LED球泡燈內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電源分析

　　隨著LED的發(fā)展以及節(jié)能減排的國(guó)際大勢(shì)，LED燈具及光源向民用市場(chǎng)大規(guī)模進(jìn)軍。而作為民用光源里面最為普遍的白熾燈，歐洲已經(jīng)在2012年禁止白熾燈生產(chǎn)和銷售，美洲在2014年也禁止了40W及其以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售，中國(guó)已于2012年10月禁止了100W以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售，同時(shí)將會(huì)在 2014年10月1日禁止60W及以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售，將于2016年10月1日禁止15W及以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售。

　　在這大勢(shì)下，作為白熾燈的直接替代光源，LED球泡燈的用量將得到巨大的提升。其品質(zhì)也會(huì)參差不齊。作為L(zhǎng)ED球泡燈內(nèi)部不可或缺的驅(qū)動(dòng)電源，其品質(zhì)很大程度上決定了一個(gè)球泡燈的安全與否及品質(zhì)好壞。

　　驅(qū)動(dòng)電源基本分為非隔離驅(qū)動(dòng)及隔離驅(qū)動(dòng)兩大類：

　　一、非隔離驅(qū)動(dòng)

　　非隔離驅(qū)動(dòng)（non­-isolated power）是指在輸入端和負(fù)載端之間沒(méi)有通過(guò)變壓器進(jìn)行電氣隔離，而又直接連接，輸入端和負(fù)載端共地，因此觸摸負(fù)載就有觸電的危險(xiǎn)。目前用得最多的是非 隔離直接降壓型驅(qū)動(dòng)。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(jìn)行降壓和恒流控制，非隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、簡(jiǎn)單、體積 小、效率高。

　　當(dāng)非隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí)，使用鋁材（金屬）外殼無(wú)法做到安全性的標(biāo)準(zhǔn)（輸入對(duì)外殼要求耐壓4KV），故而外殼必須采用絕緣材料加工，通常有 塑料、導(dǎo)熱塑料、塑包鋁等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而采用導(dǎo)熱塑料或者塑包鋁的形式又使得LED球泡燈的成本增加，采用塑料加工成的外殼又無(wú)法有效的散熱。在這樣一 個(gè)LED競(jìng)爭(zhēng)激烈的大環(huán)境下，很大一部分商家為了追求利潤(rùn)及銷售額，無(wú)視安全因素制造大量非隔離金屬外殼的球泡燈，又或無(wú)視產(chǎn)品品質(zhì)制造大量塑殼球泡燈， 同時(shí)燈具的功率往往虛標(biāo)30%以上。

　　目前球泡燈上應(yīng)用最多的幾種非隔離驅(qū)動(dòng)如下：

　　1.電阻限流式

　　圖1.1

　　如圖1.1：電阻限流式驅(qū)動(dòng)，僅采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，通過(guò)限流電阻來(lái)限定LED的平均電流。該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到LED模塊（由多個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成）開(kāi)啟電壓前，LED不發(fā)光；電壓超過(guò)LED模塊的開(kāi)啟電壓后，通過(guò)LED的電流逐漸增加，表現(xiàn)形式為I=（U-Uon）/R，經(jīng)過(guò)LED的電流會(huì)隨著電壓的變化而變化。

　　如圖1.2所示（綠線表示橋堆輸出端電壓，紅線表示LED電流，藍(lán)線表示電阻R上的電壓），LED電流有間斷（頻率為100Hz），LED電流存在的時(shí)候也有大小變化，故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的頻閃現(xiàn)象。

　　如圖1.2所示，LED模組串聯(lián)個(gè)數(shù)較多（即開(kāi)啟電壓需求較高）、限流電阻較小時(shí)，LED電流斷續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頻閃效果明顯，但是電阻上消耗的能量較小（紅線電流與藍(lán)線電壓的積分），即效率相對(duì)較高。

　　如圖1.3所示，LED模組串聯(lián)個(gè)數(shù)較少（即開(kāi)啟電壓需求較低）、限流電阻較大時(shí)，LED電流斷續(xù)時(shí)間短，頻閃效果較不明顯，但是電阻上消耗的能量較大，效率相對(duì)很低。

　　電阻限流式非隔離驅(qū)動(dòng)，在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU2/R，因此功率極其不穩(wěn)定，造成照明亮度變化明顯，而且功率隨著電壓波動(dòng)的平方變化，使得燈具非常容易長(zhǎng)時(shí)間在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度下工作，壽命減短。

　　該驅(qū)動(dòng)方案由于負(fù)載主要呈現(xiàn)為阻態(tài)，電壓過(guò)零的時(shí)候不存在電流，故而功率因數(shù)較高接近1，不過(guò)由于限流電阻的存在其效率很差通常只有 30%~65%的效率，但是由于該方案成本非常低廉，導(dǎo)致很多生產(chǎn)商生產(chǎn)該類產(chǎn)品，LED球泡燈的品質(zhì)很難得到保證，其安全性也難以得到保證。

