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      無電解電容線性恒流源的利弊
    http://www.cnledw.com/blog/105 茅于海

    2012年是LED大規模進入室內和家庭照明的第一年,也是民用LED開始的第一年。作為民用產品對產品的性能、價格、可靠性提出了更為嚴格的要求。一方面要求LED的發光效率不斷提高、價格不斷降低。另一方面,對于LED的恒流驅動源也提出了很多要求。在一般人的心目里,LED本身的壽命已經是非常高了,但是實際的壽命卻是非常低,往往是由于電源壽命低而引起。而電源的壽命往往取決于電解電容的壽命。因為通常認為電解電容的壽命是很低的。假如恒流源根本就沒有電解電容,那么它的壽命就一定可以很高了。更何況拿掉電解電容以后功率因數也就可以得到改善。所以各式各樣的無電解電容的恒流源就吸引很多人的關注。


      一. 無電解電容的簡單方法


      去掉電解電容是很容易的事,而且它也是可以工作的。


      然而這種電路的壽命更短,因為它沒有采用恒流的措施所以當輸入電壓升高或溫度升高時,電流就會很快升高,以致很快就會燒毀LED。加電阻限流雖然可以解決一些問題,但是其效率只有52%-73%。是完全無法接受的。


      所以必須加以恒流,那怕是最簡單的恒流二極管。



      然而這個電路也是無法工作的。因為輸入是半個正弦波,在低電壓時LED是不能啟動,雖然電壓升高到一定程度時,它可以恒流,這時候電流的波形接近一個矩形波,所以它的功率因數也不能令人滿意,因為只有當電流波形和電壓波形一樣時,功率因數才能等于1。那么能不能開發出一種電路使得它的電流波形盡可能接近于電壓波形呢?


      二. ExClara 的EXC100解決方案


      美國硅谷的ExClara公司提出了一種方案可以接近地 解決這個問題。因為采用恒流二極管以后,電流只能是平的,所以也就只能用階梯波來接近正弦波。



      這個看起來很簡單的事,真要實現可是一件很復雜的事。為了得到這樣的電流波形,就必須依次接通具有不同恒流值的LED串。其EXC100芯片具體框圖如圖四所示。



      它首先要測量輸入電壓,等到輸入電壓達到一定值以后,開始接通第一串恒流于比較低值的LED;到達更高一些的電壓以后就開始在第一串后面再接上第二串 LED并恒流于更高的電流;最后等到電壓更高以后,再接通第三串LED并恒流于更高值的電流。所以它的內部結構是很復雜的。


      后來美國的Supertex公司也開發了一個可接通4串LED的CL8801。采用4串以后PF可以達到0.98,諧波失真也可以小于20%。它的框圖如圖五所示。



      其實這里面還沒有畫出測量輸入電壓的電路,這個電路測量輸入電壓并將其和幾個設定好了的四個值逐一比較,并依次接通開關1、2、3、4。而這些開關都必須是耐高壓的MOS管。所以整個芯片都必須采用高壓工藝來制作。其成本是很高的。EXC100的售價約為10元人民幣。


       


      臺灣的AIC公司也做了類似的產品。


      還有韓國、日本等很多公司也都有類似的產品,看來這種產品好像很受歡迎,就是成本比較高。


      三. 晶豐的BP5801


      為了降低成本,最簡單的辦法就是把內部的高壓MOS開關管拿到外面,用分立元件實現。晶豐的BP5108就是采用這種方法(圖六)。



      在220V時,當整流后電壓升到104.7V時,第一串40顆LED開始導通(其電壓為134V);當電壓再增加34.89V時,第二串23顆LED開始和第一串LED串聯并導通(其電壓為76V);當電壓再增加25.21V時,第三串23顆LED再串入并導通(其電壓為76V),最后三串LED都以 30.8mA的最大電流導通(額定電流為20mA)。因為這時候電流的波形比較接近正弦波,而且和電壓波形同相,所以功率因數可以高達0.968,效率也可以有90.6%。


      其詳細的電路圖如圖七所示。圖中前面三個(兩個保護,一個整流橋)是公有的,一個電感和一個電容是為了降低電磁干擾EMI所需的濾波器,因為這個本來是線性恒流源變成開關型了。再加上后面11個電阻,三個電容和三個MOS管,一共22個元器件,而且MOS管需要采用2N60,也是體積大價錢貴的器件。



      四. 無電解電容線性恒流源的得失


      這種無電解電容線性恒流源值所以要去掉電解電容是因為兩個原因:


      1. 電解電容壽命短  其實這是一般人的誤解。當然這種誤解也是從大量的實例中得到的。其主要原因是中國市場上充斥著大量的劣質電解電容,這些電解電容的確壽命很短。但這并不意味著凡是電解電容其壽命就一定短。


      電解電容有兩種,一種是液態電解質的,另一種是固態電解質的。液態電解電容壽命比較短,那是因為液體會干枯的原因。所以新的長壽命電解電容就采用固態電解質。而固態電解電容的壽命據稱可以達到23年,遠遠超過了LED的壽命。但是固態電解電容的價錢比較貴。


      那么是不是液態的電解電容就不能做到長壽命呢?完全不是這樣,業者都知道日本的紅寶石電解電容的壽命在105℃時可以達到10,000小時,而溫度每降低10度,壽命延長一倍,在85度的環境溫度就可以有4萬小時,在75度就可以有8萬小時,完全可以滿足LED的需要。而其價錢也不是貴到不可接受的程度。而最近紅寶石公司更開發出了壽命更長一倍的小體積LLE系列的電解電容,其105℃時的壽命高達20,000小時,專門供給小體積球泡燈使用。而且國內也已經有廠家可以生產和紅寶石媲美的液態電解電容了。


