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    LED球泡燈驅(qū)動(dòng)分析
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  •   發(fā)布日期: 2016-05-04  瀏覽次數(shù): 1,010

      前言

      隨著LED的發(fā)展以及節(jié)能減排的國(guó)際大勢(shì),LED燈具及光源向民用市場(chǎng)大規(guī)模進(jìn)軍。而作為民用光源里面最為普遍的白熾燈,歐洲已經(jīng)在2012年禁止白熾燈生產(chǎn)和銷售,美洲在2014年也禁止了40W及其以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售,中國(guó)已于2012年10月禁止了100W以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售,同時(shí)將會(huì)在2014年10月1日禁止60W及以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售,將于2016年10月1日禁止15W及以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售。

      在這大勢(shì)下,作為白熾燈的直接替代光源,LED球泡燈的用量將得到巨大的提升。其品質(zhì)也會(huì)參差不齊。作為L(zhǎng)ED球泡燈內(nèi)部不可或缺的驅(qū)動(dòng)電源,其品質(zhì)很大程度上決定了一個(gè)球泡燈的安全與否及品質(zhì)好壞。

      驅(qū)動(dòng)電源基本分為非隔離驅(qū)動(dòng)及隔離驅(qū)動(dòng)兩大類:

      一、非隔離驅(qū)動(dòng)

      非隔離驅(qū)動(dòng)(non­-isolated power)是指在輸入端和負(fù)載端之間沒有通過(guò)變壓器進(jìn)行電氣隔離,而又直接連接,輸入端和負(fù)載端共地,因此觸摸負(fù)載就有觸電的危險(xiǎn)。目前用得最多的是非隔離直接降壓型驅(qū)動(dòng)。也就是把交流電整流以后得到直流高壓,然后就直接用降壓(Buck)電路進(jìn)行降壓和恒流控制,非隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、簡(jiǎn)單、體積小、效率高。

      當(dāng)非隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí),使用鋁材(金屬)外殼無(wú)法做到安全性的標(biāo)準(zhǔn)(輸入對(duì)外殼要求耐壓4KV),故而外殼必須采用絕緣材料加工,通常有塑料、導(dǎo)熱塑料、塑包鋁等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而采用導(dǎo)熱塑料或者塑包鋁的形式又使得LED球泡燈的成本增加,采用塑料加工成的外殼又無(wú)法有效的散熱。在這樣一個(gè)LED競(jìng)爭(zhēng)激烈的大環(huán)境下,很大一部分商家為了追求利潤(rùn)及銷售額,無(wú)視安全因素制造大量非隔離金屬外殼的球泡燈,又或無(wú)視產(chǎn)品品質(zhì)制造大量塑殼球泡燈,同時(shí)燈具的功率往往虛標(biāo)30%以上。

      目前球泡燈上應(yīng)用最多的幾種非隔離驅(qū)動(dòng)如下:

      1.電阻限流式

      圖1.1

      如圖1.1:電阻限流式驅(qū)動(dòng),僅采用一個(gè)橋堆,將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電,通過(guò)限流電阻來(lái)限定LED的平均電流。該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到LED模塊(由多個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成)開啟電壓前,LED不發(fā)光;電壓超過(guò)LED模塊的開啟電壓后,通過(guò)LED的電流逐漸增加,表現(xiàn)形式為I=(U-Uon)/R,經(jīng)過(guò)LED的電流會(huì)隨著電壓的變化而變化。

      如圖1.2所示(綠線表示橋堆輸出端電壓,紅線表示LED電流,藍(lán)線表示電阻R上的電壓),LED電流有間斷(頻率為100Hz),LED電流存在的時(shí)候也有大小變化,故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的頻閃現(xiàn)象。

      如圖1.2所示,LED模組串聯(lián)個(gè)數(shù)較多(即開啟電壓需求較高)、限流電阻較小時(shí),LED電流斷續(xù)時(shí)間長(zhǎng),頻閃效果明顯,但是電阻上消耗的能量較小(紅線電流與藍(lán)線電壓的積分),即效率相對(duì)較高。

      如圖1.3所示,LED模組串聯(lián)個(gè)數(shù)較少(即開啟電壓需求較低)、限流電阻較大時(shí),LED電流斷續(xù)時(shí)間短,頻閃效果較不明顯,但是電阻上消耗的能量較大,效率相對(duì)很低。

      電阻限流式非隔離驅(qū)動(dòng),在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí),球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU2/R,因此功率極其不穩(wěn)定,造成照明亮度變化明顯,而且功率隨著電壓波動(dòng)的平方變化,使得燈具非常容易長(zhǎng)時(shí)間在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度下工作,壽命減短。