　　圖1.2

　　圖1.3

　　2.恒流二極管限流

　　圖2.1

　　如圖2.1：恒流二極管驅(qū)動(dòng)，采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，通過(guò)恒流二極管來(lái)限定LED的電 流。該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到LED模塊（由多個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成）開(kāi)啟電壓前，LED不發(fā)光；電壓超過(guò)LED模塊的開(kāi)啟電壓后，通過(guò)LED的電流由恒流二極 管限定，表現(xiàn)為恒定電流狀態(tài)。橋堆后面的電容是平衡效率及功率因數(shù)用的。

　　不加橋堆后的電解電容，如圖2.2所示（綠線表示橋堆輸出端電壓，紅線表示LED電流，藍(lán)線表示恒流二極管CCD上的電壓），LED電流有間斷 （頻率為100Hz），但是LED電流存在的時(shí)候表現(xiàn)為恒流狀態(tài)，故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象，同樣，由于恒流二極管限定了通過(guò)的電流，其兩端必定 會(huì)承載超出LED工作電壓的那部分電壓，因此效率較低，通常在70%左右，但是其電流基本跟隨電壓波形，功率因數(shù)較高，可較容易做到0.9以上。

　　加上橋堆后的電解電容，如圖2.3所示，LED電流連續(xù)且恒定，因此在電容量足夠大的前提下該驅(qū)動(dòng)方案就表現(xiàn)為無(wú)頻閃，而且，由于電解電容將橋 堆后的電壓波動(dòng)降低了，因此LED模組的電壓的設(shè)定可以充分的接近橋堆后輸出電壓，使得恒流二極管不用承載過(guò)多的電壓，提高驅(qū)動(dòng)效率，通?？商嵘?5% 左右，但是其電流恒定，在輸入電壓過(guò)零的時(shí)候?qū)е麓罅康臒o(wú)功功率產(chǎn)生，功率因數(shù)較低，一般只有0.5~0.6。

　　恒流二極管實(shí)現(xiàn)的非隔離驅(qū)動(dòng)，在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU*I，因此功率浮動(dòng)與電壓波動(dòng)成正比，但是燈具照明效果相對(duì)穩(wěn)定，但是由于恒流二極管的價(jià)格始終較高，而且其電流驅(qū)動(dòng)能力只有幾十毫安，故而無(wú)法得到推廣應(yīng)用。

　　圖2.2

　　圖2.3

　　3.阻容降壓

　　圖3.1

　　如圖3.1：阻容降壓工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。例如，在50Hz的工頻條件下，一個(gè)1uF的電 容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA，但在電容器 上并不產(chǎn)生功耗，因?yàn)槿绻娙菔且粋€(gè)理想電容，則流過(guò)電容的電流為虛部電流，它所作的功為無(wú)功功率。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在其后面串聯(lián)一個(gè)LED模組，只要電流 設(shè)定正確，那么LED兩端的電壓也必定是額定狀態(tài)下的電壓。

　　因此該方案由于電容主要消耗無(wú)功功率，效率較高，但是其功率因數(shù)往往非常低，通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接決定了頻閃的顯著與否。

　　因?yàn)長(zhǎng)ED工作需要比較穩(wěn)定的直流環(huán)境，因此該方案常常采用橋式全波整流，但是全波整流產(chǎn)生浮置的地，并在零線和火線之間產(chǎn)生高壓，造成人體觸電傷害，是為比較危險(xiǎn)的一種驅(qū)動(dòng)。

　　電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，LED電流也會(huì)同比的跟隨變化，因此，其穩(wěn)定性也較差，而且由于電容壽命直接影響容值，使得容值變小，輸出電流也會(huì)隨之降低，使得LED球泡燈的光衰倍化加劇。

　　但是，由于其成本低廉，線路非常簡(jiǎn)單，而且對(duì)LED模塊的工作電壓的范圍幾乎沒(méi)有要求，通用性非常高，使得目前大部分廠家采用阻容降壓的方式作為中低功率的球泡燈驅(qū)動(dòng)。

　　4.線性驅(qū)動(dòng)

