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无电解电容LED光引擎的缺点和问题

无电解电容LED光引擎的缺点和问题

迄今为止,“光引擎”还没有一个非常严格而又确切的定义,以致不少读者还不知道到底什么是光引擎。有人把它定义为“LED光引擎(light engine)是指包含LED封装(组件)或LED数组(模块)、LED驱动器、以及其它亮度、热学、机械和电气组件的整体组合。该装置要通过一个与LED灯具匹配的常规连接器直接连接到分支电路,该LED灯具设计成不使用标准灯座。”这个定义看上去好像很完整,但是往往会使人困惑,因为它还包括了“其它亮度、热学、机械和电气组件”。
  其实可以非常简单地给光引擎下一个定义:那就是凡是把LED光源和LED驱动电源结合为一个模块的就可以称为光引擎。更通俗一点的可以这样来说,凡是把恒流驱动源放到LED铝基板上去就成为光引擎。
  有人把COB LED称为光引擎,显然是不对的!因为它没有集成恒流驱动源,没有“驱动”,怎么能够称为“引擎”?
  从电源的种类又可以分为直流光引擎和交流光引擎两大类。不过,当前由于室内灯具开始大量采用光引擎,所以我们更多关注交流市电的光引擎。
   那么是不是整个LED灯具也可以称为光引擎呢?当然不可以。正如整个汽车不能称为引擎一样,引擎是汽车的动力总成,但是不等于汽车,还要加上外壳才能成 为汽车。之所以需要有光引擎这样的产品,是因为所有的灯具有各式各样的外观。有些灯具甚至可以称为艺术品。就拿白炽灯来说,可以说它只有最简单的灯泡一种 形式,顶多再加上蜡烛灯或极小的圣诞灯。可是它的外形可是有各式各样的。尤其是水晶灯更是各式各样的工艺美术品,极其华丽。但是LED还必须加上极其复杂 的恒流驱动源才能相当于一个白炽灯一样工作(接上220V就可以亮)。如果把LED做成光引擎,它就也像白炽灯一样接上220V就可以亮(当然还需要有与 其相配的散热器)。这样一方面有助于标准化,另一方面也可以大大地便于外壳(和散热器)设计者发挥其所能。
  一. 采用光引擎的好处
   很多人认为推广光引擎的主要目的是为了标准化以增加其互换性。其实这种标准化并不应该只从光引擎着手,而是应该在统一散热器和光引擎之间的接口上着手。 就拿LED球泡灯来说,需要统一的基本上就是光引擎和散热器的尺寸,具体涉及到定位螺钉孔和散热器的定位螺钉孔的尺寸位置。即使是这么具体的问题,也还有 很多难处。因为它是和瓦数和散热器的散热能力都有关系。所以推广光引擎不能只从互换性的好处来着眼。
  可以说推广光引擎的最大好处有以下几个方面。
  1. 降低 LED照明灯具厂家研发费用,缩短产品生产周期
   因为所有LED灯具的光学和电气指标都由光引擎生产厂家制定了。甚至还推荐了相应的散热器。灯具厂家只要把光引擎安装到散热器里面去就可以了。灯具厂商 甚至不需要经验丰富的光学、电子工程师,也不需要购买昂贵的光学和电子仪器设备。换句话说,光引擎可以大大降低LED灯具厂的准入门限,但却不会因此而降 低LED灯具的产品质量。当然这要求光引擎的生产厂家本身就要有极高的水平才行。
  2. 推广光引擎可以大大加速LED灯具的推广
   最近几年随着白炽灯的禁产,LED灯具即将迎来爆炸式的增长。LED灯具厂如雨后春笋般的大量涌出。这虽然是一种必然趋势,但是也带来了很多问题,尤其 是表现在LED灯具的质量上的良莠不齐和各个厂商之间的无序的价格战。LED光引擎的出现可以在很大程度上解决这类问题。因为质量是由几家生产光引擎的大 厂决定,价格也不可能有太大的出入。这就大大地减少了由无序竞争而引起的内耗。有助于LED灯具产业的高速发展。
3. 提升了LED灯具的整体性能
  例如提高了整体光效(lm/W),这里是指包括电源效率在内的整体光效,当然对于整灯来说也还应当包括灯罩的透光率(不过这不是由生产光引擎的公司负责,而是由生产散热器的公司负责)。也可以提高色温,显色指数等指标。
  4. 降低了成本
  至少可以省去了恒流驱动源的印制板,及其生产成本。
