引言

　　與燈泡或螢光管相比，LED不單體積更小，光線放射更具方向性，而且只需低壓直流電即可驅動。IEEE認可的以太網電源(PoE)可以利用標準的以太網電纜來提供電源，并且這些電纜同時可提供網絡服務。PoE供電設備可在長達100米的電纜上利用48VDC來輸送15W的電力。在長電纜末端發(fā)放低功率高亮度光線自然非48VDC莫屬。此外，對于LED驅動器而言，采用DC-DC轉換器比起AC-DC轉換器的效果更佳，因為后者需使用更多元件和空間，而且效率亦比較低。事實上，LED和PoE兩者好像是為對方而生。配合PoE再加上高功率的LED，便可誕生出一個無懈可擊的方案。

　　針對性解決方案

　　IEEE 802.11af規(guī)定在電源處的最高功率為15W。在典型電壓48V下，輸出電流為350mA。 

　　然而，CAT5以太網電纜本身在設計時并沒有預期要做輸電應用，故一般只是采用較細的24線規(guī)銅線。因此，長距離的功率損耗(PoE電纜的長度可達100米)可達2W，剩下只有約13W給負載。要解決這個問題就需要使用10個1W的LED來組成一個光源，并用一條12英尺長的CAT5電纜把燈泡連接到電源。這樣，LED的照明效能便可大幅提升，標準的1W器件可發(fā)放每瓦50流明的光度，而最好的器件則可每瓦達100流明，并且會不斷改進。

　　北美LED制造商Cree生產的的1W功率LED在LED的裸片中采用表面貼裝技術，內置了一塊可提供朗伯(lambertian)觀景角度的鏡片和一個具有低熱阻接口的裸片散熱銅套。這些型號為XLamp系列的1W LED器件，現(xiàn)有七種顏色供選擇：紅、紅-橙、黃、綠、青、藍和墨藍，以及三種白色的色溫：冷白(5000K至10000K)、軟白(3500K至5000K)和暖白(2600K至3500K)。PoE “饋電器”是一個供電設備(PSE)，它從以太網電纜提取數據并在閑置的雙絞線上加入電源?？蓮臄导译娦旁O備制造商處購得具備有八個輸出端口的饋電器，因此這個 “方案”下的照明系統(tǒng)特色是：每種顏色均有一個PoE LED燈，在任何給定時間都可以供電給八個LED燈。

　　圖 1  PoE LED 燈的原理圖

　　電源方案

　　現(xiàn)今有數家模擬半導體制造商可提供兩種基本的元件來建立一個10W的PoE LED燈，它們是802.11af認可的受電器件(PD)接口和一個高效率的LED驅動器。該PD接口可檢測PSE的以太網電源可用性，并且可以在起動時為涌流限制提供軟起動，也可在備用狀態(tài)期間提供電流限制和諸如 “電源良好”的邏輯標識信號，以便告知負載電源己準備發(fā)送。圖1為LM5073的電路原理圖，它提供有一個PD接口但不包括任何類型的開關式穩(wěn)壓控制器。這個設計可自由選用任何的DC-DC轉換器拓樸。



　　串連成一行的10個LED需要的總電壓范圍由22.5V (AlInGaP紅色和黃色 LEDs的典型正激電壓)至40V (用來正向偏壓InGaN綠、藍和白色LED的最大電壓)。這意味即使在最惡劣的條件下，LED驅動器的輸出電壓都將會比輸入電壓為低，從而允許使用升壓或降壓穩(wěn)壓器來驅動LED。

　　VO = n x VF

　　其中n是串聯(lián)LED的數量，VF是LED的正激電壓。

　　盡管輸出電流只是一個可控制的參數，它卻代表了輸入電壓和輸出電壓之間的關系，并可支配什么樣的DC-DC轉換器拓樸作為設計。多種因素顯示降壓穩(wěn)壓器比起其他任何類型的開關穩(wěn)壓器能得出更佳的LED驅動效果，尤其是它的高功率效率和低元件用量。

　　LED驅動器是一個DC-DC電源，它提取輸入電壓并在一個輸出電壓范圍下提供一個受控的輸出電流。這種做法剛好與傳統(tǒng)的功率DC-DC轉換器相反，因為它們是在一個輸出電流的范圍下提供一個受控的輸出電壓。乍一看，使用在PoE LED燈的開關穩(wěn)壓器的確與其他降壓穩(wěn)壓器很相似，它包含有全部所需的主要元件：一個功率開關(內置于電路的N-MOSFET)、一個用作電流再循環(huán)的肖特基二極管、一個電感器，以及輸入和輸出電容器。不過，假如深入地觀察便會發(fā)現(xiàn)兩者間的分別，正是這個分別促使降壓穩(wěn)壓器變成一個電流控制LED驅動器。在設計中，LED串鏈取代了上面的反饋分頻器電阻，而在底下的反饋分頻器電阻其實是一個電流傳感電阻器。在這種配置中，輸出電壓會不斷上升直至有足夠的電流流通電流傳感電阻，并令到輸出電壓相當于反饋電壓。假如把LED放置在V0和CS之間，那電流一樣會通過它們。至于輸出電容器，它們會與LED并聯(lián)在一起并作用為一個濾波器以降低通過LED的紋波電流。一個降壓LED驅動器可在沒有任何的輸出電容器下運行，在這情況下的電感便只會負責控制LED的紋波電流。對于一些需要嚴格控制紋波電流的應用來說，這會導致所需的電感增加，從而使電感器本身的體積過大。

