LED吸頂燈及其驅(qū)動電源的設(shè)計(jì),LED power supply

最低電壓

由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流，所以太低的電源電壓是無法工作的。通常這個Vk大約在5-10V左右。

最高電壓

由于恒流二極管必須能吸收掉電源電壓的變化，對于同樣的百分比，220V就要比110V的變化范圍大一倍。例如對于+10%~-20%的變化范圍，對于220V就意味著22+44=66V的變化范圍，經(jīng)過橋式整流以后這個變化還會加大1.2倍，變成79.2V。而對于110V電源，同樣的變化范圍只相當(dāng)于39.6V的變化范圍。電壓越低，就意味著功耗越小，效率越高。所以可以說恒流二極管更適用于110V市電的國家。

最大電流

由于恒流二極管的功耗受到限制，所以過大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二極管就很難提供。即使能夠提供，它的功耗也過大而使整體效率大為降低。

恒流二極管最適用的使用場合就是交流市電供電的LED燈具，采用很多小功率LED串聯(lián)，也就是高壓小電流的情況是最為合適。

圖5就是一種用于吸頂燈的恒流二極管驅(qū)動源。其負(fù)載是80顆3022串聯(lián)，總功率為16W。所用的恒流二極管也是恒流在60mA。假如手頭的恒流二極管只有30mA的，就需要2串并聯(lián)。

在這里，恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時，保持輸出電流不變，當(dāng)然也可以消除由于LED負(fù)溫度系數(shù)所引起的電流增大。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制，所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來說，它的工作電壓范圍還要減去它的最小工作電壓10V，可用的電壓范圍也就只有90V。用在220V市電電源里，如果市電變化+10%，~-20%，就相當(dāng)于整流后為290~211V，電壓變化79V，在其耐壓范圍內(nèi)。假如所用的LED為80顆，如果正向電壓為3.3V，那么總電壓為264V，正好相當(dāng)于220V經(jīng)過橋式整流以后的值。這時候恒流二極管上沒有壓降，但是這時候它是不能工作的而至少需要10V壓降，也就是要求整流后電壓為274V，市電電壓為228VAC。那時候恒流二極管壓降為最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整體效率為最高可達(dá)96%（當(dāng)然還要考慮整流器的效率，實(shí)際上還會低一些）。如果市電增高至242VAC，那么恒流二極管電壓就增高為26.4V，其功耗也增加到0.79W，這時候效率就等于91%。

如果市電電壓低于228V，是不是恒流二極管就不工作呢？并不是，但的確是不恒流了，這時候它和LED就會達(dá)到一個新的平衡點(diǎn)，那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過整流后的電壓。因?yàn)長ED伏安特性的非線性，所以很難用公式來表示?？傊?，當(dāng)市電電壓降低時，LED中的電流就會隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會跟著變暗。但是這時候恒流二極管的壓降不大所以并不消耗很多功率。所以效率還是很高的。

前面假定了LED的正向壓降為3.3V，實(shí)際上即使其額定為3.3V，在開機(jī)一段時間以后，由于結(jié)溫的升高，正向壓降就會降低至3.1V甚至3.0V。

一個采用恒流二極管的8W電源的實(shí)測結(jié)果如下表所示：

由表中可見，采用恒流二極管以后其最高效率的確可以做到非常高。是一種值得選用的電源。為了在220V得到最高的效率，看來應(yīng)該串聯(lián)90個以上的LED。

各種恒流二極管的參數(shù)如下表所示：

2.采用高壓直接降壓的開關(guān)式恒流源

由交流直接整流得到的電壓是264V，這時候可以采用直接降壓的高壓Buck電路來恒流。

a）PAM99700

這個電路的特點(diǎn)是效率高達(dá)90%，功率因數(shù)也大于0.9以上。外部電路也很簡單?？梢则?qū)動多達(dá)40個1W的LED。一個采用PAM99700的LED吸頂燈照片如圖7所示。

它是采用24串7并的3014型LED，總功率16.8W。右下角的藍(lán)色印制板是紅外遙控接收器。

b）HV9861A

最近美國Supertex公司推出了新款高壓降壓芯片HV9861A以取代HV9910B.它采用了均值取樣從而提高了恒流精度至+/-3%。它的電路圖如圖9所示。

因?yàn)殡娐分袥]有采用無源功率因數(shù)校正，所以功率因數(shù)比較低。這個電路也沒有采用為減小EMI所需的濾波器，如果加上這兩項(xiàng)以后都會降低其效率。

所有這些非隔離式電源因?yàn)樵贚ED負(fù)載上會觸摸到市電，所以有嚴(yán)格的安規(guī)檢驗(yàn)，盡管采用良好的絕緣可以滿足安規(guī)的要求，但是歐盟IEC 61347-2-13 （5/2006）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在LED負(fù)載端電壓不可超過25VAC或35VDC。所以采用非隔離電源是無法出口歐盟的。

