PoE和LED结合的低功率、高亮度、长电缆解决方案

　　引言

　　与灯泡或萤光管相比，LED不单体积更小，光线放射更具方向性，而且只需低压直流电即可驱动。IEEE认可的以太网电源(PoE)可以利用标准的以太网电缆来提供电源，并且这些电缆同时可提供网络服务。PoE供电设备可在长达100米的电缆上利用48VDC来输送15W的电力。在长电缆末端发放低功率高亮度光线自然非48VDC莫属。此外，对于LED驱动器而言，采用DC-DC转换器比起AC-DC转换器的效果更佳，因为后者需使用更多元件和空间，而且效率亦比较低。事实上，LED和PoE两者好像是为对方而生。配合PoE再加上高功率的LED，便可诞生出一个无懈可击的方案。

　　针对性解决方案

　　IEEE 802.11af规定在电源处的最高功率为15W。在典型电压48V下，输出电流为350mA。 

　　然而，CAT5以太网电缆本身在设计时并没有预期要做输电应用，故一般只是采用较细的24线规铜线。因此，长距离的功率损耗(PoE电缆的长度可达100米)可达2W，剩下只有约13W给负载。要解决这个问题就需要使用10个1W的LED来组成一个光源，并用一条12英尺长的CAT5电缆把灯泡连接到电源。这样，LED的照明效能便可大幅提升，标准的1W器件可发放每瓦50流明的光度，而最好的器件则可每瓦达100流明，并且会不断改进。

　　北美LED制造商Cree生产的的1W功率LED在LED的裸片中采用表面贴装技术，内置了一块可提供朗伯(lambertian)观景角度的镜片和一个具有低热阻接口的裸片散热铜套。这些型号为XLamp系列的1W LED器件，现有七种颜色供选择：红、红-橙、黄、绿、青、蓝和墨蓝，以及三种白色的色温：冷白(5000K至10000K)、软白(3500K至5000K)和暖白(2600K至3500K)。PoE “馈电器”是一个供电设备(PSE)，它从以太网电缆提取数据并在闲置的双绞线上加入电源。可从数家电信设备制造商处购得具备有八个输出端口的馈电器，因此这个 “方案”下的照明系统特色是：每种颜色均有一个PoE LED灯，在任何给定时间都可以供电给八个LED灯。

　　图 1  PoE LED 灯的原理图

　　电源方案

　　现今有数家模拟半导体制造商可提供两种基本的元件来建立一个10W的PoE LED灯，它们是802.11af认可的受电器件(PD)接口和一个高效率的LED驱动器。该PD接口可检测PSE的以太网电源可用性，并且可以在起动时为涌流限制提供软起动，也可在备用状态期间提供电流限制和诸如 “电源良好”的逻辑标识信号，以便告知负载电源己准备发送。图1为LM5073的电路原理图，它提供有一个PD接口但不包括任何类型的开关式稳压控制器。这个设计可自由选用任何的DC-DC转换器拓朴。



　　串连成一行的10个LED需要的总电压范围由22.5V (AlInGaP红色和黄色 LEDs的典型正激电压)至40V (用来正向偏压InGaN绿、蓝和白色LED的最大电压)。这意味即使在最恶劣的条件下，LED驱动器的输出电压都将会比输入电压为低，从而允许使用升压或降压稳压器来驱动LED。

　　VO = n x VF

　　其中n是串联LED的数量，VF是LED的正激电压。

　　尽管输出电流只是一个可控制的参数，它却代表了输入电压和输出电压之间的关系，并可支配什么样的DC-DC转换器拓朴作为设计。多种因素显示降压稳压器比起其他任何类型的开关稳压器能得出更佳的LED驱动效果，尤其是它的高功率效率和低元件用量。

　　LED驱动器是一个DC-DC电源，它提取输入电压并在一个输出电压范围下提供一个受控的输出电流。这种做法刚好与传统的功率DC-DC转换器相反，因为它们是在一个输出电流的范围下提供一个受控的输出电压。乍一看，使用在PoE LED灯的开关稳压器的确与其他降压稳压器很相似，它包含有全部所需的主要元件：一个功率开关(内置于电路的N-MOSFET)、一个用作电流再循环的肖特基二极管、一个电感器，以及输入和输出电容器。不过，假如深入地观察便会发现两者间的分别，正是这个分别促使降压稳压器变成一个电流控制LED驱动器。在设计中，LED串链取代了上面的反馈分频器电阻，而在底下的反馈分频器电阻其实是一个电流传感电阻器。在这种配置中，输出电压会不断上升直至有足够的电流流通电流传感电阻，并令到输出电压相当于反馈电压。假如把LED放置在V0和CS之间，那电流一样会通过它们。至于输出电容器，它们会与LED并联在一起并作用为一个滤波器以降低通过LED的纹波电流。一个降压LED驱动器可在没有任何的输出电容器下运行，在这情况下的电感便只会负责控制LED的纹波电流。对于一些需要严格控制纹波电流的应用来说，这会导致所需的电感增加，从而使电感器本身的体积过大。