　　美國國家半導體的LM3402HV是一個專用降壓穩(wěn)壓器，為LED提供恒定電流，并且可提供超過70V的輸入電壓范圍和超過48V PoE的寬輸入容限。LM3042HV有兩個主要的特點使它不同于系列中其他的穩(wěn)壓器成員。首先，反饋電壓(CS，用于電流感測)會內部地削減至0.2V，以便將R2內的功耗減至最少。其次，其啟動引腳(DIM)是一個快速邏輯輸入，它只會關閉功率FET。這樣的安排可以盡量減少傳播延遲，并且可在用PWM調光時達到最佳的對比度。



　　圖2  PoE 燈的內部俯瞰圖

　　散熱方案

　　為確保萬無一失，規(guī)定機箱溫度最高為50°C，如超過這個閾值，工程人員便無法在建立LED燈時把手指放在機箱上。此外，Cree亦生產1×5 英寸的金屬核心電路板(MCPCB) XR LED，這種LED每一個只占據一平方英寸的空間。所有五個器件都串聯(lián)在一起，以確保每個的驅動電流是相同，并且每個LED的光輸出都得到平衡。兩行共10個LED所占的面積約為2 X 5英寸，其總光線輸出介乎冷白的500流明至藍色的150流明(墨藍色LED之光線輸出值由輻射度功率所指定)。兩行LED會被安置在一個鎂制機箱的前端，大小為6英寸寬、2.5英寸高和四英寸深。至于散熱方面則由一對置于箱外的鎂金屬散熱器來負責，其大小為1.75×2.25×0.5英寸，它直接被安裝在箱前面的MCPCB之后。散熱油脂會施加到MCPCB和散熱器上，使到箱本身可作進一步散熱。

　　美國國家半導體的LM5073和LM3402HV同樣備有表面貼裝封裝，其在外面有一個外露的散熱片。通常，電源電路都需承受較高的環(huán)境溫度，而LED應用亦不例外。這種散熱加強封裝(LM5073的eTSSOP-14和LM3402HV的PSOP-8)善用了PCB作為散熱器。驅動電路被安裝在標準的FR-4上并且如圖2所示通過一條電線連接到LED。至于封裝的熱阻，例如是安裝在含有兩安士銅成份的FR-4上的eTSSOP-14和PSOP-8，其熱阻大約為50°C/W。對于這類LED燈來說，其機械設計并不允許將LED驅動器放置在設有LED的MCPCB上，但必須注意到具備有外露散熱片的封裝，當它們安裝在MCPCB上時的熱阻會低于10°C/W。因此，照明系統(tǒng)的設計人員可以利用這個優(yōu)勢來充分驅動電子器件。

　　PWM調光

　　假如設計的LED照明系統(tǒng)需要在某特定的光線輸出范圍內維持LED的顏色或色溫，那便必需采用脈沖寬度調制(PWM)技術來調光。然而，最麻煩的地方是要找出一個調光頻率，而該頻率不會產生可聽噪聲。在LED驅動器內的電源開關頻率通常介乎100 kHz和 1 MHz之間，遠遠超出人類的可聽范圍。一般而言，調光頻率都會低很多，因為開啟和關閉一個開關轉換器輸出所需的時間會比開關一個功率MOSFET長很多。因此，由LED驅動器開關周期所引致的傳播延遲和輸出電流壓擺率會消耗某一固定量的時間。隨著調光頻率的增加，調光時間縮短，固定時間的延遲會在調光周期中占用更多的時間。

　　一個采用LM555定時器的方波產生器能提供50%至100%的調光功能，并且可在LM3402HV VCC穩(wěn)壓器的7V備用功率下運行。這個低成本的純粹模擬方案屬于一個非最理想的運作，尤其在LED照明設計人員最關注的噪聲問題上。LM555定時器會作用成一個異步多重振蕩器，它會隨著工作周期的變化而改變頻率，因此設計初期會用上盡可能低的頻率，例如是200Hz至300Hz。

　　因為一般來說200Hz會被視為最低的頻率，在這頻率下所產生的閃爍和個別脈沖都是肉眼看不到的。這樣，設計會在100%以外的任何調光工作周期下，產生出一種清楚可聽而且令人煩擾的嗡嗡聲，因此令到最終的調光頻率由增加至20 kHz。這種可聽噪聲會延伸到最終的設計，原因是在50%的最低工作周期時，LM555會略微產生非線性，導致在大約50%調光時出現(xiàn)調光頻率急降。假如進一步增加調光頻率，便會將LM3402HV的DIM引腳的響應時間推至極限。一個簡單的微控制器能夠在固定的頻率下處理從0至100%的工作周期，從而形成出一個超級的調光方案。當微控制器在一個類似LM555的VCC穩(wěn)壓器備用功率下運行時，這一方案的效果尤其突出。

　　結果

　　XR LED的官方功耗大約為1W，但如要精確地計算出真正的典型功率，那便必須將它們的正向電流300mA乘以其正激電壓。表1示出在25°C和溫度穩(wěn)定狀態(tài)下時各顏色LED的典型VF值，而數據是在實驗室溫度25°C下將燈開著一小時后錄取。雖然真正的裸片溫度難以測量，但可憑InGaN和AlInGaP的正激電壓系數來估計出最終的裸片溫度，結果發(fā)現(xiàn)溫度遠遠低于由Cree 規(guī)定的125°C限制范圍以內。



　　表1  溫度量度結果和效率

　　問題迎刃而解

　　PoE LED燈已展示了兩種技術結合后的優(yōu)點：可以在一些沒有AC電源的地方設立照明設施。PoE供電設備具備隔離和功率因數修正功能，因此減輕了在電網上設立照明的負擔。燈后的內置開/關和調光控制可以通過以太網的閑置數據線來作遠程控制。該方案的主要應用為：舞臺或電影院燈光、臨時布置燈光、保安攝錄機照明或展覽會的地上投影效果。



　　圖3  燈的%觀視圖



　　圖4  八個燈照亮臥室墻壁