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LED球泡灯驱动分析
2015-03-27 09:51:25

       摘要:在这大势下,作为白炽灯的直接替代光源,LED球泡灯的用量将得到巨大的提升。其品质也会参差不齐。作为LED球泡灯内部不可或缺的驱动电源,其品质很大程度上决定了一个球泡灯的安全与否及品质好坏。

















	

       随着LED的发展以及节能减排的国际大势,LED灯具及光源向民用市场大规模进军。而作为民用光源里面最为普遍的白炽灯,欧洲已经在2012年禁止白炽灯生产和销售,美洲在2014年也禁止了40W及其以上白炽灯的生产和销售,中国已于2012年10月禁止了100W以上白炽灯的生产和销售,同时将会在2014年10月1日禁止60W及以上白炽灯的生产和销售,将于2016年10月1日禁止15W及以上白炽灯的生产和销售。

       在这大势下,作为白炽灯的直接替代光源,LED球泡灯的用量将得到巨大的提升。其品质也会参差不齐。作为LED球泡灯内部不可或缺的驱动电源,其品质很大程度上决定了一个球泡灯的安全与否及品质好坏。

       驱动电源基本分为非隔离驱动及隔离驱动两大类:

一、非隔离驱动

       非隔离驱动(non-isolated power)是指在输入端和负载端之间没有通过变压器进行电气隔离,而又直接连接,输入端和负载端共地,因此触摸负载就有触电的危险。目前用得最多的是非隔离直接降压型驱动。也就是把交流电整流以后得到直流高压,然后就直接用降压(Buck)电路进行降压和恒流控制,非隔离驱动的优点是成本低、简单、体积小、效率高。

       当非隔离驱动应用于球泡灯时,使用铝材(金属)外壳无法做到安全性的标准(输入对外壳要求耐压4KV),故而外壳必须采用绝缘材料加工,通常有塑料、导热塑料、塑包铝等形式来实现。然而采用导热塑料或者塑包铝的形式又使得LED球泡灯的成本增加,采用塑料加工成的外壳又无法有效的散热。在这样一个LED竞争激烈的大环境下,很大一部分商家为了追求利润及销售额,无视安全因素制造大量非隔离金属外壳的球泡灯,又或无视产品品质制造大量塑壳球泡灯,同时灯具的功率往往虚标30%以上。

       目前球泡灯上应用最多的几种非隔离驱动如下:

1. 电阻限流式

       图1.1

       如图1.1:电阻限流式驱动,仅采用一个桥堆,将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电,通过限流电阻来限定LED的平均电流。该驱动方式在电压未达到LED模块(由多个LED串联构成)开启电压前,LED不发光;电压超过LED模块的开启电压后,通过LED的电流逐渐增加,表现形式为I=(U-Uon)/R,经过LED的电流会随着电压的变化而变化。

       如图1.2所示(绿线表示桥堆输出端电压,红线表示LED电流,蓝线表示电阻R上的电压),LED电流有间断(频率为100Hz),LED电流存在的时候也有大小变化,故而表现为频率为100Hz的频闪现象。

       如图1.2所示,LED模组串联个数较多(即开启电压需求较高)、限流电阻较小时,LED电流断续时间长,频闪效果明显,但是电阻上消耗的能量较小(红线电流与蓝线电压的积分),即效率相对较高。

       如图1.3所示,LED模组串联个数较少(即开启电压需求较低)、限流电阻较大时,LED电流断续时间短,频闪效果较不明显,但是电阻上消耗的能量较大,效率相对很低。

       电阻限流式非隔离驱动,在电网电压不稳定时,球泡灯的功率变化为ΔP=ΔU2/R,因此功率极其不稳定,造成照明亮度变化明显,而且功率随着电压波动的平方变化,使得灯具非常容易长时间在超过标准温度下工作,寿命减短。

       该驱动方案由于负载主要呈现为阻态,电压过零的时候不存在电流,故而功率因数较高接近1,不过由于限流电阻的存在其效率很差通常只有30%~65%的效率,但是由于该方案成本非常低廉,导致很多生产商生产该类产品,LED球泡灯的品质很难得到保证,其安全性也难以得到保证。

       图1.2

       图1.3

2. 恒流二极管限流

       图2.1

       如图2.1:恒流二极管驱动,采用一个桥堆,将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电,通过恒流二极管来限定LED的电流。该驱动方式在电压未达到LED模块(由多个LED串联构成)开启电压前,LED不发光;电压超过LED模块的开启电压后,通过LED的电流由恒流二极管限定,表现为恒定电流状态。桥堆后面的电容是平衡效率及功率因数用的。