隔離式電源

最近美國TI公司推出了一種隔離式恒流源芯片TPS92070，它的電路圖如圖11所示。

輸入：90-264VAC

輸出：25V，350mA

效率：>85%

1. 可調(diào)光隔離式恒流源

iW3614

其電路圖如圖12所示。

輸入：100-120VAC或220-240VAC

輸出：25V，400mA

效率：>82%

PF：>0.9 非調(diào)光模式，調(diào)光模式時取決于可控硅。

THD：滿足 IEC61000-3-2

調(diào)光兼容RC、R、RL

LT3799

美國凌特公司宣布了一個用于LED恒流驅(qū)動的IC（LT3799），它可以驅(qū)動4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關(guān)管，反激隔離式而不需要光耦合器，外置元件減到最少，而且還可以用于可控硅調(diào)光。

這個市電恒流源因?yàn)楣β蚀?，而且可以適應(yīng)4-100W的寬功率范圍（這是吸頂燈的功率范圍），所以一定是采用外置MOS開關(guān)管，而且也因?yàn)楣β蚀?，所以要求采用功率因?shù)校正（PFC）。對于不同的功率，除了要選擇不同的MOS管外，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個恒流源的體積和重量，降低了效率。但是這是為隔離市電所必需的。

六、LED吸頂燈的調(diào)光

目前全世界很多知名的LED恒流驅(qū)動芯片公司都花了很大的力氣開發(fā)出了很多可以和各種可控硅調(diào)光的所謂Triac配合以進(jìn)行調(diào)光的芯片。然而這也是一種相當(dāng)可悲而又可笑的事。因?yàn)榭煽毓枋巧鲜兰o(jì)六十年代的產(chǎn)品，本身是一種相當(dāng)古老而落后的器件。它的確可以用來和白熾燈配合進(jìn)行調(diào)光，可是它在調(diào)光的過程中會破壞正弦波的波形因而引起系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，而且還會在線路上產(chǎn)生很大的干擾信號。在白熾燈調(diào)光時因?yàn)榘谉霟舻牧炼戎皇怯呻娫措妷旱挠行е禌Q定，所以可以跟著可控硅的導(dǎo)通角調(diào)光，而且對于可控硅來說，白熾燈是一個理想的純阻負(fù)載，也不會對它的工作有什么影響。

可是換成LED以后就產(chǎn)生了一系列的問題，首先帶整流器的LED是一個容性負(fù)載，對可控硅有很大影響，在低負(fù)載時就會不穩(wěn)定觸發(fā)，除非并聯(lián)一個電阻。但會進(jìn)一步降低系統(tǒng)的效率（增加1-2W功耗）。為了使得LED也能配合可控硅調(diào)光就必須把帶整流器的整套恒流電源系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到看上去接近純阻負(fù)載。所以很多公司開發(fā)出有源功率因數(shù)校正芯片。使得LED整個系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。不少人誤以為采用功率因數(shù)校正以后，連同可控硅在內(nèi)的整個系統(tǒng)的功率因數(shù)都可以達(dá)到0.9以上。這完全是誤解了，即使是純阻負(fù)載接上可控硅以后功率因素也會隨調(diào)光而降低。

下面是可控硅調(diào)光過程中，帶功率因數(shù)校正（達(dá)0.96）的LED球泡燈的整套系統(tǒng)（包括可控硅在內(nèi)）的功率因數(shù)的變化（附帶也有白熾燈的數(shù)據(jù)以供比較）。

由表中可知，不管是經(jīng)過功率因數(shù)校正的LED燈，還是白熾燈，在一開始時功率因數(shù)都可以達(dá)到0.96以上。但隨著可控硅的調(diào)光，其功率因數(shù)逐步降低，到無法再調(diào)光時，功率因數(shù)低至0.48和0.566。所以作為整個系統(tǒng)來說，其功率因素指標(biāo)是不符合美國能源之星的要求的。

全世界的各種可控硅調(diào)光器多達(dá)幾十種，上百種。很多LED燈為了和這些可控硅兼容，不知道做了多少試驗(yàn)和改進(jìn)，但最后還是吃力不討好。由于國外的人工很貴，所以也可以認(rèn)為這是不得已的做法，但是在中國完全可以采取另一些更先進(jìn)的做法。

為了要對LED調(diào)光，可以有很多辦法，這些方法都沒有可控硅的缺點(diǎn)。下面介紹幾種最常用的方法：

6.1 采用脈寬調(diào)制PWM調(diào)光

LED是一個二極管，它可以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)。它的開關(guān)速度可以高達(dá)微秒以上。是任何發(fā)光器件所無法比擬的。因此，只要把電源改成開關(guān)恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光法。圖15表示這種脈寬調(diào)制的波形。假如脈沖的周期為tpwm，脈沖寬度為ton，那么其工作比D（或稱為孔度比）就是ton/tpwm。改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED的亮度。

然后用一個PWM信號加到MOS管的柵極，以快速地開關(guān)這串LED。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。也有不少恒流芯片本身就帶一個PWM的接口，可以直接接受PWM信號，再輸出控制MOS開關(guān)管。那么這種PWM調(diào)光方法有那些優(yōu)缺點(diǎn)呢？

