往采用PWM的調光方法，以避免視在色溫的變化。另一方麵
，改變正向電流的模擬式調光也會使輸出電流的設定精度降低，這也是不希望的。

在PWM調光中
，有一個很重要的指標就是調光頻率。調光頻率要足夠高
，以避免人眼感到閃爍
，所以至少在200Hz以上。另一方麵，調光頻率也不能過高
，因為輸出電流從0zengjiadaoguidingzhiyouyigeguocheng，yejiushixuyaoxiaohaoyidingshijian，xiwangzhegeshijianzhanzhenggezhouqidebiliyuexiaoyuehao，suoyizhouqibunengtaixiao。fouzehuijiangdisuonengshixiandeduibidu。