      該驅(qū)動(dòng)方案由于負(fù)載主要呈現(xiàn)為阻態(tài),電壓過(guò)零的時(shí)候不存在電流,故而功率因數(shù)較高接近1,不過(guò)由于限流電阻的存在其效率很差通常只有30%~65%的效率,但是由于該方案成本非常低廉,導(dǎo)致很多生產(chǎn)商生產(chǎn)該類產(chǎn)品,LED球泡燈的品質(zhì)很難得到保證,其安全性也難以得到保證。

      圖1.2    

                                                            

        圖1.3

      2.恒流二極管限流

      圖2.1

      如圖2.1:恒流二極管驅(qū)動(dòng),采用一個(gè)橋堆,將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電,通過(guò)恒流二極管來(lái)限定LED的電流。該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到LED模塊(由多個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成)開啟電壓前,LED不發(fā)光;電壓超過(guò)LED模塊的開啟電壓后,通過(guò)LED的電流由恒流二極管限定,表現(xiàn)為恒定電流狀態(tài)。橋堆后面的電容是平衡效率及功率因數(shù)用的。

      不加橋堆后的電解電容,如圖2.2所示(綠線表示橋堆輸出端電壓,紅線表示LED電流,藍(lán)線表示恒流二極管CCD上的電壓),LED電流有間斷(頻率為100Hz),但是LED電流存在的時(shí)候表現(xiàn)為恒流狀態(tài),故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象,同樣,由于恒流二極管限定了通過(guò)的電流,其兩端必定會(huì)承載超出LED工作電壓的那部分電壓,因此效率較低,通常在70%左右,但是其電流基本跟隨電壓波形,功率因數(shù)較高,可較容易做到0.9以上。

      加上橋堆后的電解電容,如圖2.3所示,LED電流連續(xù)且恒定,因此在電容量足夠大的前提下該驅(qū)動(dòng)方案就表現(xiàn)為無(wú)頻閃,而且,由于電解電容將橋堆后的電壓波動(dòng)降低了,因此LED模組的電壓的設(shè)定可以充分的接近橋堆后輸出電壓,使得恒流二極管不用承載過(guò)多的電壓,提高驅(qū)動(dòng)效率,通??商嵘?5%左右,但是其電流恒定,在輸入電壓過(guò)零的時(shí)候?qū)е麓罅康臒o(wú)功功率產(chǎn)生,功率因數(shù)較低,一般只有0.5~0.6。

      恒流二極管實(shí)現(xiàn)的非隔離驅(qū)動(dòng),在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí),球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU*I,因此功率浮動(dòng)與電壓波動(dòng)成正比,但是燈具照明效果相對(duì)穩(wěn)定,但是由于恒流二極管的價(jià)格始終較高,而且其電流驅(qū)動(dòng)能力只有幾十毫安,故而無(wú)法得到推廣應(yīng)用。

      圖2.2  

                                                           

        圖2.3

      3.阻容降壓

      圖3.1

      如圖3.1:阻容降壓工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗,因?yàn)槿绻娙菔且粋€(gè)理想電容,則流過(guò)電容的電流為虛部電流,它所作的功為無(wú)功功率。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),在其后面串聯(lián)一個(gè)LED模組,只要電流設(shè)定正確,那么LED兩端的電壓也必定是額定狀態(tài)下的電壓。

      因此該方案由于電容主要消耗無(wú)功功率,效率較高,但是其功率因數(shù)往往非常低,通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接決定了頻閃的顯著與否。

      因?yàn)長(zhǎng)ED工作需要比較穩(wěn)定的直流環(huán)境,因此該方案常常采用橋式全波整流,但是全波整流產(chǎn)生浮置的地,并在零線和火線之間產(chǎn)生高壓,造成人體觸電傷害,是為比較危險(xiǎn)的一種驅(qū)動(dòng)。

      電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí),LED電流也會(huì)同比的跟隨變化,因此,其穩(wěn)定性也較差,而且由于電容壽命直接影響容值,使得容值變小,輸出電流也會(huì)隨之降低,使得LED球泡燈的光衰倍化加劇。

      但是,由于其成本低廉,線路非常簡(jiǎn)單,而且對(duì)LED模塊的工作電壓的范圍幾乎沒有要求,通用性非常高,使得目前大部分廠家采用阻容降壓的方式作為中低功率的球泡燈驅(qū)動(dòng)。

      4.線性驅(qū)動(dòng)

