無電解電容的LED驅動方案

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驅動解決方案。

圖1 基于MT7920的隔離LED驅動方案

　　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。從而實現了完全無電解電容。

　　當輸出電容C8、C9采用470uF電解電容，驅動6顆LED時，測量結果如下：

　　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）

　　輸出電流Io=327mA（萬用表讀數）

　　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，驅動6顆LED時，測量結果如下：

　　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）

　　輸出電流Io=334mA（萬用表讀數）

　　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觸底為零值了。

　　此時，輸出電流的紋波已經大于其直流平均值了，也即是輸出電流已經是一個交流電流了。

　　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，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。

　　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；數學運算=紅色：Ch1*Ch4）