      所以電解電容的壽命本來就不是問題。


      2. 加上電解電容以后功率因數無法提高


      首先讓我們來看一下國家規定:根據中國室內照明LED球泡燈標準的草稿中規定功率因數不得低于0.75,但在照明用LED驅動電源通用規范中規定<5W,不要求,5W-25W,一級為>0.85,二級為>0.7,美國能源之星對<5W的球泡燈沒有要求,但對于>5W的LED燈具要求PF>0.7 (ANSIC82. 77-2002LM -79-08), 03/22/2010。所以5W以下對功率因數都是沒有要求的。這里也想說幾句公道話。我們國家對15W以下節能燈的功率因數沒有要求,而15W以上才有要求。


      其實功率因數還應該要看是容性還是感性的。通常家里和居民區是以感性為主,因為很多白色家電像電冰箱、洗衣機、空調里都有馬達,都是感性負載;甚至像電視機、音響等黑色家電里都有變壓器,也是感性負載。至于日光燈電感鎮流器和節能燈里的電子鎮流器也都是感性負載。而電解電容則是容性負載,二者還可以補償。從這個觀點來看,對于采用電解電容的LED燈具,國家在制定標準時,不但不應該對功率因數加以限制,還應該加以鼓勵和獎勵才對。


      不管怎樣,因為LED球泡燈主要是用來取代白熾燈。最常用的白熾燈是40W和60W。按照目前LED的發光效率,5W的LED球泡燈就可以取代40W的白熾燈了。過不了1-2年,5W的球泡燈也可以取代60W的白熾燈,所以對于LED球泡燈,功率因數就根本不是問題。更何況即使采用電解電容,只要對其充電電流加以限制也很容易就能把功率因數提高到0.7以上。


      由此可見,不論是壽命還是功率因數,采用電解電容都不是問題。


      那么像前面那幾種方法去掉電解電容以后有什么問題和缺點呢,有的:


      1. 無電解電容方案會帶來發光的閃爍。我們知道LED只有在有電流流過時才會發光,而從圖三的電流波形圖里可以看出它的發光是以電源頻率的一倍(橋式整流)而間斷的。在中國就是100Hz,在美國就是120Hz。人類可以感受到的最高閃爍頻率是70Hz。這種閃爍,雖然人眼感覺不到,但是不等于對人類沒有危害。


      據報道,主要的妨礙就是頭昏,眼睛勞損,而偏頭痛還會增加中風的危險。


      另外這種閃爍也會帶來閃光效應,在攝影時會出現運動物體的多重影像,這在保安攝像機就有可能丟失重要的畫面。國內使用它們的客戶就反映過這樣的問題。


      2. 由于LED不是連續導通的,尤其是第三串只在很短時間里導通,而導通時的電流又超過額定值54%以上。這樣工作會帶來兩個問題,一個是LED的利用率不高,會使整燈的光效降低,作者曾經親自測試了采用同樣發光效率和同樣數量的的LED,一個采用上述的無電解電容恒流源,另一個采用有電解電容的線性恒流源,其結果前者的整燈光效要比后者低15%以上(都是在沒有燈罩的情況下用積分球測試的)。另一個問題是其最大電流超過額定電流54%,雖然是短時間,但累計長時間這樣工作,有可能會降低LED的壽命。因為LED規定的最大電流只能是比額定電流高16%-25%而已。


      3. 由于采用了開關工作,從而使線性恒流源的無電磁干擾的特點喪失殆盡。甚至還要加上電磁干擾濾波器。EXC100的電磁干擾實測結果如圖八所示。圖中藍色折線為美國FCC Class B的標準,雖然它的測試結果是能夠滿足標準的。但是作為線性恒流源本來是應該一點干擾都沒有的,也根本不需要去做測試,現在還要去做測試,看是否能夠滿足標準,這無論如何不能看成是一個優點。


      另外由于波形失真嚴重,因而其諧波失真也是比較嚴重的,如BP5108的諧波就高達25.6%。



      最后,還要提到這種類型驅動電源最后一個“優點”。就是可以和可控硅調光器連接。因為可控硅調光器要求純阻負載,而現在這類驅動電源采用那么多措施以后,功率因數接近1,當然可以和可控硅調光器連接了。那么這個是不是一個“優點”呢?要知道用了可控硅調光器以后,整個系統的功率因數和效率都會變得很差,那么前面費了那么大的力氣去提高驅動電源的功率因數和效率豈不是都是白費力氣了嗎?如果真的要進行調光,LED可以用直流或脈寬調制(PWM)調光,能夠真正得到高效和節能地調光。完全不需要采用幾十年前的可控硅技術。


      五. 結束語


      實際上,LED是一種直流器件,最好是采用直流供電。而電解電容也就是能夠利用它的儲能效應來把半個正弦波變成接近直流的最好手段。只要用上電解電容,那么以上的問題就都不存在。至于功率因數本來就不是什么問題,我們國家至今大量應用的日光燈和最近大力推廣的節能燈,都從來沒有提過功率因數的要求。更何況,容性功率因數是對于大量感性功率因數的最好補償。假如真的還是要求功率因數要滿足一定值時,在用電解電容的情況下多加幾個元件也是可以做到的。

    2014-08-05
     



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