      圖4.1

      圖4.2

      如圖4.1及4.2:線性驅(qū)動(dòng),采用一個(gè)橋堆,將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電,然后通過(guò)線性恒流芯片根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下的半正弦波電壓值來(lái)分段驅(qū)動(dòng)LED模塊,并且限定每一段LED的電流。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是電壓達(dá)到第一段LED模塊工作電壓時(shí),第一段LED工作,電流限定在紅線的第一個(gè)臺(tái)階處;電壓達(dá)到第一段LED模塊工作電壓與第二段工作電壓之和時(shí),第一段LED和第二段LED同時(shí)工作,電流限定在紅線的第二個(gè)臺(tái)階處;電壓達(dá)到三段LED模塊工作電壓總和時(shí),三段LED同時(shí)工作,電流限定在紅線的第三個(gè)臺(tái)階處;該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到第一段LED模塊工作電壓前,LED不發(fā)光,沒有損耗;電壓超過(guò)第一段LED模塊的工作電壓后,通過(guò)LED的電流由線性驅(qū)動(dòng)芯片限定,表現(xiàn)為恒定電流狀態(tài),在達(dá)到后段LED工作電壓前,超出的電壓將由芯片內(nèi)部的MOS吸收,該部分能量為損耗能量。通過(guò)合理的LED串聯(lián)分段,盡可能使得三段的工作電壓擬合正弦波,充分減小損耗,驅(qū)動(dòng)的效率可提升至90%以上

      由于其驅(qū)動(dòng)特性是將LED模塊按照阻性負(fù)載的特性的模式驅(qū)動(dòng),因此電流跟隨電壓波形,功率因數(shù)可達(dá)0.97以上,但LED電流有間斷(頻率為100Hz),故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象,同時(shí),在周期內(nèi),LED亮度是分為6個(gè)亮度等級(jí)漸變的,可適當(dāng)緩解頻閃的效果。

      同樣的,在橋堆后面加上電解電容,能通過(guò)降低功率因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)頻閃,在Cin足夠大,將電壓的波谷值拉升至所有LED工作電壓之上,頻閃現(xiàn)象就將完全消失,但是功率因數(shù)也會(huì)將至0.5左右。如圖4.3

      圖4.3

      在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí),線性驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)根據(jù)電壓的變化對(duì)電流稍作調(diào)整,使得整燈的功率維持不變,燈具的壽命充分得到保證,而且燈具亮度變化也不會(huì)超過(guò)10%,肉眼幾乎無(wú)法辨別。由于其成本相對(duì)阻容方案要高,而且設(shè)計(jì)電路要求較高,通用性小,故而在市面上的球泡燈應(yīng)用中較為少見。

      5.恒流芯片buck(NPFC)

      圖5.1

      如圖5.1:降壓型恒流驅(qū)動(dòng),采用一個(gè)橋堆,將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電,通過(guò)橋堆后的電解電容將脈動(dòng)電壓變換為振幅較小的直流電壓。通過(guò)采樣電阻來(lái)高頻驅(qū)動(dòng)恒流芯片內(nèi)部的MOS,達(dá)到控制電流的目的,電流值不受輸入電壓波動(dòng)而影響,恒流芯片的內(nèi)部MOS的開關(guān)頻率通常在幾十至幾百赫茲。

      當(dāng)橋堆后的電解電容足夠大時(shí),只需保證輸出端LED模塊的工作電壓小于電解電容輸出端波谷的電壓值時(shí),可以完全消除100Hz的頻閃;而芯片內(nèi)部的高頻開關(guān)由于其頻率較高,外加LED模塊并聯(lián)的濾波電容及電感,使得頻閃效應(yīng)得到解決。當(dāng)然,如果橋堆后面的電容較小時(shí),LED的工作電壓大于電容后端輸出電壓,則100Hz頻閃依舊存在,其振幅與LED模塊的工作電壓和電容后端輸出電壓的波谷的差值有關(guān),差值越大,振幅越大,頻閃效果越明顯。

      由于大電容及后端開頻的存在,該電路功率因數(shù)往往只有0.5左右,但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率高達(dá)90%以上,恒流精度更是在5%甚至3%以內(nèi),負(fù)載調(diào)整率也較高,因此大部分追求品質(zhì)的LED球泡燈生產(chǎn)商選用改方案。

      也有不少商家為了節(jié)約恒流芯片的成本,在恒流芯片處通過(guò)采用被動(dòng)元器件(二極管,三極管,MOS)來(lái)控制恒流,通常這樣的方案在恒流精度以及開路保護(hù),短路保護(hù)方面做得就不夠好。

      6.恒流芯片buck(填谷)

      圖6.1

      如圖6.1:由于降壓型恒流驅(qū)動(dòng)廣受好評(píng),但是收到超過(guò)5W的照明燈具及光源的功率因數(shù)要求>0.7這個(gè)規(guī)范的約束,技術(shù)人員在降壓型恒流驅(qū)動(dòng)的整流橋和整流電容之間設(shè)計(jì)了由3個(gè)二極管2個(gè)電容組成的3D2C式填谷電路,通過(guò)2個(gè)電容串聯(lián)方式充電及并聯(lián)方式放電的形式,提升功率因數(shù),功率因數(shù)可提升至0.8~0.9,使得降壓型恒流驅(qū)動(dòng)也滿足LED球泡燈在功率因數(shù)方面的要求。當(dāng)然成本會(huì)有一定程度的提升,電源體積也會(huì)相應(yīng)變大。