       不加桥堆后的电解电容,如图2.2所示(绿线表示桥堆输出端电压,红线表示LED电流,蓝线表示恒流二极管CCD上的电压),LED电流有间断(频率为100Hz),但是LED电流存在的时候表现为恒流状态,故而表现为频率为100Hz的现象,同样,由于恒流二极管限定了通过的电流,其两端必定会承载超出LED工作电压的那部分电压,因此效率较低,通常在70%左右,但是其电流基本跟随电压波形,功率因数较高,可较容易做到0.9以上。

       加上桥堆后的电解电容,如图2.3所示,LED电流连续且恒定,因此在电容量足够大的前提下该驱动方案就表现为无频闪,而且,由于电解电容将桥堆后的电压波动降低了,因此LED模组的电压的设定可以充分的接近桥堆后输出电压,使得恒流二极管不用承载过多的电压,提高驱动效率,通常可提升至85%左右,但是其电流恒定,在输入电压过零的时候导致大量的无功功率产生,功率因数较低,一般只有0.5~0.6。

       恒流二极管实现的非隔离驱动,在电网电压不稳定时,球泡灯的功率变化为ΔP=ΔU*I,因此功率浮动与电压波动成正比,但是灯具照明效果相对稳定,但是由于恒流二极管的价格始终较高,而且其电流驱动能力只有几十毫安,故而无法得到推广应用。

       图2.2

       图2.3

3. 阻容降压

       图3.1

       如图3.1:阻容降压工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如,在50Hz的工频条件下,一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗,因为如果电容是一个理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。根据这个特点,在其后面串联一个LED模组,只要电流设定正确,那么LED两端的电压也必定是额定状态下的电压。

       因此该方案由于电容主要消耗无功功率,效率较高,但是其功率因数往往非常低,通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接决定了频闪的显著与否。

       因为LED工作需要比较稳定的直流环境,因此该方案常常采用桥式全波整流,但是全波整流产生浮置的地,并在零线和火线之间产生高压,造成人体触电伤害,是为比较危险的一种驱动。

       电网电压波动时,LED电流也会同比的跟随变化,因此,其稳定性也较差,而且由于电容寿命直接影响容值,使得容值变小,输出电流也会随之降低,使得LED球泡灯的光衰倍化加剧。

       但是,由于其成本低廉,线路非常简单,而且对LED模块的工作电压的范围几乎没有要求,通用性非常高,使得目前大部分厂家采用阻容降压的方式作为中低功率的球泡灯驱动。

4. 线性驱动

       图4.1

       图4.2

       如图4.1及4.2:线性驱动,采用一个桥堆,将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电,然后通过线性恒流芯片根据当前状态下的半正弦波电压值来分段驱动LED模块,并且限定每一段LED的电流。简单的说就是电压达到第一段LED模块工作电压时,第一段LED工作,电流限定在红线的第一个台阶处;电压达到第一段LED模块工作电压与第二段工作电压之和时,第一段LED和第二段LED同时工作,电流限定在红线的第二个台阶处;电压达到三段LED模块工作电压总和时,三段LED同时工作,电流限定在红线的第三个台阶处;该驱动方式在电压未达到第一段LED模块工作电压前,LED不发光,没有损耗;电压超过第一段LED模块的工作电压后,通过LED的电流由线性驱动芯片限定,表现为恒定电流状态,在达到后段LED工作电压前,超出的电压将由芯片内部的MOS吸收,该部分能量为损耗能量。通过合理的LED串联分段,尽可能使得三段的工作电压拟合正弦波,充分减小损耗,驱动的效率可提升至90%以上。

       由于其驱动特性是将LED模块按照阻性负载的特性的模式驱动,因此电流跟随电压波形,功率因数可达0.97以上,但LED电流有间断(频率为100Hz),故而表现为频率为100Hz的现象,同时,在周期内,LED亮度是分为6个亮度等级渐变的,可适当缓解频闪的效果。

       同样的,在桥堆后面加上电解电容,能通过降低功率因数来实现无频闪,在Cin足够大,将电压的波谷值拉升至所有LED工作电压之上,频闪现象就将完全消失,但是功率因数也会将至0.5左右。如图4.3

       图4.3

       在电网电压不稳定时,线性驱动芯片会根据电压的变化对电流稍作调整,使得整灯的功率维持不变,灯具的寿命充分得到保证,而且灯具亮度变化也不会超过10%,肉眼几乎无法辨别。由于其成本相对阻容方案要高,而且设计电路要求较高,通用性小,故而在市面上的球泡灯应用中较为少见。

5. 恒流芯片buck(NPFC)

       图5.1

       如图5.1:降压型恒流驱动,采用一个桥堆,将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电,通过桥堆后的电解电容将脉动电压变换为振幅较小的直流电压。通过采样电阻来高频驱动恒流芯片内部的MOS,达到控制电流的目的,电流值不受输入电压波动而影响,恒流芯片的内部MOS的开关频率通常在几十至几百赫兹。

