PoE和LED結(jié)合的低功率、高亮度、長電纜解決方案

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(qū)動(dòng)。IEEE認(rèn)可的以太網(wǎng)電源(PoE)可以利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜來提供電源，并且這些電纜同時(shí)可提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。PoE供電設(shè)備可在長達(dá)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(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器而言，采用DC-DC轉(zhuǎn)換器比起AC-DC轉(zhuǎn)換器的效果更佳，因?yàn)楹笳咝枋褂酶嘣涂臻g，而且效率亦比較低。事實(shí)上，LED和PoE兩者好像是為對(duì)方而生。配合PoE再加上高功率的LED，便可誕生出一個(gè)無懈可擊的方案。
 
圖 1  PoE LED 燈的原理圖

針對(duì)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(wǎng)電纜本身在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有預(yù)期要做輸電應(yīng)用，故一般只是采用較細(xì)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(dá)100米)可達(dá)2W，剩下只有約13W給負(fù)載。要解決這個(gè)問題就需要使用10個(gè)1W的LED來組成一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)100流明，并且會(huì)不斷改進(jìn)。

北美LED制造商Cree生產(chǎn)的的1W功率LED在LED的裸片中采用表面貼裝技術(shù)，內(nèi)置了一塊可提供朗伯(lambertian)觀景角度的鏡片和一個(gè)具有低熱阻接口的裸片散熱銅套。這些型號(hào)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(lán)和墨藍(lán)，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(gè)供電設(shè)備(PSE)，它從以太網(wǎng)電纜提取數(shù)據(jù)并在閑置的雙絞線上加入電源。可從數(shù)家電信設(shè)備制造商處購得具備有八個(gè)輸出端口的饋電器，因此這個(gè) “方案”下的照明系統(tǒng)特色是：每種顏色均有一個(gè)PoE LED燈，在任何給定時(shí)間都可以供電給八個(gè)LED燈。

電源方案

現(xiàn)今有數(shù)家模擬半導(dǎo)體制造商可提供兩種基本的元件來建立一個(gè)10W的PoE LED燈，它們是802.11af認(rèn)可的受電器件(PD)接口和一個(gè)高效率的LED驅(qū)動(dòng)器。該P(yáng)D接口可檢測(cè)PSE的以太網(wǎng)電源可用性，并且可以在起動(dòng)時(shí)為涌流限制提供軟起動(dòng)，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(biāo)識(shí)信號(hào)，以便告知負(fù)載電源己準(zhǔn)備發(fā)送。圖1為LM5073的電路原理圖，它提供有一個(gè)PD接口但不包括任何類型的開關(guān)式穩(wěn)壓控制器。這個(gè)設(shè)計(jì)可自由選用任何的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓樸。
串連成一行的10個(gè)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(lán)和白色LED的最大電壓)。這意味即使在最惡劣的條件下，LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓都將會(huì)比輸入電壓為低，從而允許使用升壓或降壓穩(wěn)壓器來驅(qū)動(dòng)LED。
VO = n x VF
其中n是串聯(lián)LED的數(shù)量，VF是LED的正激電壓。

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

LED驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)DC-DC電源，它提取輸入電壓并在一個(gè)輸出電壓范圍下提供一個(gè)受控的輸出電流。這種做法剛好與傳統(tǒng)的功率DC-DC轉(zhuǎn)換器相反，因?yàn)樗鼈兪窃谝粋€(gè)輸出電流的范圍下提供一個(gè)受控的輸出電壓。乍一看，使用在PoE LED燈的開關(guān)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(gè)功率開關(guān)(內(nèi)置于電路的N-MOSFET)、一個(gè)用作電流再循環(huán)的肖特基二極管、一個(gè)電感器，以及輸入和輸出電容器。不過，假如深入地觀察便會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者間的分別，正是這個(gè)分別促使降壓穩(wěn)壓器變成一個(gè)電流控制LED驅(qū)動(dòng)器。在設(shè)計(jì)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(shí)是一個(gè)電流傳感電阻器。在這種配置中，輸出電壓會(huì)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(dāng)于反饋電壓。假如把LED放置在V0和CS之間，那電流一樣會(huì)通過它們。至于輸出電容器，它們會(huì)與LED并聯(lián)在一起并作用為一個(gè)濾波器以降低通過LED的紋波電流。一個(gè)降壓LED驅(qū)動(dòng)器可在沒有任何的輸出電容器下運(yùn)行，在這情況下的電感便只會(huì)負(fù)責(zé)控制LED的紋波電流。對(duì)于一些需要嚴(yán)格控制紋波電流的應(yīng)用來說，這會(huì)導(dǎo)致所需的電感增加，從而使電感器本身的體積過大。
 
圖2  PoE 燈的內(nèi)部俯瞰圖

美國國家半導(dǎo)體的LM3402HV是一個(gè)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(gè)主要的特點(diǎn)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(cè))會(huì)內(nèi)部地削減至0.2V，以便將R2內(nèi)的功耗減至最少。其次，其啟動(dòng)引腳(DIM)是一個(gè)快速邏輯輸入，它只會(huì)關(guān)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(diào)光時(shí)達(dá)到最佳的對(duì)比度。