      7.恒流芯片buck(APFC)

      圖7.1

      如圖7.1:APFC恒流驅(qū)動(dòng),通過(guò)芯片上檢測(cè)輸入電壓波形的引腳(此處是LN)控制輸出電流的波形,使其接近半正弦波,即當(dāng)輸入電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí),MOS關(guān)斷,使輸入電流也變零,從而使得電流的包絡(luò)波形接近半正弦波,從而提升功率因數(shù),功率因數(shù)通常可達(dá)0.95及以上;在輸入電壓不處于過(guò)零狀態(tài)下,恒流芯片根據(jù)FB引腳出的反饋電壓進(jìn)行高頻開關(guān)動(dòng)作,控制輸出電流,達(dá)到恒流的目的。

      由于其輸入電流呈現(xiàn)半正弦波,導(dǎo)致其輸出電流也有100Hz的波動(dòng),當(dāng)然其振幅由于輸出端濾波電容及電感的存在,會(huì)小很多,但是存在100Hz的頻閃是不爭(zhēng)的實(shí)事;當(dāng)然適當(dāng)?shù)募哟鬄V波電容會(huì)使得輸出電流紋波變小,改善頻閃效果。

      二、隔離驅(qū)動(dòng)

      隔離驅(qū)動(dòng)(isolated power)是指在輸入端和負(fù)載端之間通過(guò)隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離,使輸出端無(wú)法直接接觸高壓。因此觸摸負(fù)載就沒有觸電的危險(xiǎn),隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是安全。

      當(dāng)隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí),其外殼可通過(guò)金屬、塑料、導(dǎo)熱塑料、塑包鋁等多種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們所要克服的就是隔離驅(qū)動(dòng)所帶來(lái)的體積大,效率較低,成本較高等缺點(diǎn)。

      因此在整個(gè)LED球泡燈市場(chǎng)上,隔離電源使用的較少。

      也有不少生產(chǎn)商對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)理解的不夠透徹,以為使用了隔離變壓器將輸入與輸出分隔開就可以了,而忽略了爬電距離及電氣間隙等,這樣的方案完全不能算作隔離驅(qū)動(dòng)。

      1.單級(jí)恒流(NPFC)

      圖8.1

      LED球泡燈上應(yīng)用的隔離單級(jí)恒流驅(qū)動(dòng),簡(jiǎn)單的說(shuō),與非隔離降壓型恒流驅(qū)動(dòng)主要差異體現(xiàn)在能量依靠隔離變壓器,在原邊將電能轉(zhuǎn)換為磁,又在副邊將磁再次轉(zhuǎn)化為電能,在提升安全性的同時(shí),轉(zhuǎn)化效率降低了。其效率通常只有80%~85%。

      該驅(qū)動(dòng)方式的功率因數(shù)由于沒有進(jìn)行校正,大約為0.5,當(dāng)然也可以在橋堆后面設(shè)計(jì)3D2C的填谷電路,將功率因數(shù)提升至0.8~0.9。

      2.單級(jí)恒流(APFC)

      圖9.1

      LED球泡燈上應(yīng)用的隔離APFC單級(jí)恒流驅(qū)動(dòng),與非隔離APFC恒流驅(qū)動(dòng)主要差異也是體現(xiàn)在能量依靠隔離變壓器,在原邊將電能轉(zhuǎn)換為磁,又在副邊將磁再次轉(zhuǎn)化為電能,在提升安全性的同時(shí),轉(zhuǎn)化效率降低了,其效率通常只有80%~85%。同樣不可避免的產(chǎn)生100Hz的頻閃,其頻閃深度可通過(guò)輸出端的濾波電容控制。

      3.二級(jí)恒流(PFC)

      圖10.1

      二級(jí)恒流隔離驅(qū)動(dòng),在變壓器原邊通過(guò)APFC芯片U1將驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)提高,然后通過(guò)變壓器將電能傳遞到副邊,副邊的恒流芯片U2將輸出電流變化為恒流電流,其芯片工作頻率大多處于幾十K到幾百K赫茲的范圍。

      該方式驅(qū)動(dòng),功率因數(shù)一般都在0.95以上,而且無(wú)100Hz的頻閃。但是由于其線路復(fù)雜,成本較高,效率通常也只有80%~85%。

      幾乎沒有球泡燈驅(qū)動(dòng)應(yīng)用到這種驅(qū)動(dòng)方式。


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