4種LED日光燈驅(qū)動方案優(yōu)缺點分析

1、4種LED日光燈驅(qū)動方案優(yōu)缺點分析業(yè)內(nèi)人士都知道，LED日光燈將成為新一代節(jié)能環(huán)保照明燈，但是現(xiàn)在全國每年頂多生產(chǎn)幾十萬支LED日光燈，而且大部分是出口，國內(nèi)使用寥寥無幾，其實最主要的問題是價格問題，一個普通的節(jié)能熒光燈光十幾元錢就搞定了，而一根LED日光燈管得上百塊。所以目前的日光燈管主要是以商業(yè)照明為主。因為商業(yè)照明更多的會考慮到節(jié)能、環(huán)保、形象、政府方面支持等。但現(xiàn)在LED日光燈產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，有的連熒光燈的壽命都比不上，中看不中用，隨著用戶對LED日光燈產(chǎn)品認識越來越深，LED日光燈廠家還需要解決以下幾個問題：第一. 驅(qū)動電源的恒流驅(qū)動問題。目前大部分恒流源大都是總恒流（也就是多個并

2、聯(lián)燈串共用一個恒流源，因為LED燈珠之間阻值的差異性，所以每串燈的電流大小不同，任何一顆LED燈出現(xiàn)故障，都會影響其它燈串的電流，這樣電流大的那些燈串光衰更嚴重，其使用壽命也會大大減短。）第二. 散熱問題。這是LED日光燈管的使用壽命的核心問題之一。因目前各廠家大都跟風(fēng)采用內(nèi)置電源，以直接可以更換到熒光燈管支架上，這樣您的整個電源所散發(fā)的熱量和LED本身散發(fā)的熱量都在一個鋁外殼上散熱，并且都在日光燈管內(nèi)，這樣的熱量怎么處理？第三. 電源模塊中電解電容使用壽命問題？就算我們采用超長壽命電解電容，在高溫的情況下工作，它的壽命也無法與LED的壽命相平衡。但怎樣來提供良好的工作溫度，以達到最理想的使用

3、壽命？第四. 電源模塊的不穩(wěn)定性和產(chǎn)品安全性認證能否通過的問題？目前市場上大部分廠家采用的是高壓的非隔離方案，和高壓反擊式開關(guān)電源方案，因為內(nèi)置體積十分有限（要放進燈管內(nèi)），所以一般在設(shè)計時，很難把電源做到穩(wěn)定。并且目前各個國家對安全認證方面都比較嚴格，對于高電壓的電源供電的安全認證方面比較難通過。其實以上問題最要主要的根源還是在內(nèi)置電源所產(chǎn)生的！下面是一些專業(yè)人講述的內(nèi)置電源和外置電源設(shè)計的日光燈管的性能方面進行比較：LED日光燈的電源分為內(nèi)置式和外置式兩種。所謂內(nèi)置式就是指電源可以放在燈管內(nèi)部。這種內(nèi)置式的最大優(yōu)點就是可以做成直接替換現(xiàn)有的熒光燈管，而無需作任何改動。所以內(nèi)置式的形狀都是做

4、成長條形，以便塞進半圓形的燈管中去。下面先介紹兩種內(nèi)置式，非隔離型和隔離型。非隔離式恒流電源非隔離是指在負載端和輸入端有直接連接，因此觸摸負載就有觸電的危險。目前用得最多的是非隔離直接降壓型電源。也就是把交流電整流以后得到直流高壓，然后就直接用降壓(Buck)電路進行降壓和恒流控制。其電原理圖如下圖所示：圖1. 非隔離恒流源的電路原理圖這種非隔離式電源的主要技術(shù)特點：從18V到450V的寬電壓輸入范圍，恒流輸出;采用頻率抖動減少電磁干擾，利用隨機源來調(diào)制振蕩頻率，這樣可以擴展音頻能量譜，擴展后的能量譜可以有效減小帶內(nèi)電磁干擾，降低系統(tǒng)級設(shè)計難度;可用線性及PWM調(diào)光，支持上百個0.06W LE

