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(lái)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(lái)，使用一個(gè)電源將線(xiàn)電壓轉換為低電壓(通常為數十伏)，這時(shí)的電流約為350到700mA。在確定如何最好地讓用戶(hù)同線(xiàn)電壓隔離的過(guò)程中，我們需要深思熟慮、權衡利弊。我們可以在電源中實(shí)現隔離，也可以在LED安裝過(guò)程中進(jìn)行這種隔離。在一些低功耗設計中，LED物理隔離是一種常用方法，因為它允許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(zhù)實(shí)現用戶(hù)高壓保護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，從而對封裝構成了挑戰。另外，電源被隱埋到封裝內部，從而阻礙了散熱，影響了效率。

　　圖2降壓調節器實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的離線(xiàn)LED驅動(dòng)器

　　圖2顯示了一個(gè)通過(guò)120伏AC電源為L(cháng)ED供電的非隔離式電路。它包含一個(gè)為降壓功率級供電的整流橋。該降壓調節器是一個(gè)“倒置版”，其電源開(kāi)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(kāi)關(guān)導通期間，通過(guò)一個(gè)源電阻對電流進(jìn)行調節。盡管這樣做的效率相當高(80%-90%)，但是這種電路存在幾個(gè)限制效率的缺點(diǎn)。導通時(shí)，電源開(kāi)關(guān)必須承載全部輸出電流，而在電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，輸出電流流過(guò)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(gè)壓降都很大，并且會(huì )對電源效率構成限制。更為重要的是，這些損耗會(huì )促進(jìn)燈泡溫升。LED的發(fā)光能力會(huì )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(shí)間超出了50000小時(shí)，而在80oC條件下，這一時(shí)間僅為30000小時(shí)。由于燈泡都安裝在一些“筒”中，而這些“筒”往往會(huì )阻礙散熱，不利于對流冷卻，因此發(fā)熱問(wèn)題被進(jìn)一步復雜化。

　　圖3利用升壓電源提高LED驅動(dòng)器效率

　　LED制造廠(chǎng)商通過(guò)將數支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(lái)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(gè)穩流電阻器，從而實(shí)現更低成本的電源方法。盡管這種電源可以產(chǎn)生相當好的功率因數，但效率很低，原因是輸入電壓的很大一部分都被用在了穩流電阻器上，導致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用中。然而，在一些高功耗應用中，低效率讓其無(wú)用武之地。圖3顯示了另一種替代方法：其使用一個(gè)升壓電源。該電路的大部分都與上述方法相同。但是，開(kāi)關(guān)、二極管和電流檢測損耗要小得多，帶來(lái)高達90%到95%的效率。另外，該電路還擁有97%的良好功率因數。

　　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，因為其蓄能要求更低。相比升壓電源，降壓電源有一個(gè)更大的電阻器。該電阻器為一個(gè)仿真負載電阻器(圖2所示R20)，用于決定調光器何時(shí)開(kāi)啟硅控整流器(SCR)。需要這樣做的原因是，調光器在三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件旁邊有一個(gè)電磁干擾(EMI)抑制電容器，其在無(wú)負載情況下的電壓相對電源要高。這樣便擾亂了電源，導致出現不穩定調光。使用升壓電源時(shí)卻不需要這樣做，因為L(cháng)ED通過(guò)升壓電感器連接至輸入，為其提供足夠負載，因此上述問(wèn)題便不是問(wèn)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(guò)使用升壓電源替代降壓電源，從而提高電源效率來(lái)實(shí)現的。升壓電源的損耗約為降壓調節器的一半。另外，升壓電源的組件更少，功率因數更好，體積更小，并且利用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件實(shí)現調光更容易。