無電解電容的LED驅(qū)動方案
LED燈珠作為一個半導體器件,其壽命長達50,000小時以上。而led照明驅(qū)動方案中普遍用到電解電容(ELectrolyticCapacitor),其壽命則僅為5,000~10,000小時,雖然一些知名品牌的電容可以獲得更長的壽命時間,如國巨電容。這樣電解電容的短壽命與LED燈珠的長壽命之間有一個巨大的差距,削弱了LED的優(yōu)勢。
因而無電解電容LED驅(qū)動解決方案就有很大的吸引力。圖1為基于MT7920的無電解電容LED驅(qū)動解決方案。
圖1 基于MT7920的隔離LED驅(qū)動方案
該方案中,在全橋堆之后,用容值較小的CBB高壓陶瓷電容或薄膜電容取代了高壓電解電容,去掉了電解電容,同時也提高了功率因子(PFC)。而輸出電容C8和C9可以用陶瓷電容替代電解電容。從而實現(xiàn)了完全無電解電容。
當輸出電容C8、C9采用470uF電解電容,驅(qū)動6顆LED時,測量結(jié)果如下:
輸入電壓Vin=220VAC,輸入功率Pin=7.54W
輸出電壓Vo=19.33V(萬用表讀數(shù))
輸出電流Io=327mA(萬用表讀數(shù))
輸出功率Po=Vo*Io=6.32W
效率η=6.32/7.54=83.8%
采用電解電容時的輸出電壓,電流的波形如圖2所示。從波形圖上可以看出,輸出電壓、電流均存在一定的紋波。這在單級PFC恒流驅(qū)動方案中不可避免的,加大輸出電容C8、C9,可以進一步減小輸出紋波。同時我們注意到示波器上電流、電壓的平均值與萬用表的讀數(shù)基本相同。也即是萬用表所測量到的直流電壓、電流值為平均值。
圖2 輸出采用電解電容(470uFX2)時的電流、電壓波形
(Ch1=藍色:輸出電壓;Ch4=綠色:輸出電流;數(shù)學運算=紅色:Ch1*Ch4)
進一步,在示波器上,用輸出電壓與輸出電流相乘所得的瞬時功率曲線的平均值6.34W也基本與用平均電壓與平均電流相乘所計算的功率相同。
當輸出電容C8、C9采用22uF陶瓷電容,驅(qū)動6顆LED時,測量結(jié)果如下:
輸入電壓Vin=220VAC,輸入功率Pin=8.10W
輸出電壓Vo=19.07V(萬用表讀數(shù))
輸出電流Io=334mA(萬用表讀數(shù))
輸出功率Po=Vo*Io=6.37W
效率η=6.37/8.10=78.6%
采用陶瓷電容時輸出電壓、電流的波形如圖3所示。
圖3 輸出采用陶瓷電容(22uFX2)時的電流、電壓波形
(Ch1=藍色:輸出電壓;Ch4=綠色:輸出電流;數(shù)學運算=紅色:Ch1*Ch4)
與用電解電容時相比,輸入功率增加了約0.56W(8.10W–7.54W),而輸出功率按萬用表讀數(shù)計算基本不變(6.37Wvs.6.32W),從而導致效率降低了5%。情況真的如此嗎?0.5W的功率跑哪里去了?
在圖3中,用輸出電壓與輸出電流相乘所得的瞬時功率曲線的平均值為6.86W,而不是用平均電壓與平均電流計算得到的6.37W,二者相差0.49W,正好補上了輸入端增加的0.56W。新的效率應(yīng)該是η=6.37/8.10=84.7%。因此效率是沒有下降的。
為什么在無電解電容(采用陶瓷電容)方案中,輸出功率的計算會有如此的不同?原因在于陶瓷電容的容值較小,導致輸出電流的紋波巨大,電流的最低值甚至已經(jīng)觸底為零值了。
此時,輸出電流的紋波已經(jīng)大于其直流平均值了,也即是輸出電流已經(jīng)是一個交流電流了。
再采用平均電流來計算輸出功率就不合適了。正確的輸出功率計算方法是:
Po=Vo_rms*Io_rms*PF
式中Vo_rms和Io_rms分別為輸出電壓和電流的均方根值,PF為功率因子。圖4是輸出為陶瓷電容時,輸出電壓及電流的波形及均方根值。與圖3比較,我們可以發(fā)現(xiàn),對于交流電流來說,平均值與均方根值不再相等了。
但是功率因子PF不太容易測量,用上述的公式在操作上有一定的難度,我們用瞬時功率(瞬時電壓乘以瞬時電流)的平均值來計算輸出功率就比較容易了,這個操作可以在示波器上很容易實現(xiàn)。
在用電解電容的方案中,由于電解電容的容值比較大,輸出電流的直流值遠大于紋波值,其平均值與均方根值基本相等,用平均電流來計算輸出功率就不會引入太大的誤差。
圖4 輸出采用陶瓷電容(22uFX2)時的電流、電壓波形
(Ch1=藍色:輸出電壓;Ch4=綠色:輸出電流;數(shù)學運算=紅色:Ch1*Ch4)
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