5、D的驅(qū)動應(yīng)用，工作頻率25KHz-300KHz，可通過外部電阻來設(shè)定。非隔離恒流源的優(yōu)點是簡單、指標高，它的輸出電流可以按LED串并聯(lián)的個數(shù)決定。但是大多數(shù)情況下，它的輸出電流不能太大，輸出電壓也不能太高。例如264個小功率LED連接成22個串聯(lián)，12串并聯(lián)，每串20mA，一共240mA。體積也可以做得很小，通常是做成長條形的，以便放進T10或T8的管子里。假如每串的電流是30mA，12并就是360mA。在有些非隔離的電源中就無法實現(xiàn)，為了保持總電流240mA不變，就只能改成8串并聯(lián)。但假如LED的總數(shù)不變，就要求串聯(lián)的數(shù)目增加到33個。這時候總電壓就會增加到108.9V。但是通常這種非隔離恒

6、流源的允許的最高輸出電壓是80V。只能維持原來的22串，這樣LED的總數(shù)就只能是176顆，即使采用30mA，其總流明數(shù)有可能不能滿足要求。圖2. 非隔離降壓式恒流源的外形照片通常其效率大約在88-90%之間，功率因素大約在0.88-0.92之間。然而這種非隔離電源也有一些局限性，因為非隔離的電源會把交流電源的高壓引入到負載端，從而引起觸電的危險。通常LED和鋁散熱器之間的絕緣也就靠鋁基板的印制板的薄膜絕緣。雖然這個絕緣層可以耐2000V高壓，但有時螺絲孔的毛刺會產(chǎn)生所謂的爬電現(xiàn)象，使得難以通過CE認證。2.隔離式恒流電源 隔離式是指在輸入端和輸出端有隔離變壓器隔離，這種變壓器可能是工頻也可能是

7、高頻的。但都能把輸入和輸出隔離起來?？梢员苊庥|電的危險。這種隔離式的日光燈電源原理圖如圖3所示。下載 (23.63 KB)2010-11-18 21:41圖3. 隔離式LED日光燈電源原理圖這種隔離式LED日光燈電源外形照片如下圖所示下載 (11.73 KB)2010-11-18 21:42圖4隔離式LED日光燈電源的照片一般來說，由于加入了變壓器，所以隔離式電源的效率會有所降低，通常大約在88%左右。而且變壓器的體積也比較大。放進T10燈管還可以，但是放進T8的燈管就比較緊張。3.內(nèi)置式電源的優(yōu)點和代價內(nèi)置式電源的最大優(yōu)點就是能夠直接替換現(xiàn)有采用電感鎮(zhèn)流器的熒光燈，而不需要拆去任何東西。現(xiàn)有

8、熒光燈的電源分兩種，如圖5所示：下載 (23.57 KB)2010-11-18 21:42(b)電子鎮(zhèn)流器圖5. 熒光燈電源電路圖我們知道，最普通的熒光燈的起輝是采用一個串聯(lián)的鐵芯電感和一個并聯(lián)的起輝器(圖5a)。在直接替換時，只要拔掉起輝器就可以了。但是由于鐵芯電感仍然串聯(lián)在電路中，所以它仍然帶來將近6.4-10W的損耗，結(jié)果使得這部分的額外損耗大大降低了LED的節(jié)電功效。例如，本來一個18W的LED日光燈可以取代一個36W的熒光燈，不論采用上述非隔離式還是隔離式的電源，其效率至少為88%以上，那么其輸入功率為20.45W，現(xiàn)在還要加上這個額外的6.4W，使得輸入功率變成26.85W，其總效

9、率也就降低為67%，如果采用某些國產(chǎn)的鐵芯電感，其功耗高達10W，輸入功率就要變成30.45W，使得總效率只有59%。這就使LED的節(jié)電效能大打折扣。不僅如此，由于電源內(nèi)置，電源的熱量也就加入到管內(nèi)，假定電源的效率為88%，所以就有2.45W的熱量也要散去，假定LED本身的發(fā)光效率為30%，也就是有70%的電功率變成熱量，相當于12.6W的電功率變成熱量，現(xiàn)在還要再加上內(nèi)置電源的2.45W的熱量，相當于增加了20%的熱量。使得LED的散熱又增加的一份困難，或者說，使得LED的使用壽命也更加縮短。其實所增加的這部分熱量還不至于縮短太多的壽命(20%左右)，然而把電源放倒管子里面，電源本身就要承受

