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  无电解电容LED光引擎的固有缺点和现实问题
http://www.cnledw.com/blog/105 茅于海

   迄今为止,“光引擎”还没有一个非常严格而又确切的定义,以致不少读者还不知道到底什么是光引擎。有人把它定义为“LED光引擎(light engine)是指包含LED封装(组件)或LED数组(模块)、LED驱动器、以及其它亮度、热学、机械和电气组件的整体组合。该装置要通过一个与LED灯具匹配的常规连接器直接连接到分支电路,该LED灯具设计成不使用标准灯座。”这个定义看上去好像很完整,但是往往会使人困惑,因为它还包括了“其它亮度、热学、机械和电气组件”。


  其实可以非常简单地给光引擎下一个定义:那就是凡是把LED光源LED驱动电源结合为一个模块的就可以称为光引擎。更通俗一点的可以这样来说,凡是把恒流驱动源放到LED铝基板上去就成为光引擎。


  有人把COB LED称为光引擎,显然是不对的!因为它没有集成恒流驱动源,没有“驱动”,怎么能够称为“引擎”?。


  从电源的种类又可以分为直流光引擎和交流光引擎两大类。不过,当前由于室内灯具开始大量采用光引擎,所以我们更多关注交流市电的光引擎。


  那么是不是整个LED灯具也可以称为光引擎呢?当然不可以。正如整个汽车不能称为引擎一样,引擎是汽车的动力总成,但是不等于汽车,还要加上外壳才能成为汽车。之所以需要有光引擎这样的产品,是因为所有的灯具有各式各样的外观。有些灯具甚至可以称为艺术品。就拿白炽灯来说,可以说它只有最简单的灯泡一种形式,顶多再加上蜡烛灯或极小的圣诞灯。可是它的外形可是有各式各样的。尤其是水晶灯更是各式各样的工艺美术品,极其华丽。但是LED还必须加上极其复杂的恒流驱动源才能相当于一个白炽灯一样工作(接上220V就可以亮)。如果把LED做成光引擎,它就也像白炽灯一样接上220V就可以亮(当然还需要有与其相配的散热器)。这样一方面有助于标准化,另一方面也可以大大地便于外壳(和散热器)设计者发挥其所能。


  一.采用光引擎的好处


  很多人认为推广光引擎的主要目的是为了标准化以增加其互换性。其实这种标准化并不应该只从光引擎着手,而是应该在统一散热器和光引擎之间的接口上着手。就拿LED球泡灯来说,需要统一的基本上就是光引擎和散热器的尺寸,具体涉及到定位螺钉孔和散热器的定位螺钉孔的尺寸位置。即使是这么具体的问题,也还有很多难处。因为它是和瓦数和散热器的散热能力都有关系。所以推广光引擎不能只从互换性的好处来着眼。


  可以说推广光引擎的最大好处有以下几个方面。


  1. 降低 LED照明灯具厂家研发费用,缩短产品生产周期


  因为所有LED灯具的光学和电气指标都由光引擎生产厂家制定了。甚至还推荐了相应的散热器。灯具厂家只要把光引擎安装到散热器里面去就可以了。灯具厂商甚至不需要经验丰富的光学、电子工程师,也不需要购买昂贵的光学和电子仪器设备。换句话说,光引擎可以大大降低LED灯具厂的准入门限,但却不会因此而降低LED灯具的产品质量。当然这要求光引擎的生产厂家本身就要有极高的水平才行。


  2. 推广光引擎可以大大加速LED灯具的推广


  最近几年随着白炽灯的禁产,LED灯具即将迎来爆炸式的增长。LED灯具厂如雨后春笋般的大量涌出。这虽然是一种必然趋势,但是也带来了很多问题,尤其是表现在LED灯具的质量上的良莠不齐和各个厂商之间的无序的价格战。LED光引擎的出现可以在很大程度上解决这类问题。因为质量是由几家生产光引擎的大厂决定,价格也不可能有太大的出入。这就大大地减少了由无序竞争而引起的内耗。有助于LED灯具产业的高速发展。


  3. 提升了LED灯具的整体性能


  例如提高了整体光效(lm/W),这里是指包括电源效率在内的整体光效,当然对于整灯来说也还应当包括灯罩的透光率(不过这不是由生产光引擎的公司负责,而是由生产散热器的公司负责)。也可以提高色温,显色指数等指标。


