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  无电解电容线性恒流源的利弊
http://www.cnledw.com/blog/105 茅于海

2012年是LED大规模进入室内和家庭照明的第一年,也是民用LED开始的第一年。作为民用产品对产品的性能、价格、可靠性提出了更为严格的要求。一方面要求LED的发光效率不断提高、价格不断降低。另一方面,对于LED的恒流驱动源也提出了很多要求。在一般人的心目里,LED本身的寿命已经是非常高了,但是实际的寿命却是非常低,往往是由于电源寿命低而引起。而电源的寿命往往取决于电解电容的寿命。因为通常认为电解电容的寿命是很低的。假如恒流源根本就没有电解电容,那么它的寿命就一定可以很高了。更何况拿掉电解电容以后功率因数也就可以得到改善。所以各式各样的无电解电容的恒流源就吸引很多人的关注。


  一. 无电解电容的简单方法


  去掉电解电容是很容易的事,而且它也是可以工作的。


  然而这种电路的寿命更短,因为它没有采用恒流的措施所以当输入电压升高或温度升高时,电流就会很快升高,以致很快就会烧毁LED。加电阻限流虽然可以解决一些问题,但是其效率只有52%-73%。是完全无法接受的。


  所以必须加以恒流,那怕是最简单的恒流二极管。



  然而这个电路也是无法工作的。因为输入是半个正弦波,在低电压时LED是不能启动,虽然电压升高到一定程度时,它可以恒流,这时候电流的波形接近一个矩形波,所以它的功率因数也不能令人满意,因为只有当电流波形和电压波形一样时,功率因数才能等于1。那么能不能开发出一种电路使得它的电流波形尽可能接近于电压波形呢?


  二. ExClara 的EXC100解决方案


  美国硅谷的ExClara公司提出了一种方案可以接近地 解决这个问题。因为采用恒流二极管以后,电流只能是平的,所以也就只能用阶梯波来接近正弦波。



  这个看起来很简单的事,真要实现可是一件很复杂的事。为了得到这样的电流波形,就必须依次接通具有不同恒流值的LED串。其EXC100芯片具体框图如图四所示。



  它首先要测量输入电压,等到输入电压达到一定值以后,开始接通第一串恒流于比较低值的LED;到达更高一些的电压以后就开始在第一串后面再接上第二串 LED并恒流于更高的电流;最后等到电压更高以后,再接通第三串LED并恒流于更高值的电流。所以它的内部结构是很复杂的。


  后来美国的Supertex公司也开发了一个可接通4串LED的CL8801。采用4串以后PF可以达到0.98,谐波失真也可以小于20%。它的框图如图五所示。



  其实这里面还没有画出测量输入电压的电路,这个电路测量输入电压并将其和几个设定好了的四个值逐一比较,并依次接通开关1、2、3、4。而这些开关都必须是耐高压的MOS管。所以整个芯片都必须采用高压工艺来制作。其成本是很高的。EXC100的售价约为10元人民币。


   


  台湾的AIC公司也做了类似的产品。


  还有韩国、日本等很多公司也都有类似的产品,看来这种产品好像很受欢迎,就是成本比较高。


  三. 晶丰的BP5801


  为了降低成本,最简单的办法就是把内部的高压MOS开关管拿到外面,用分立元件实现。晶丰的BP5108就是采用这种方法(图六)。



  在220V时,当整流后电压升到104.7V时,第一串40颗LED开始导通(其电压为134V);当电压再增加34.89V时,第二串23颗LED开始和第一串LED串联并导通(其电压为76V);当电压再增加25.21V时,第三串23颗LED再串入并导通(其电压为76V),最后三串LED都以 30.8mA的最大电流导通(额定电流为20mA)。因为这时候电流的波形比较接近正弦波,而且和电压波形同相,所以功率因数可以高达0.968,效率也可以有90.6%。


  其详细的电路图如图七所示。图中前面三个(两个保护,一个整流桥)是公有的,一个电感和一个电容是为了降低电磁干扰EMI所需的滤波器,因为这个本来是线性恒流源变成开关型了。再加上后面11个电阻,三个电容和三个MOS管,一共22个元器件,而且MOS管需要采用2N60,也是体积大价钱贵的器件。



  四. 无电解电容线性恒流源的得失


  这种无电解电容线性恒流源值所以要去掉电解电容是因为两个原因:


  1. 电解电容寿命短  其实这是一般人的误解。当然这种误解也是从大量的实例中得到的。其主要原因是中国市场上充斥着大量的劣质电解电容,这些电解电容的确寿命很短。但这并不意味着凡是电解电容其寿命就一定短。


  电解电容有两种,一种是液态电解质的,另一种是固态电解质的。液态电解电容寿命比较短,那是因为液体会干枯的原因。所以新的长寿命电解电容就采用固态电解质。而固态电解电容的寿命据称可以达到23年,远远超过了LED的寿命。但是固态电解电容的价钱比较贵。


  那么是不是液态的电解电容就不能做到长寿命呢?完全不是这样,业者都知道日本的红宝石电解电容的寿命在105℃时可以达到10,000小时,而温度每降低10度,寿命延长一倍,在85度的环境温度就可以有4万小时,在75度就可以有8万小时,完全可以满足LED的需要。而其价钱也不是贵到不可接受的程度。而最近红宝石公司更开发出了寿命更长一倍的小体积LLE系列的电解电容,其105℃时的寿命高达20,000小时,专门供给小体积球泡灯使用。而且国内也已经有厂家可以生产和红宝石媲美的液态电解电容了。