10、由LED產(chǎn)生的很高的環(huán)境溫度，這就大大降低了電解電容的壽命，也就降低了整個燈具的壽命。另外真正帶來的問題是使得散熱器的結(jié)構(gòu)不能最佳化。這個問題才是更為嚴重的問題，會使LED壽命降低數(shù)倍之多。這將在以后做詳細的解釋。假如原來采用的是電子鎮(zhèn)流器(圖5b)，那么直接替換所產(chǎn)生的問題就更麻煩了。因為這時候加在日光燈兩端的是一個高頻高壓。必須先用整流器變成直流高壓，再用降壓恒流源去驅(qū)動LED。這時候的效率將變成前面電子鎮(zhèn)流器的效率和后面的降壓恒流源效率的乘積，就可能連70%都不到。4.集中式外置電源為了得到最高的性能最好采用集中式外置電源。因為目前推廣LED日光燈的主要場所是政府機關(guān)、辦公室、商場、學(xué)校

11、、地下停車庫、地鐵等場所，往往一間房間采用不止一個日光燈，可能在10個以上。這時候就應(yīng)該采用集中式的外置電源。所謂集中式是指采用一個大功率的AC/DC開關(guān)電源，統(tǒng)一供電，而每個日光燈則采用單獨的DC/DC恒流模塊。這樣可以得到最高的效率和最大的功率因素。下載 (26.99 KB)2010-11-18 21:44圖5. 集中式外置電源現(xiàn)在大功率的AC/DC開關(guān)電源的效率很容易做到95%,功率因素可以做到0.995。而降壓式的DC/DC恒流源的效率也很容易做到98%。這樣總效率可以做到93.1%。這時的性能可以做到最高。以20W LED燈管為例，假如采用非隔離內(nèi)置式電源，直接用220V供電和外置式

12、集中供電比較，實測的結(jié)果如下。  集中式供電的優(yōu)點是顯而易見的。而且，它還是一種隔離式電源，在燈管處沒有220V高壓，只有低于36VDC的直流低壓，也是符合安全使用的條件。  另外，這種結(jié)構(gòu)也很容易實現(xiàn)各種調(diào)光方案，例如手動調(diào)光，光敏調(diào)光，只要把調(diào)光控制信號送到各個DC/DC恒流模塊就能實現(xiàn)。其具體的方框圖如圖6圖7所示。下載 (25.71 KB)2010-11-18 21:45圖6. 手動調(diào)光日光燈方框圖下載 (23.85 KB)2010-11-18 21:46圖7. 光敏調(diào)光日光燈的方框圖五.結(jié)構(gòu)按說，LED日光燈既然稱為日光燈那么它的結(jié)構(gòu)一定就是熒

13、光燈的模樣，連長短、粗細也都一樣，甚至稱呼也是T10、T8、T5，也都一樣，也就沒有什么可以討論的了。其實則不然。LED日光燈在這方面走了很多彎路，是值得大書特書的。1. 全塑燈管，早期的LED日光燈采用的是全塑燈管，因為主要采用非隔離式電源，為了避免觸電問題，所以更希望采用全塑燈管。里面采用的是5的草帽管LED。但是很快就證明了這種日光燈的光衰很嚴重，壽命非常短，不到1000小時就壞了。這才發(fā)現(xiàn)，最大的問題是散熱問題。由于把熱量全部封死在管內(nèi)，根本無法散出去，再加上草帽管本來壽命就短，當然不可能長壽命。2. 半塑半鋁管，在發(fā)現(xiàn)了散熱問題以后，就想到采用半塑半鋁的方案(圖8)。下載 (18.5

14、3 KB)2010-11-18 21:47圖8. 半塑半鋁燈管在需要透光的那一半采用塑料，在不需要透光而需要散熱的那一半就采用鋁合金。電源當然是放在鋁管里面。看來問題似乎是解決了。然而因為LED日光燈的功率通常在20W左右，它的發(fā)熱量還是相當大的。半根鋁管并不能解決它的散熱問題。所以又提出另一種散熱的鋁管結(jié)構(gòu)。它把電源放到管外，從而可以把半邊鋁殼完全做成散熱器。扇骨形鋁管采用扇骨形狀的散熱結(jié)構(gòu)，大大增加了散熱器面積。相對于半圓形的鋁管來說，它的散熱面積至少增大了3倍以上。再加上電源不放在管內(nèi)，又可以減少熱量，這就大大延長了LED的壽命。下載 (12.08 KB)2010-11-18 21:48

