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1、无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量时间：2011-02-14浏览1336次 【字体：大 中 小】 LED灯珠作为一个半导体器件，其寿命长达50，000小时以上。而LED照明驱动方案中普遍用到电解电容，其寿命则仅为5，00010，000小时。这样电解电容的短寿命与LED灯珠的长寿命之间有一个巨大的差距，削弱了LED的优势。因而无电解电容LED驱动解决方案受到市场青睐。 美芯晟科技推出了基于MT7920的无电解电容LED驱动解决方案（见图1）。在该方案中，在全桥堆之后，采用容值较小的CBB高压陶瓷电容或薄膜电容取代了高压电解电容，去掉了电解电容，同时也提高了功率因子（PFC，在85VAC26
2、5VAC范围可以全程高于0.9）。而输出电容C8和C9可以用陶瓷电容替代电解电容。从而实现了完全无电解电容。图1、基于MT7920的隔离LED驱动方案。* 当输出电容C8、C9采用470？F电解电容，驱动6颗LED时，测量结果如下：输入电压Vin = 220VAC，输入功率Pin = 7.54W输出电压Vo = 19.33V （万用表读数）输出电流Io = 327mA （万用表读数）输出功率Po = Vo * Io = 6.32W效率 = 6.32/7.54 = 83.8%采用电解电容时的输出电压，电流的波形如图2所示。从波形图上可以看出，输出电压、电流均存在一定的纹波。这在单级PFC恒流驱动
3、方案中不可避免的，加大输出电容C8、C9，可以进一步减小输出纹波。同时我们注意到示波器上电流、电压的平均值与万用表的读数基本相同。也即是万用表所测量到的直流电压、电流值为平均值。图2、输出采用电解电容（470？F X 2）时的电流、电压波形。（Ch1=蓝色：输出电压； Ch4=绿色：输出电流； 数学运算=红色：Ch1*Ch4）进一步，在示波器上，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值6.34W也基本与用平均电压与平均电流相乘所计算的功率相同。* 当输出电容C8、C9采用22？F陶瓷电容，驱动6颗LED时，测量结果如下：输入电压Vin = 220VAC，输入功率Pin = 8.10W
4、输出电压Vo = 19.07V （万用表读数）输出电流Io = 334mA （万用表读数）输出功率Po = Vo * Io = 6.37W效率 = 6.37/8.10 = 78.6% 采用陶瓷电容时输出电压、电流的波形如图3所示。与用电解电容时相比，输入功率增加了约0.56W（8.10W 7.54W），而输出功率按万用表读数计算基本不变（6.37W vs. 6.32W），从而导致效率降低了5%。情况真的如此吗？0.5W的功率跑哪里去了？图3、输出采用陶瓷电容（22？F X 2）时的电流、电压波形。（Ch1=蓝色：输出电压； Ch4=绿色：输出电流； 数学运算=红色：Ch1*Ch4）在图3中，用
5、输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值为6.86W，而不是用平均电压与平均电流计算得到的6.37W，二者相差0.49W，正好补上了输入端增加的0.56W。新的效率应该是 = 6.37/8.10 =84.7%。因此效率是没有下降的。为什么在无电解电容（采用陶瓷电容）方案中，输出功率的计算会有如此的不同？原因在于陶瓷电容的容值较小，导致输出电流的纹波巨大，电流的最低值甚至已经触底为零值了。此时，输出电流的纹波已经大于其直流平均值了，也即是输出电流已经是一个交流电流了。再采用平均电流来计算输出功率就不合适了。正确的输出功率计算方法是：Po = Vo_rms * Io_rms * PF。式中
6、Vo_rms和Io_rms分别为输出电压和电流的均方根值，PF为功率因子。图4是输出为陶瓷电容时，输出电压及电流的波形及均方根值。与图3比较可以发现，对于交流电流来说，平均值与均方根值不再相等了。图4、输出采用陶瓷电容（22？F X 2）时的电流、电压波形。（print）（Ch1=蓝色：输出电压； Ch4=绿色：输出电流； 数学运算=红色：Ch1*Ch4）但是功率因子PF不太容易测量，用上述的公式在操作上有一定的难度，而采用瞬时功率（瞬时电压乘以瞬时电流）的平均值来计算输出功率就比较容易，这个操作可以在示波器上很容易地实现。在用电解电容的方案中，由于电解电容的容值比较大，输出电流的直流值远大于
7、纹波值，其平均值与均方根值基本相等，用平均电流来计算输出功率就不会引入太大的误差。半导体照明这一新兴领域的出现，使同时专长于电力电子学、光学和热管理学（机械工程）这三个领域的工程师成为抢手人才。目前，在三个领域都富有经验的工程师并不很多，而这通常意味着系统工程师或者整体产品工程师的背景要和这三大领域相关，同时他们还需尽可能与其他领域的工程师协作。系统工程师常常会把自己在原有领域养成的习惯或积累的经验带入设计工作中，这和一个主要研究数字系统的电子工程师转去解决电源管理问题时所遇到的情况相似：他们可能依靠单纯的仿真，不在试验台上对电源做测试就直接在电路板上布线，因为他们没有认识到：开关稳压器需要仔