  目前来说,最简单而最重要的就是用于LED球泡灯的光引擎。下面我们就来看一下这种光引擎的构成。
  二. LED球泡灯的光引擎
  对于球泡灯来说,它的构成已经是非常接近标准化的了。它主要是由三大部分构成:LED光源、恒流驱动电源、散热器和外壳(包括灯头和灯罩)。
  所以如果就拿LED球泡灯来说,如果要做成光引擎就必须把它的电源板和LED板合成为一块板,可以看出其难度是很大的。
  一. 开关电源不适合做光引擎
  开关电源虽然性能比较好,效率也比较高,但是最大的缺点就是元件数目非常多,要和LED灯板集成在一起有很大难度。
  二. 线性电源可以减少元件数但效率过低
   为了减少元件数,最简单的方法是改用线性电源,通常线性电源只有5-6个元件,这样就可以大大减小所占用的面积。目前市面上的光引擎大多数都是采用无电 解电容的线性恒流源,无电解电容方案是美国ExClara公司于2011年8月提出来的,以后有6-7家公司模仿他们的思路开发出类似的芯片。它的基本原 理就是在输入交流电压波形的不同值时接入以不同恒流值驱动的LED串,以得到和交流整流以后半个正弦波形相匹配的电流波形,从而可以得到接近于1的功率因 数。这个可以从这种芯片的内部结构图和波形图来理解。
  它的电流和电压波形如图4所示。由图中可以看出,当交流电压上升至某一值时第一个 开关接通,第一串LED导通,同时选用第一个恒流源;继续上升至更高值时第一个开关断开,第二个开关接通,第一串连同第二串LED以更高电流的第二个恒流 源导通,以此类推,最后一串导通时间最短,但导通电流最大(最后一个恒流源)。从而形成一个接近于电压波形(半个正弦波)的电流波形,从而得到最高的功率 因数。但是也带来一系列的缺点和问题。
  下面就是几种采用无电解电容线性恒流源的光引擎。
   这些都是无电解电容的线性恒流源的方案,达鑫的DS6622采用了一个桥堆一个压敏电阻,3个电阻一个电容和两颗IC(DS6622),一共8个元件, 只占据了10%左右的面积。这种光引擎从占用面积来看,是一种可行的方案。然而它的缺点是和所有普通的线性电源一样,按照ExClara给出的数据,当输 入市电电压变化+/-10%时,其效率为84%-93%。而且还只允许市电电压变化小于20%范围内和LED电压也必须在设计值的10%范围内,否则效率 会变得十分低下。
  由图中可以看出,在输入电压为200V时,其效率约为96%,而输入电压为245V时其效率约为80%。平均值约为 88%,和220V时的效率相当。如果用190V时效率为100%(不可能!),260V时效率为70%,那么平均值为85%。归纳起来这种无电解电容方 案的缺点和问题如下:
  1. 效率低下,约为88%左右。
  2. LED不是直流驱动,而是时通时断,所以LED利用率低,最后一串LED的高脉冲电流也会影响其寿命。
  3. 整体发光效率要比有电解电容低15%左右。
  4. 电流波形接近半个正弦波,所以会有100Hz的闪烁。无法用于数码相机照相和安保系统中。
  三. 电源和灯板合并会引起严重的散热问题
   采用普通的线性恒流源是不是一种可行的光引擎方案呢?不是如此。虽然它解决了占用空间的问题,但是除了上面已经提到的缺点以外还有一个不能忽略的缺点, 那就是散热问题。虽然不管电源放在哪里,它的热量总归是要通过散热器散到空间,但是当电源和灯板放在一起的时候,电源所消耗的功率会变成热量而直接加到灯 板上,就会增加灯板所需散去的热量,这就会增高LED的结温,降低其寿命。而且线性恒流源最大的缺点就是效率极其低下。所以这是一个极为严重的问题。
  下面举一个例子来说明这个问题。
   假定一个10W的LED球泡灯,就是说其灯板上有9W的LED。或者说它需要9W的供电。采用无电解电容方案以后它的效率为84%-93%,平均值为 88.5%。也就是它在供给8.85W的功率给LED灯板时,本身要消耗11.5%的功率,也就是消耗了1.15W的功率。那么如果这个电源也安装到灯板 上去,势必要增加灯板的热量,但是灯板增加了不止11.5%的热量!为什么?