       当桥堆后的电解电容足够大时,只需保证输出端LED模块的工作电压小于电解电容输出端波谷的电压值时,可以完全消除100Hz的频闪;而芯片内部的高频开关由于其频率较高,外加LED模块并联的滤波电容及电感,使得频闪效应得到解决。当然,如果桥堆后面的电容较小时,LED的工作电压大于电容后端输出电压,则100Hz频闪依旧存在,其振幅与LED模块的工作电压和电容后端输出电压的波谷的差值有关,差值越大,振幅越大,频闪效果越明显。

       由于大电容及后端开频的存在,该电路功率因数往往只有0.5左右,但是因为其结构简单,效率高达90%以上,恒流精度更是在5%甚至3%以内,负载调整率也较高,因此大部分追求品质的LED球泡灯生产商选用改方案。

       也有不少商家为了节约恒流芯片的成本,在恒流芯片处通过采用被动元器件(二极管,三极管,MOS)来控制恒流,通常这样的方案在恒流精度以及开路保护,短路保护方面做得就不够好。

6. 恒流芯片buck(填谷)

       图6.1

       如图6.1:由于降压型恒流驱动广受好评,但是收到超过5W的照明灯具及光源的功率因数要求>0.7这个规范的约束,技术人员在降压型恒流驱动的整流桥和整流电容之间设计了由3个二极管2个电容组成的3D2C式填谷电路,通过2个电容串联方式充电及并联方式放电的形式,提升功率因数,功率因数可提升至0.8~0.9,使得降压型恒流驱动也满足LED球泡灯在功率因数方面的要求。当然成本会有一定程度的提升,电源体积也会相应变大。

7. 恒流芯片buck(APFC)

       图7.1

       如图7.1:APFC恒流驱动,通过芯片上检测输入电压波形的引脚(此处是LN)控制输出电流的波形,使其接近半正弦波,即当输入电压过零点时,MOS关断,使输入电流也变零,从而使得电流的包络波形接近半正弦波,从而提升功率因数,功率因数通常可达0.95及以上;在输入电压不处于过零状态下,恒流芯片根据FB引脚出的反馈电压进行高频开关动作,控制输出电流,达到恒流的目的。

       由于其输入电流呈现半正弦波,导致其输出电流也有100Hz的波动,当然其振幅由于输出端滤波电容及电感的存在,会小很多,但是存在100Hz的频闪是不争的实事;当然适当的加大滤波电容会使得输出电流纹波变小,改善频闪效果。

二、隔离驱动

       隔离驱动(isolated power)是指在输入端和负载端之间通过隔离变压器进行电气隔离,使输出端无法直接接触高压。因此触摸负载就没有触电的危险,隔离驱动的优点是安全。

       当隔离驱动应用于球泡灯时,其外壳可通过金属、塑料、导热塑料、塑包铝等多种形式来实现。我们所要克服的就是隔离驱动所带来的体积大,效率较低,成本较高等缺点。

       因此在整个LED球泡灯市场上,隔离电源使用的较少。

       也有不少生产商对隔离驱动理解的不够透彻,以为使用了隔离变压器将输入与输出分隔开就可以了,而忽略了爬电距离及电气间隙等,这样的方案完全不能算作隔离驱动。

1. 单级恒流(NPFC)

       图8.1

       LED球泡灯上应用的隔离单级恒流驱动,简单的说,与非隔离降压型恒流驱动主要差异体现在能量依靠隔离变压器,在原边将电能转换为磁,又在副边将磁再次转化为电能,在提升安全性的同时,转化效率降低了。其效率通常只有80%~85%。

       该驱动方式的功率因数由于没有进行校正,大约为0.5,当然也可以在桥堆后面设计3D2C的填谷电路,将功率因数提升至0.8~0.9。

2. 单级恒流(APFC)

       图9.1

       LED球泡灯上应用的隔离APFC单级恒流驱动,与非隔离APFC恒流驱动主要差异也是体现在能量依靠隔离变压器,在原边将电能转换为磁,又在副边将磁再次转化为电能,在提升安全性的同时,转化效率降低了,其效率通常只有80%~85%。同样不可避免的产生100Hz的频闪,其频闪深度可通过输出端的滤波电容控制。

3. 二级恒流(PFC)

       图10.1

       二级恒流隔离驱动,在变压器原边通过APFC芯片U1将驱动的功率因数提高,然后通过变压器将电能传递到副边,副边的恒流芯片U2将输出电流变化为恒流电流,其芯片工作频率大多处于几十K到几百K赫兹的范围。

       该方式驱动,功率因数一般都在0.95以上,而且无100Hz的频闪。但是由于其线路复杂,成本较高,效率通常也只有80%~85%。

       几乎没有球泡灯驱动应用到这种驱动方式。