  4. 降低了成本


  至少可以省去了恒流驱动源的印制板,及其生产成本。


  目前来说,最简单而最重要的就是用于LED球泡灯的光引擎。下面我们就来看一下这种光引擎的构成。


  二. LED球泡灯的光引擎


  对于球泡灯来说,它的构成已经是非常接近标准化的了。它主要是由三大部分构成:LED光源、恒流驱动电源、散热器和外壳(包括灯头和灯罩)。



图1. LED球泡灯的构成


  所以如果就拿LED球泡灯来说,如果要做成光引擎就必须把它的电源板和LED板合成为一块板,可以看出其难度是很大的。


  1.开关电源不适合做光引擎


  开关电源虽然性能比较好,效率也比较高,但是最大的缺点就是元件数目非常多,要和LED灯板集成在一起有很大难度。有人就曾经试图这样做,其结果是非常拥挤(见图2)



图2. 采用开关电源的光引擎板


从这张照片可以看出,整个开关电源几乎占据了70%以上的面积,而把LED的空间减到最小。这种结构显然是不可行的,因为它不但减小了LED的发光面积,也挡去一部分光线。而且最大的问题是减小了LED的散热面积。图中看来可能是5个1W的LED。如果要做成9W或10W的球泡灯更是完全不可能实现的了。


  2.线性电源可以减少元件数但效率过低


  为了减少元件数,最简单的方法是改用线性电源,通常线性电源只有5-6个元件,这样就可以大大减小所占用的面积。目前市面上的光引擎大多数都是采用无电解电容的线性恒流源,无电解电容方案是美国ExClara公司于2011年8月提出来的,以后有6-7家公司模仿他们的思路开发出类似的芯片。它的基本原理就是在输入交流电压波形的不同值时接入以不同恒流值驱动的LED串,以得到和交流整流以后半个正弦波形相匹配的电流波形,从而可以得到接近于1的功率因数。这个可以从这种芯片的内部结构图和波形图来理解。图3就是美国Supertex公司的CL8801芯片的内部结构图。



图3. CL8801的内部结构图



图4. 电流和电压波形图


  它的电流和电压波形如图4所示。由图中可以看出,当交流电压上升至某一值时第一串LED导通,继续上升至更高值时第二串导通,以此类推,最后一串导通时间最短,但导通电流最大。从而形成一个接近于电压波形的电流波形,以得到最高的功率因数。但是也带来一系列的缺点和问题(见后面)。


  下面就是几种采用无电解电容线性恒流源的光引擎。



采用达鑫DS6622的光引擎                        Lynk Labs 的光引擎



采用SU1203的光引擎                          首尔Acrich2 光引擎


图5. 采用无电解电容线性恒流源的光引擎


这些都是无电解电容的线性恒流源的方案,达鑫的DS6622采用了一个桥堆一个压敏电阻,3个电阻一个电容和两颗IC(DS6622),一共8个元件,只占据了10%左右的面积。这种光引擎从占用面积来看,是一种可行的方案。然而它的缺点是和所有普通的线性电源一样,按照ExClara给出的数据,当输入市电电压变化+/-10%时,其效率为84%-93%。而且还只允许市电电压变化小于20%范围内和LED电压也必须在设计值的10%范围内,否则效率会变得十分低下。在SU1203的规格书中给出了它的电源效率如图6所示。



图6. SU1203的电源效率和输入电压关系曲线


  由图中可以看出,在输入电压为200V时,其效率约为96%,而输入电压为245V时其效率约为80%。平均值约为88%,和220V时的效率相当。如果用190V时效率为100%(不可能!),260V时效率为70%,那么平均值为85%。归纳起来这种无电解电容方案的缺点和问题如下:


  1. 效率低下,约为88%左右。


  2. LED不是直流驱动,而是时通时断,所以LED利用率低,最后一串LED的高脉冲电流也会影响其寿命。


  3. 整体发光效率要比有电解电容低15%左右。


  4. 电流波形接近半个正弦波,所以会有100Hz的闪烁。无法用于数码相机照相和安保系统中。


  三. 电源和灯板合并会引起严重的散热问题


  采用普通的线性恒流源是不是一种可行的光引擎方案呢?不是如此。虽然它解决了占用空间的问题,但是除了上面已经提到的缺点以外还有一个不能忽略的缺点,那就是散热问题。虽然不管电源放在哪里,它的热量总归是要通过散热器散到空间,但是当电源和灯板放在一起的时候,电源所消耗的功率会变成热量而直接加到灯板上,就会增加灯板所需散去的热量,这就会增高LED的结温,降低其寿命。而且线性恒流源最大的缺点就是效率极其低下。所以这是一个极为严重的问题。