因为8.85W的LED并 不是这8.85W全部变成了热,而是有一部分变成了光发出去。当前的LED的发光效率在30%左右。假定发光效率为40%,那么有60%的能量都变成了热 量,也就是有5.4W的热量需要散发出去。现在又增加了1.15W,变成6.55W。也就是增加了21.3%的热量。虽然本来的散热器也需要把这部分热量 散发出去,但是现在把这部分热加到了LED灯板。因为电源是放在灯板的电路面,而电路面要传到散热器需要通过两个绝缘介质,一个是印制板的绝缘介质,另一 个是铝基板和散热器之间的绝缘介质,所以电路面的温度和散热器的温度是不同的,而LED是放在铝基板的电路面的。也就是说由于电源放到了电路面就会使铝基 板的电路面热量增加了21.3%,这会导致LED的结温也升高21.3%。而结温增加对寿命的影响到底有多大呢?。
  这个曲线是以光衰至 70%作为  寿命的标志,假如原来的LED结温是85度,其70%光衰的寿命是3.1万小时。现在结温升高了21.3%,也就是升高到100度左右,它的寿命就从 3.1万小时降低到1.5万小时,也就是降低了16,000小时。所以这种温升对寿命的影响是相当严重的。如果本来声称寿命可以高达3万小时,现在实际的 寿命只有1.5万小时。也就是说,这种无电解电容方案的光引擎会严重降低LED的寿命。
  四. 闪烁效应
  100Hz的闪烁效应可以在采用数码相机照相时很明显地看出来。
  五. 首尔光引擎的实测结果
  首尔半导体公司生产了一种光引擎Acrich2,从它的电路图可以看出,它也是采用无电解电容方案的线性电源,其外形图如图9所示,电路图如图10所示。
  我们实测了它的参数:在220V时,其输入功率为4.489W,总光通量为297.7 lm,发光效率只有66.3 lm/W,显色指数为83.1,功率因数为0.975。可见其光效十分低下。而且随着输入电压的增高,其效率还会进一步降低。
   当输入电压从220V增加到255V时,输入功率增加1.2倍,而输出流明只增加1.1倍。也就是光效会降低1.1倍。根据Acrich2的数据表,它 的电源芯片的功率耗散为1W,而输入功率为4.5W,所以它的电源效率只有78%。而且这个1W的功率加到LED铝基板上,肯定会增加铝基板的热量,提高 LED结温,从而降低LED的寿命!它的唯一优点是功率因数高,但是由于它的功率小于5W,无论是美国的能源之星或是中国的国家标准都不要求功率因数。所 以这个优点也是多余的!
  六.结论
  目前几乎市面上所有的LED光引擎都是采用无电解电容的方案,这种方案不仅存在效率低,增加灯板的热量,降低LED的寿命,而且还存在有LED利用率低下,整体光效降低15%,而且还有100Hz的频闪!
  由此看来要想使LED光引擎能够成为现实的关键技术必须有极高效率的恒流驱动源,有了极高效率的恒流驱动源才有可能把电源放到LED铝基板上去!现有的所有无电解电容方案都不是合适的光引擎方案!
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