  所以电解电容的寿命本来就不是问题。


  2. 加上电解电容以后功率因数无法提高


  首先让我们来看一下国家规定:根据中国室内照明LED球泡灯标准的草稿中规定功率因数不得低于0.75,但在照明用LED驱动电源通用规范中规定<5W,不要求,5W-25W,一级为>0.85,二级为>0.7,美国能源之星对<5W的球泡灯没有要求,但对于>5W的LED灯具要求PF>0.7 (ANSIC82. 77-2002LM -79-08), 03/22/2010。所以5W以下对功率因数都是没有要求的。这里也想说几句公道话。我们国家对15W以下节能灯的功率因数没有要求,而15W以上才有要求。


  其实功率因数还应该要看是容性还是感性的。通常家里和居民区是以感性为主,因为很多白色家电像电冰箱、洗衣机、空调里都有马达,都是感性负载;甚至像电视机、音响等黑色家电里都有变压器,也是感性负载。至于日光灯电感镇流器和节能灯里的电子镇流器也都是感性负载。而电解电容则是容性负载,二者还可以补偿。从这个观点来看,对于采用电解电容的LED灯具,国家在制定标准时,不但不应该对功率因数加以限制,还应该加以鼓励和奖励才对。


  不管怎样,因为LED球泡灯主要是用来取代白炽灯。最常用的白炽灯是40W和60W。按照目前LED的发光效率,5W的LED球泡灯就可以取代40W的白炽灯了。过不了1-2年,5W的球泡灯也可以取代60W的白炽灯,所以对于LED球泡灯,功率因数就根本不是问题。更何况即使采用电解电容,只要对其充电电流加以限制也很容易就能把功率因数提高到0.7以上。


  由此可见,不论是寿命还是功率因数,采用电解电容都不是问题。


  那么像前面那几种方法去掉电解电容以后有什么问题和缺点呢,有的:


  1. 无电解电容方案会带来发光的闪烁。我们知道LED只有在有电流流过时才会发光,而从图三的电流波形图里可以看出它的发光是以电源频率的一倍(桥式整流)而间断的。在中国就是100Hz,在美国就是120Hz。人类可以感受到的最高闪烁频率是70Hz。这种闪烁,虽然人眼感觉不到,但是不等于对人类没有危害。


  据报道,主要的妨碍就是头昏,眼睛劳损,而偏头痛还会增加中风的危险。


  另外这种闪烁也会带来闪光效应,在摄影时会出现运动物体的多重影像,这在保安摄像机就有可能丢失重要的画面。国内使用它们的客户就反映过这样的问题。


  2. 由于LED不是连续导通的,尤其是第三串只在很短时间里导通,而导通时的电流又超过额定值54%以上。这样工作会带来两个问题,一个是LED的利用率不高,会使整灯的光效降低,作者曾经亲自测试了采用同样发光效率和同样数量的的LED,一个采用上述的无电解电容恒流源,另一个采用有电解电容的线性恒流源,其结果前者的整灯光效要比后者低15%以上(都是在没有灯罩的情况下用积分球测试的)。另一个问题是其最大电流超过额定电流54%,虽然是短时间,但累计长时间这样工作,有可能会降低LED的寿命。因为LED规定的最大电流只能是比额定电流高16%-25%而已。


  3. 由于采用了开关工作,从而使线性恒流源的无电磁干扰的特点丧失殆尽。甚至还要加上电磁干扰滤波器。EXC100的电磁干扰实测结果如图八所示。图中蓝色折线为美国FCC Class B的标准,虽然它的测试结果是能够满足标准的。但是作为线性恒流源本来是应该一点干扰都没有的,也根本不需要去做测试,现在还要去做测试,看是否能够满足标准,这无论如何不能看成是一个优点。


  另外由于波形失真严重,因而其谐波失真也是比较严重的,如BP5108的谐波就高达25.6%。



  最后,还要提到这种类型驱动电源最后一个“优点”。就是可以和可控硅调光器连接。因为可控硅调光器要求纯阻负载,而现在这类驱动电源采用那么多措施以后,功率因数接近1,当然可以和可控硅调光器连接了。那么这个是不是一个“优点”呢?要知道用了可控硅调光器以后,整个系统的功率因数和效率都会变得很差,那么前面费了那么大的力气去提高驱动电源的功率因数和效率岂不是都是白费力气了吗?如果真的要进行调光,LED可以用直流或脉宽调制(PWM)调光,能够真正得到高效和节能地调光。完全不需要采用几十年前的可控硅技术。


  五. 结束语


  实际上,LED是一种直流器件,最好是采用直流供电。而电解电容也就是能够利用它的储能效应来把半个正弦波变成接近直流的最好手段。只要用上电解电容,那么以上的问题就都不存在。至于功率因数本来就不是什么问题,我们国家至今大量应用的日光灯和最近大力推广的节能灯,都从来没有提过功率因数的要求。更何况,容性功率因数是对于大量感性功率因数的最好补偿。假如真的还是要求功率因数要满足一定值时,在用电解电容的情况下多加几个元件也是可以做到的。

2014-08-05
 



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