  下面举一个例子来说明这个问题。


  假定一个10W的LED球泡灯,就是说其灯板上有9W的LED。或者说它需要9W的供电。采用无电解电容方案以后它的效率为84%-93%,平均值为 88.5%。也就是它在供给8.85W的功率给LED灯板时,本身要消耗11.5%的功率,也就是消耗了1.15W的功率。那么如果这个电源也安装到灯板上去,势必要增加灯板的热量,但是灯板增加了不止11.5%的热量!为什么?


  因为8.85W的LED并不是这8.85W全部变成了热,而是有一部分变成了光发出去。当前的LED的发光效率在30%左右。假定发光效率为30%,那么有70%的能量都变成了热量,也就是有6.195W的热量需要散发出去。现在又增加了1.15W,变成7.345W。也就是增加了18.56%的热量,而不是10%的热量。虽然本来的散热器也需要把这部分热量散发出去,但是现在把这部分热加到了LED灯板。因为电源是放在灯板的电路面,而电路面要传到散热器需要通过两个绝缘介质,一个是印制板的绝缘介质,另一个是铝基板和散热器之间的绝缘介质,所以电路面的温度和散热器的温度是不同的,而LED是放在铝基板的电路面的。也就是说由于电源放到了电路面就会使铝基板的电路面热量增加了18.56%,这会导致LED的结温也升高18.56%。而结温增加对寿命的影响到底有多大呢?这可以参看CREE公司给出的结温和寿命的曲线(图7)。



图7. 结温和寿命的关系曲线


  这个曲线是以光衰至70%作为 寿命的标志,假如原来的LED结温是85度,其70%光衰的寿命是3.1万小时。现在结温升高了18.56%,也就是升高到100度左右,它的寿命就从 3.1万小时降低到1.5万小时,也就是降低了16,000小时。所以这种温升对寿命的影响是相当严重的。如果本来声称寿命可以高达3万小时,现在实际的寿命只有1.5万小时。也就是说,这种无电解电容方案的光引擎会严重降低LED的寿命。


四. 闪烁效应


  100Hz的闪烁效应可以在采用数码相机照相时很明显地看出来。下面的两幅照片(图8)左边一幅是采用无电解电容LED灯具照的。右边一幅则是采用有电解电容LED灯具照的。



图8. 用数码相机拍摄时无电解电容灯具出现黑色竖条纹


  五. 首尔光引擎的实测结果


  首尔半导体公司生产了一种光引擎Acrich2,从它的电路图可以看出,它也是采用无电解电容方案的线性电源,其外形图如图9所示,电路图如图10所示。



             图9. 首尔半导体的Acrich2光引擎           图10. Acrich2的电路图


  我们实测了它的参数:在220V时,其输入功率为4.489W,总光通量为297.7 lm,发光效率只有66.3 lm/W,显色指数为83.1,功率因数为0.975。可见其光效十分低下。而且随着输入电压的增高,其效率还会进一步降低(见图11a和图11b)。



          图11a 输入功率和输入电压的关系               图11b 输出流明和输入电压的关系


  从图11a中可以看出,当输入电压从220V增加到255V时,输入功率增加1.2倍,而输出流明只增加1.1倍。也就是光效会降低1.1倍。根据 Acrich2的数据表,它的电源芯片的功率耗散为1W,而输入功率为4.5W,所以它的电源效率只有78%。而且这个1W的功率加到LED铝基板上,肯定会增加铝基板的热量,提高LED结温,从而降低LED的寿命!虽然它的功率因数较高,但是由于它的功率小于5W,无论是美国的能源之星或是中国的国家标准都不要求功率因数。


  六.结论


  目前几乎市面上所有的LED光引擎都是采用无电解电容的方案,这种方案不仅存在效率低,增加灯板的热量,降低LED的寿命,而且还存在有LED利用率低下,整体光效降低15%,而且还有100Hz的频闪!


  由此看来要想使LED光引擎能够成为现实的关键技术必须有极高效率的恒流驱动源,有了极高效率的恒流驱动源才有可能把电源放到LED铝基板上去!现有的所有无电解电容方案都不是合适的光引擎方案!

2014-08-05
 



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