　　圖4.1

　　圖4.2

　　如圖4.1及4.2：線性驅(qū)動(dòng)，采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，然后通過(guò)線性恒流芯片根據(jù)當(dāng)前 狀態(tài)下的半正弦波電壓值來(lái)分段驅(qū)動(dòng)LED模塊，并且限定每一段LED的電流。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是電壓達(dá)到第一段LED模塊工作電壓時(shí)，第一段LED工作，電流限 定在紅線的第一個(gè)臺(tái)階處；電壓達(dá)到第一段LED模塊工作電壓與第二段工作電壓之和時(shí)，第一段LED和第二段LED同時(shí)工作，電流限定在紅線的第二個(gè)臺(tái)階 處；電壓達(dá)到三段LED模塊工作電壓總和時(shí)，三段LED同時(shí)工作，電流限定在紅線的第三個(gè)臺(tái)階處；該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到第一段LED模塊工作電壓 前，LED不發(fā)光，沒(méi)有損耗；電壓超過(guò)第一段LED模塊的工作電壓后，通過(guò)LED的電流由線性驅(qū)動(dòng)芯片限定，表現(xiàn)為恒定電流狀態(tài)，在達(dá)到后段LED工作電 壓前，超出的電壓將由芯片內(nèi)部的MOS吸收，該部分能量為損耗能量。通過(guò)合理的LED串聯(lián)分段，盡可能使得三段的工作電壓擬合正弦波，充分減小損耗，驅(qū)動(dòng)的效率可提升至90%以上

　　由于其驅(qū)動(dòng)特性是將LED模塊按照阻性負(fù)載的特性的模式驅(qū)動(dòng)，因此電流跟隨電壓波形，功率因數(shù)可達(dá)0.97以上，但LED電流有間斷（頻率為 100Hz），故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象，同時(shí)，在周期內(nèi)，LED亮度是分為6個(gè)亮度等級(jí)漸變的，可適當(dāng)緩解頻閃的效果。

　　同樣的，在橋堆后面加上電解電容，能通過(guò)降低功率因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)頻閃，在Cin足夠大，將電壓的波谷值拉升至所有LED工作電壓之上，頻閃現(xiàn)象就將完全消失，但是功率因數(shù)也會(huì)將至0.5左右。如圖4.3

　　圖4.3

　　在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)根據(jù)電壓的變化對(duì)電流稍作調(diào)整，使得整燈的功率維持不變，燈具的壽命充分得到保證，而且燈具亮度變化也不會(huì) 超過(guò)10%，肉眼幾乎無(wú)法辨別。由于其成本相對(duì)阻容方案要高，而且設(shè)計(jì)電路要求較高，通用性小，故而在市面上的球泡燈應(yīng)用中較為少見(jiàn)。

　　5.恒流芯片buck（NPFC）

　　圖5.1

　　如圖5.1：降壓型恒流驅(qū)動(dòng)，采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，通過(guò)橋堆后的電解電容將脈動(dòng)電壓 變換為振幅較小的直流電壓。通過(guò)采樣電阻來(lái)高頻驅(qū)動(dòng)恒流芯片內(nèi)部的MOS，達(dá)到控制電流的目的，電流值不受輸入電壓波動(dòng)而影響，恒流芯片的內(nèi)部MOS的開(kāi) 關(guān)頻率通常在幾十至幾百赫茲。

　　當(dāng)橋堆后的電解電容足夠大時(shí)，只需保證輸出端LED模塊的工作電壓小于電解電容輸出端波谷的電壓值時(shí)，可以完全消除100Hz的頻閃；而芯片內(nèi) 部的高頻開(kāi)關(guān)由于其頻率較高，外加LED模塊并聯(lián)的濾波電容及電感，使得頻閃效應(yīng)得到解決。當(dāng)然，如果橋堆后面的電容較小時(shí)，LED的工作電壓大于電容后 端輸出電壓，則100Hz頻閃依舊存在，其振幅與LED模塊的工作電壓和電容后端輸出電壓的波谷的差值有關(guān)，差值越大，振幅越大，頻閃效果越明顯。

　　由于大電容及后端開(kāi)頻的存在，該電路功率因數(shù)往往只有0.5左右，但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高達(dá)90%以上，恒流精度更是在5%甚至3%以內(nèi)，負(fù)載調(diào)整率也較高，因此大部分追求品質(zhì)的LED球泡燈生產(chǎn)商選用改方案。

　　也有不少商家為了節(jié)約恒流芯片的成本，在恒流芯片處通過(guò)采用被動(dòng)元器件（二極管，三極管，MOS）來(lái)控制恒流，通常這樣的方案在恒流精度以及開(kāi)路保護(hù)，短路保護(hù)方面做得就不夠好。

　　6.恒流芯片buck（填谷）

　　圖6.1

　　如圖6.1：由于降壓型恒流驅(qū)動(dòng)廣受好評(píng)，但是收到超過(guò)5W的照明燈具及光源的功率因數(shù)要求》0.7這個(gè)規(guī)范的約束，技術(shù)人員在降壓型恒 流驅(qū)動(dòng)的整流橋和整流電容之間設(shè)計(jì)了由3個(gè)二極管2個(gè)電容組成的3D2C式填谷電路，通過(guò)2個(gè)電容串聯(lián)方式充電及并聯(lián)方式放電的形式，提升功率因數(shù)，功率 因數(shù)可提升至0.8~0.9，使得降壓型恒流驅(qū)動(dòng)也滿足LED球泡燈在功率因數(shù)方面的要求。當(dāng)然成本會(huì)有一定程度的提升，電源體積也會(huì)相應(yīng)變大。

