工程師解讀如何用高壓LED提高LED燈泡效率

使用LED作為光源的燈泡來替代螺紋旋入式白熾燈泡有很多好處。一般而言，我們將小號(5-9)的LED串聯(lián)起來，使用一個電源將線電壓轉(zhuǎn)換為低電壓(通常為數(shù)十伏)，這時的電流約為350到700mA。在確定如何最好地讓用戶同線電壓隔離的過程中，我們需要深思熟慮、權(quán)衡利弊。我們可以在電源中實(shí)現(xiàn)隔離，也可以在LED安裝過程中進(jìn)行這種隔離。在一些低功耗設(shè)計(jì)中，LED物理隔離是一種常用方法，因?yàn)樗试S使用成本更低的非隔離式電源。

　　圖1燈泡替換使電源空間變得極小

　　圖1顯示了一種典型的LED燈替代方法。本舉例中的電源為非隔離式電源，其意味著實(shí)現(xiàn)用戶高壓保護(hù)的隔離被嵌入到了封裝而非電源中。很明顯，電源的空間極其小，從而對封裝構(gòu)成了挑戰(zhàn)。另外，電源被隱埋到封裝內(nèi)部，從而阻礙了散熱，影響了效率。

　　圖2降壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)一個簡單的離線LED驅(qū)動器

　　圖2顯示了一個通過120伏AC電源為LED供電的非隔離式電路。它包含一個為降壓功率級供電的整流橋。該降壓調(diào)節(jié)器是一個“倒置版”，其電源開關(guān)Q2處在回路中，而環(huán)流二極管D3連接至電源。在電源開關(guān)導(dǎo)通期間，通過一個源電阻對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。盡管這樣做的效率相當(dāng)高(80%-90%)，但是這種電路存在幾個限制效率的缺點(diǎn)。導(dǎo)通時，電源開關(guān)必須承載全部輸出電流，而在電源開關(guān)關(guān)閉時，輸出電流流過環(huán)流二極管。另外，電流檢測電阻器R8和R10的電壓約為1伏。相比15到30伏的LED電壓，所有這三個壓降都很大，并且會對電源效率構(gòu)成限制。更為重要的是，這些損耗會促進(jìn)燈泡溫升。LED的發(fā)光能力會慢慢減小，而這種能力與LED的工作溫度密切相關(guān)。例如，70oC條件下，LED光輸出減少30%的時間超出了50000小時，而在80oC條件下，這一時間僅為30000小時。由于燈泡都安裝在一些“筒”中，而這些“筒”往往會阻礙散熱，不利于對流冷卻，因此發(fā)熱問題被進(jìn)一步復(fù)雜化。

　　圖3利用升壓電源提高LED驅(qū)動器效率

　　LED制造廠商通過將數(shù)支LED串聯(lián)在一塊公用基板上，制造出更高電壓的發(fā)光體。這些高壓發(fā)光體帶來亦或是更低的成本亦或是更高的電源效率。使用這些高壓產(chǎn)品，我們只需使用一組整流器和一個穩(wěn)流電阻器，從而實(shí)現(xiàn)更低成本的電源方法。盡管這種電源可以產(chǎn)生相當(dāng)好的功率因數(shù)，但效率很低，原因是輸入電壓的很大一部分都被用在了穩(wěn)流電阻器上，導(dǎo)致30%-50%的LED功率損耗。但是，它可以用于一些小體積的低功耗應(yīng)用中。然而，在一些高功耗應(yīng)用中，低效率讓其無用武之地。圖3顯示了另一種替代方法：其使用一個升壓電源。該電路的大部分都與上述方法相同。但是，開關(guān)、二極管和電流檢測損耗要小得多，帶來高達(dá)90%到95%的效率。另外，該電路還擁有97%的良好功率因數(shù)。

　　圖4升壓電源體積更小、效率更高

　　圖4為圖1-2示意圖所描述電源的照片。即使這種電源產(chǎn)生的輸出功率大致相同，但也存在一些影響電源尺寸的明顯差異。升壓電源的電感器尺寸明顯更小，因?yàn)槠湫钅芤蟾汀Ｏ啾壬龎弘娫?，降壓電源有一個更大的電阻器。該電阻器為一個仿真負(fù)載電阻器(圖2所示R20)，用于決定調(diào)光器何時開啟硅控整流器(SCR)。需要這樣做的原因是，調(diào)光器在三端雙向可控硅開關(guān)組件旁邊有一個電磁干擾(EMI)抑制電容器，其在無負(fù)載情況下的電壓相對電源要高。這樣便擾亂了電源，導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定調(diào)光。使用升壓電源時卻不需要這樣做，因?yàn)長ED通過升壓電感器連接至輸入，為其提供足夠負(fù)載，因此上述問題便不是問題。圖中未顯示電路板的背面，但正如示意圖所示，降壓電源有更多低電平電路。所以，升壓電源擁有更低的功耗，這一點(diǎn)在諸如LED燈泡更換等空間限制型應(yīng)用中極為重要。

　　總之，高壓LED因其具有功耗低、溫升小的特點(diǎn)，可幫助增加旋入式LED燈泡的使用壽命。它是通過使用升壓電源替代降壓電源，從而提高電源效率來實(shí)現(xiàn)的。升壓電源的損耗約為降壓調(diào)節(jié)器的一半。另外，升壓電源的組件更少，功率因數(shù)更好，體積更小，并且利用三端雙向可控硅開關(guān)組件實(shí)現(xiàn)調(diào)光更容易。