　　美国国家半导体的LM3402HV是一个专用降压稳压器，为LED提供恒定电流，并且可提供超过70V的输入电压范围和超过48V PoE的宽输入容限。LM3042HV有两个主要的特点使它不同于系列中其他的稳压器成员。首先，反馈电压(CS，用于电流感测)会内部地削减至0.2V，以便将R2内的功耗减至最少。其次，其启动引脚(DIM)是一个快速逻辑输入，它只会关闭功率FET。这样的安排可以尽量减少传播延迟，并且可在用PWM调光时达到最佳的对比度。



　　图2  PoE 灯的内部俯瞰图

　　散热方案

　　为确保万无一失，规定机箱温度最高为50°C，如超过这个阈值，工程人员便无法在建立LED灯时把手指放在机箱上。此外，Cree亦生产1×5 英寸的金属核心电路板(MCPCB) XR LED，这种LED每一个只占据一平方英寸的空间。所有五个器件都串联在一起，以确保每个的驱动电流是相同，并且每个LED的光输出都得到平衡。两行共10个LED所占的面积约为2 X 5英寸，其总光线输出介乎冷白的500流明至蓝色的150流明(墨蓝色LED之光线输出值由辐射度功率所指定)。两行LED会被安置在一个镁制机箱的前端，大小为6英寸宽、2.5英寸高和四英寸深。至于散热方面则由一对置于箱外的镁金属散热器来负责，其大小为1.75×2.25×0.5英寸，它直接被安装在箱前面的MCPCB之后。散热油脂会施加到MCPCB和散热器上，使到箱本身可作进一步散热。

　　美国国家半导体的LM5073和LM3402HV同样备有表面贴装封装，其在外面有一个外露的散热片。通常，电源电路都需承受较高的环境温度，而LED应用亦不例外。这种散热加强封装(LM5073的eTSSOP-14和LM3402HV的PSOP-8)善用了PCB作为散热器。驱动电路被安装在标准的FR-4上并且如图2所示通过一条电线连接到LED。至于封装的热阻，例如是安装在含有两安士铜成份的FR-4上的eTSSOP-14和PSOP-8，其热阻大约为50°C/W。对于这类LED灯来说，其机械设计并不允许将LED驱动器放置在设有LED的MCPCB上，但必须注意到具备有外露散热片的封装，当它们安装在MCPCB上时的热阻会低于10°C/W。因此，照明系统的设计人员可以利用这个优势来充分驱动电子器件。

　　PWM调光

　　假如设计的LED照明系统需要在某特定的光线输出范围内维持LED的颜色或色温，那便必需采用脉冲宽度调制(PWM)技术来调光。然而，最麻烦的地方是要找出一个调光频率，而该频率不会产生可听噪声。在LED驱动器内的电源开关频率通常介乎100 kHz和 1 MHz之间，远远超出人类的可听范围。一般而言，调光频率都会低很多，因为开启和关闭一个开关转换器输出所需的时间会比开关一个功率MOSFET长很多。因此，由LED驱动器开关周期所引致的传播延迟和输出电流压摆率会消耗某一固定量的时间。随着调光频率的增加，调光时间缩短，固定时间的延迟会在调光周期中占用更多的时间。

　　一个采用LM555定时器的方波产生器能提供50%至100%的调光功能，并且可在LM3402HV VCC稳压器的7V备用功率下运行。这个低成本的纯粹模拟方案属于一个非最理想的运作，尤其在LED照明设计人员最关注的噪声问题上。LM555定时器会作用成一个异步多重振荡器，它会随着工作周期的变化而改变频率，因此设计初期会用上尽可能低的频率，例如是200Hz至300Hz。

　　因为一般来说200Hz会被视为最低的频率，在这频率下所产生的闪烁和个别脉冲都是肉眼看不到的。这样，设计会在100%以外的任何调光工作周期下，产生出一种清楚可听而且令人烦扰的嗡嗡声，因此令到最终的调光频率由增加至20 kHz。这种可听噪声会延伸到最终的设计，原因是在50%的最低工作周期时，LM555会略微产生非线性，导致在大约50%调光时出现调光频率急降。假如进一步增加调光频率，便会将LM3402HV的DIM引脚的响应时间推至极限。一个简单的微控制器能够在固定的频率下处理从0至100%的工作周期，从而形成出一个超级的调光方案。当微控制器在一个类似LM555的VCC稳压器备用功率下运行时，这一方案的效果尤其突出。

　　结果

　　XR LED的官方功耗大约为1W，但如要精确地计算出真正的典型功率，那便必须将它们的正向电流300mA乘以其正激电压。表1示出在25°C和温度稳定状态下时各颜色LED的典型VF值，而数据是在实验室温度25°C下将灯开着一小时后录取。虽然真正的裸片温度难以测量，但可凭InGaN和AlInGaP的正激电压系数来估计出最终的裸片温度，结果发现温度远远低于由Cree 规定的125°C限制范围以内。



　　表1  温度量度结果和效率

　　问题迎刃而解

　　PoE LED灯已展示了两种技术结合后的优点：可以在一些没有AC电源的地方设立照明设施。PoE供电设备具备隔离和功率因数修正功能，因此减轻了在电网上设立照明的负担。灯后的内置开/关和调光控制可以通过以太网的闲置数据线来作远程控制。该方案的主要应用为：舞台或电影院灯光、临时布置灯光、保安摄录机照明或展览会的地上投影效果。



　　图3  灯的%观视图



　　图4  八个灯照亮卧室墙壁