8、细检查电路板布局；另外，如果没有经过试验台测试，实际的工作情况很难与仿真一致。在设计LED灯具的过程中，当系统架构工程师是位电子电力专家，或者电源设计被承包给一家工程公司时，一些标准电源设计中常见的习惯就会出现在LED驱动器设计中。一些习惯是很有用的，因为LED驱动器在很多方面与传统的恒压源非常相似。这两类电路都工作在较宽的输入电压范围和较大的输出功率下，另外，这两类电路都面对连接到交流电源、直流稳压电源轨还是电池上等不同连接方式所带来的挑战。 电力电子工程师习惯于总想确保输出电压或电流的高精确度，但这对LED驱动器设计而言并不是很好的习惯。诸如FPGA和DSP之类的数字负载需要更低的核心电压
9、，而这又要求更严格的控制，以防止出现较高的误码率。因此，数字电源轨的公差通常会控制在1%以内或比它们的标称值小，也可用其绝对数值表示，如 0.99V至1.01V。在将传统电源的设计习惯引入LED驱动器设计领域时，通常带来的问题是：为了实现对输出电流公差的严格控制，将浪费更多的电力并使用更昂贵的器件，或者二者兼而有之。成本压力 理想的电源是成本不高，效率能达到100%，并且不占用空间。电力电子工程师习惯了从客户那里听取意见，他们也会尽最大力量去满足那些要求，力图在最小的空间和预算范围内进行系统设计。在进行LED驱动器设计时也不例外，事实上它面对更大的预算压力，因为传统的照明技术已经完全实现了商品
10、化，其价格已经非常低廉。所以，花好预算下的每一分钱都非常重要，这也是一些电力电子设计师工程师被老习惯“引入歧途”的地方。 要将LED电流的精确度控制到与数字负载的供电电压的精度相同，则会既浪费电，又浪费成本。100mA到1A是当前大多数产品的电流范围，特别是目前 350mA（或者更确切地说，光电半导体结的电流密度为350mA/mm2）是热管理和照明效率间常采纳的折衷方案。控制LED驱动器的集成电路是硅基的，所以在1.25 V的范围内有一个典型的带隙。要在1.25V处达到1%的容差，亦即需要12.5mV的电压范围。这并不难实现，能达到这种容差或更好容差范围的低价电压参考电路或电源控制IC种类繁多
11、，价格低廉。当控制输出电压时，可在极低功率下使用高精度电阻来反馈输出电压（如图1a所示）。为控制输出电流，需要对反馈方式做出一些调整，如图1b所示。这是目前控制输出电流的唯一且最简单的手段。图1a：电压反馈; 图1b：电流反馈 深入研究之后，就会发现这种做法的一个主要缺点是：负载和反馈电路二者是完全相同的。参考电压被加在与LED串联的一个电阻上，这意味着参考电压或LED 电流越高，电阻消耗的功率越大。所以，第一代专用LED驱动集成电路的参考电压要远低于现在的产品，这类似于电池充电器。电压更低意味着功耗更低，也意味着更小、更便宜、更低损耗的电流检测电阻。在图1b所示的简单的低端反馈环境下，200
12、mV是常规的电压选择。但是，要在200mV参考电压下实现1% 的容差，则需要一个价格很高的集成电路，此时相对于标称参考电压的容差为2mV。尽管这并不是不可能实现的，不过更高的精度需要更高的成本。2mV的容差需要高精度电压参考所需的生产、测试和分档技术，此时，附加成本应花费在更智能的LED驱动器上。新的费用的价值是增加了一个反馈回路，借助该回路，可以利用光输出（而非电流输出）来控制如何驱动LED。测量光输出 就像数字产品设计师在电源设计中遇到不确定问题时会采取仿真解决问题那样，电力电子工程师出身的系统架构师在进行LED灯具设计时会想到高精度的输出。 LED制造商已经清楚的表明，光通量与前向电流成
13、正比。利用相同的电流驱动所有LED，那么每个LED会产生相同的光通量。因此，电力电子工程师就会得出结论：高精确度的电流是必须的。这样一来，他们就忘记了光输出的流明和勒克斯值（而不是安培值）才是重点。测量电流是很容易的，而相对的，测量光则需要昂贵的大型设备，如图2所示的积分球，而大部分电子工程师对积分球都不太了解。 图2：光学积分球截面图 另外，即使容差为0.1%的电流源（其价格会相当高）有巨大的市场价值，它对在实际光输出中产生严格的容差值上没有什么作用。通过观察LED 光通量的分档可以确定这一点。表1给出了世界三大顶级电力光电半导体制造商的高端冷白光LED在350mA和25？C条件下的光通量分
14、档结果。注意最后一列是各分档的容差平均值，而不是所有光通量分档范围内的容差。 表1 世界三大顶级电力光电半导体制造商的高端冷白光LED在350 mA和25？C下的光通量分档结果。计算光输出精度 了解到来自单个通量分档的LED光输出会有3%到10%的容差之后，系统工程师可能会因此得出结论：驱动电流容差值必须是越严格越好。然而从统计学角度来看，该观点并不正确。一个常见的但不正确的假设是：任何值的整体容差都等于最坏条件下各值的简单累加。为LED供电的电流源的容差和LED 光通量的容差是互不相关的 - 它们在最初阶段就已相互独立。对于不相关的两个因子X和Y，整体容差Z并不是X和Y的容差之和，而是应该利用下述表达式进行计算： 表2和图3给出了整体容差和假设电流源容差的对比情况，此时假设LED光输出在350mA的区域内随前向电流呈线性变化。 图3：整体容差和假设电流源容差的对比情况。 根据方程（1）可以发现，最低容差因子的作用大于其他，而且实际的整体容差值要远优于各个因子在最坏情况下的容差和，尤其是当其中一个因子远好于其他因子时。由图3可知，电流源容差的最合理目标是将其控制在LED光输出的容差范围内。请记住：出于成本考虑，许多灯具会使用来自不同分档的LED。表3列出了相同LED所具有的最高两档、三档、四档光通量分档下的容差值。 表3 相同LED所具有的最高两档、三档
