電源設(shè)計(jì)小貼士 36：使用高壓 LED 提高燈泡效率

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(gè)電源將線電壓轉(zhuǎn)換為低電壓（通常為數(shù)十伏），這時(shí)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 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 1 燈泡替換使電源空間變得極小

圖 2 顯示了一個(gè)通過 120 伏 AC 電源為 LED 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(diào)節(jié)器是一個(gè)“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(gè)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(gè)限制效率的缺點(diǎn)。導(dǎo)通時(shí)，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(shí)，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(gè)壓降都很大，并且會(huì)對電源效率構(gòu)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)熱問題被進(jìn)一步復(fù)雜化。

圖 2 降壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的離線LED驅(qū)動(dòng)器

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(gè)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(gè)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 3 利用升壓電源提高 LED 驅(qū)動(dòng)器效率
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?。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(fù)載電阻器（圖 2 所示 R20），用于決定調(diào)光器何時(shí)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(gè)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(shí)卻不需要這樣做，因?yàn)?LED 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。

圖 4 升壓電源體積更小、效率更高

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。