　　7.恒流芯片buck（APFC）

　　圖7.1

　　如圖7.1：APFC恒流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)芯片上檢測(cè)輸入電壓波形的引腳（此處是LN）控制輸出電流的波形，使其接近半正弦波，即當(dāng)輸入電壓過(guò)零點(diǎn) 時(shí)，MOS關(guān)斷，使輸入電流也變零，從而使得電流的包絡(luò)波形接近半正弦波，從而提升功率因數(shù)，功率因數(shù)通常可達(dá)0.95及以上；在輸入電壓不處于過(guò)零狀態(tài) 下，恒流芯片根據(jù)FB引腳出的反饋電壓進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制輸出電流，達(dá)到恒流的目的。

　　由于其輸入電流呈現(xiàn)半正弦波，導(dǎo)致其輸出電流也有100Hz的波動(dòng)，當(dāng)然其振幅由于輸出端濾波電容及電感的存在，會(huì)小很多，但是存在100Hz的頻閃是不爭(zhēng)的實(shí)事；當(dāng)然適當(dāng)?shù)募哟鬄V波電容會(huì)使得輸出電流紋波變小，改善頻閃效果。

　　二、隔離驅(qū)動(dòng)

　　隔離驅(qū)動(dòng)（isolated power）是指在輸入端和負(fù)載端之間通過(guò)隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離，使輸出端無(wú)法直接接觸高壓。因此觸摸負(fù)載就沒(méi)有觸電的危險(xiǎn)，隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是安全。

　　當(dāng)隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí)，其外殼可通過(guò)金屬、塑料、導(dǎo)熱塑料、塑包鋁等多種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們所要克服的就是隔離驅(qū)動(dòng)所帶來(lái)的體積大，效率較低，成本較高等缺點(diǎn)。

　　因此在整個(gè)LED球泡燈市場(chǎng)上，隔離電源使用的較少。

　　也有不少生產(chǎn)商對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)理解的不夠透徹，以為使用了隔離變壓器將輸入與輸出分隔開(kāi)就可以了，而忽略了爬電距離及電氣間隙等，這樣的方案完全不能算作隔離驅(qū)動(dòng)。

　　1.單級(jí)恒流（NPFC）

　　圖8.1

　　LED球泡燈上應(yīng)用的隔離單級(jí)恒流驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，與非隔離降壓型恒流驅(qū)動(dòng)主要差異體現(xiàn)在能量依靠隔離變壓器，在原邊將電能轉(zhuǎn)換為磁，又在副邊將磁再次轉(zhuǎn)化為電能，在提升安全性的同時(shí)，轉(zhuǎn)化效率降低了。其效率通常只有80%~85%。

　　該驅(qū)動(dòng)方式的功率因數(shù)由于沒(méi)有進(jìn)行校正，大約為0.5，當(dāng)然也可以在橋堆后面設(shè)計(jì)3D2C的填谷電路，將功率因數(shù)提升至0.8~0.9。

　　2.單級(jí)恒流（APFC）

　　圖9.1

　　LED球泡燈上應(yīng)用的隔離APFC單級(jí)恒流驅(qū)動(dòng)，與非隔離APFC恒流驅(qū)動(dòng)主要差異也是體現(xiàn)在能量依靠隔離變壓器，在原邊將電能轉(zhuǎn)換為磁，又在 副邊將磁再次轉(zhuǎn)化為電能，在提升安全性的同時(shí)，轉(zhuǎn)化效率降低了，其效率通常只有80%~85%。同樣不可避免的產(chǎn)生100Hz的頻閃，其頻閃深度可通過(guò)輸 出端的濾波電容控制。

　　3.二級(jí)恒流（PFC）

　　圖10.1

　　二級(jí)恒流隔離驅(qū)動(dòng)，在變壓器原邊通過(guò)APFC芯片U1將驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)提高，然后通過(guò)變壓器將電能傳遞到副邊，副邊的恒流芯片U2將輸出電流變化為恒流電流，其芯片工作頻率大多處于幾十K到幾百K赫茲的范圍。

　　該方式驅(qū)動(dòng)，功率因數(shù)一般都在0.95以上，而且無(wú)100Hz的頻閃。但是由于其線路復(fù)雜，成本較高，效率通常也只有80%~85%，幾乎沒(méi)有球泡燈驅(qū)動(dòng)應(yīng)用到這種驅(qū)動(dòng)方式。