15、(a)普通半鋁半塑管下載 (12.13 KB)2010-11-18 21:49扇骨形鋁管(圖9)六.壽命我們知道小功率LED指示燈的壽命是非常之長，只是當LED作為照明器件以來，LED的壽命問題才被提出來。其實LED的壽命完全取決于它的結(jié)溫。只要結(jié)溫夠低，LED的壽命提高到十萬小時以上是沒有問題的。但是由于LED本身的發(fā)光效率目前還是比較低，大約還有70%的輸入功率要轉(zhuǎn)化為熱能，如果這些熱不能很好地散發(fā)出去，LED的結(jié)溫就會升高，于是LED的壽命就會隨之降低。所以延長LED壽命的根本辦法就是改進其散熱。改進散熱要從LED本身做起。前面提到的3014，就是靠增加底板金屬面積二改善了散熱，使其熱阻

16、降低到只有51°C/W.。只要散熱器做得足夠好，可以保證接腳溫度在60°C以下，那么其壽命可以保證在5萬小時以上。我們實測的結(jié)果也證明了這點，在25度室溫下，我們測得鋁散熱器的表面溫度為35度左右，如果在45度環(huán)境溫度時，那么散熱器表面溫度就應(yīng)當是55度，因為采用了扇骨形鋁塑管，鋁基板和鋁散熱器的熱阻大約50°C/W。所以到LED底板溫度大約是60度。因此可以保證其壽命為5萬小時以上。根據(jù)以上的分析：以下就來講述一下一個成功的LED日光燈商業(yè)照明解決方案！目前由臺灣數(shù)能科技專門針對LED日光燈商業(yè)照明上的難題，開發(fā)了一款高精度恒流驅(qū)動芯片NU501，解決了這個難題

17、，下面是具體的解決方案說明：LED日光燈商業(yè)照明解決方案的設(shè)計理念就是給LED一個適應(yīng)的工作環(huán)境，充分發(fā)揮它本身的節(jié)能、環(huán)保、壽命長等特性。一、輸出驅(qū)動電壓選擇外置式集中供電電源電源模塊采用外置天關(guān)48V或36V穩(wěn)壓供電（20W以內(nèi)市電驅(qū)動時48V左右比較合適；較大的功率市電驅(qū)動輸出電壓36V左右最合適），另外在每并聯(lián)燈串上串聯(lián)一個NU501芯片，實現(xiàn)每路LED燈串電流恒流（也就是路路恒流的概念）。特點：基于串并聯(lián)安全考慮出負載合適的驅(qū)動電壓值,盡量統(tǒng)一電壓值減小電源設(shè)計規(guī)格成本；基于安規(guī)規(guī)定，產(chǎn)品設(shè)計要符合認證要求,交流峰值超過42.4Vac或直流超過60Vdc的電壓；從解決LED照明市場大

18、規(guī)模上量的技術(shù)和品質(zhì)問題考慮。當輸出電壓在48V左右時，低壓差線性恒流器件恒流效率高達99%，恒流精度±3%以內(nèi)，不受任何外圍器件影響；當輸出電壓在36V左右時，低壓差線性恒流器件恒流效率高達98.6%，恒流精度±3%以內(nèi)，不受任何外圍器件影響； 就算在離線式照明部分，較低的電壓12V和24V，也分別有96%和98%的效率；功率大小效率是相等的。下載 (67.64 KB)2010-11-18 21:50圖9：36V直流穩(wěn)壓供電，NU501實現(xiàn)路路恒流電路圖下載 (16.29 KB)2010-11-18 21:51圖10：NU501路路恒流線路板實物圖特點：最高效的驅(qū)動恒流架構(gòu)；最高精度的恒流方式，受外圍器件影響最小；簡潔、方便、實用，可輕松實現(xiàn)調(diào)光！AC-DC設(shè)計方面開關(guān)電源發(fā)展到今天是多年積累的結(jié)果，短期內(nèi)AC-DC直接恒流不可突破；恒壓和恒流是矛和盾的關(guān)系，必須要分開考慮；恒流源負載調(diào)整率是1%（mA）/V，達不到恒流效果；想法越多成本越高，與風(fēng)險成正比。特點：要合理的利用現(xiàn)有的開關(guān)電源資源，是最經(jīng)濟的；恒壓和恒流技術(shù)結(jié)合是必然的 ；在穩(wěn)定的產(chǎn)品技術(shù)上創(chuàng)意才是有效的。與開關(guān)恒流方式比較二、散熱設(shè)計1、最短的熱傳到路徑，減小熱傳導(dǎo)阻力；2、增大相互傳導(dǎo)面積，增加熱傳到速度；3、合理的