1．不會產(chǎn)生任何色譜偏移。因?yàn)長ED始終工作在滿幅度電流和0之間。

2．可以有極高的調(diào)光精確度。因?yàn)槊}沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實(shí)現(xiàn)萬分之一的精度。

3．可以和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行控制。因?yàn)槿魏?a target="_blank">數(shù)字信號都可以很容易變換成為一個PWM信號。

4． 即使在很大范圍內(nèi)調(diào)光，也不會發(fā)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)椴粫淖兒懔髟吹墓ぷ鳁l件（升壓比或降壓比），更不可能發(fā)生過熱等問題。

具體獲得PWM信號的方法為在墻上的PWM開關(guān)和電位器里安裝一個PWM發(fā)生器。這個PWM發(fā)生器可以很容易地用一個555芯片形成（圖17）。

這個發(fā)生器的指標(biāo)如下：

1. 輸入電源：10-36V ，20mA

2. 輸出信號：200Hz的PWM信號，0-100%，5V （也可為10V）

3. 控制路數(shù)：可控制5-10個可調(diào)光恒流源

4. 線路長度：10-20m

5. 開關(guān)：可直接控制220V電源開或關(guān)

所以，它需要三根線和燈具連接。假如還要開關(guān)燈具，就可以采用帶開關(guān)電位器，不過這樣一來總共需要有5根線連接到燈具。如果要利用原來墻上開關(guān)，就要再增加三根線，這是它的主要缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以用一個控制器來控制5-10個燈具。

6.2 分段式開關(guān)調(diào)光

為了利用現(xiàn)有的墻上開關(guān)和墻內(nèi)的兩根線，***有一家公司推出了一種稱之為EZ-Dimming的GM6182的四段開關(guān)調(diào)光不失為一種好方案。它只利用墻上的普通電燈開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)4段調(diào)光，第一次開為全亮，第二次快速開關(guān)為60%亮度，第三次快速開關(guān)為40%亮度，第四次快速開關(guān)為20%亮度。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用普通的墻上開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。而且其功率因素高達(dá)0.92以上。沒有產(chǎn)生干擾信號之慮。缺點(diǎn)是無法連續(xù)調(diào)光。還有操作麻煩一些。它實(shí)際上可以和恒流源設(shè)計(jì)在一起（圖18）。

6.3 紅外遙控調(diào)光

LED吸頂燈作為一種高檔商品，采用紅外遙控調(diào)光更能凸顯其高檔性。不愧為一種理想的選擇。一個紅外遙控發(fā)射機(jī)電路如圖19所示。

雖然紅外遙控可以實(shí)現(xiàn)采用PWM連續(xù)調(diào)光，但在實(shí)際使用時，也可以用作分段調(diào)光。

七、LED吸頂燈的指標(biāo)和性能

一個LED燈具最重要的性能指標(biāo)就是它的整體光效。所謂整體光效就是輸出光通量（以流明表示）和輸入電功率之比，單位是每瓦流明數(shù)lm/W。

它不但包括了LED本身的發(fā)光效率，也包括了恒流電源的效率和泡殼的透光率。

除此以外，還有它的色溫、顯色指數(shù)等。

為了測試LED吸頂燈的指標(biāo)，我們通常把它放進(jìn)大型的積分球中，以便測量它所發(fā)出的全部光通量。并對它所發(fā)出的光譜進(jìn)行分析。

現(xiàn)在就拿圖7所示的紅外遙控LED吸頂燈為例，測試它的性能指標(biāo)。這是一個采用168顆3014LED的紅外遙控吸頂燈。

在不加光罩時實(shí)測的結(jié)果如下。

1. 整體光效

總流明數(shù)1383lm，輸入交流功率=16.57W，所以整體光效=83.46 lm/W需要說明的是其中包括了兩項(xiàng)效率，一個紅外接收器的效率，另一個是恒流電源的效率。而恒流電源的效率，單獨(dú)測試的結(jié)果是89.5%（圖8）。紅外接收器的功耗為0.5W左右，所以實(shí)際的輸入功率應(yīng)該是16W。如果不用紅外遙控器時，它的整體光效應(yīng)該是86.43lm/W。如果再考慮電源的效率，用在LED上的電功率只有14.32W。

這樣算下來可以得到96.5lm/W。這應(yīng)該是LED本身的發(fā)光效率。如果改用發(fā)光效率為120lm/W的LED，那么它的整體光效就可以達(dá)到107lm/W，即使加上紅外接收器的功耗，整體光效也可以超過100lm/W。

2. 色溫：6171K，這完全是由所用的LED決定的，如果用戶要求低色溫，就可以改用低色溫的LED。

3. 顯色指數(shù)：Ra=76.2，這個指數(shù)相對較低。但是實(shí)際上目前所用的顯色指數(shù)是在15種單色光上的顯色指數(shù)加以平均的結(jié)果，它并不能完全代表它的顯色能力。因此照明信息委員會（CIE）不推薦用CRI來測定白光LED的顯色能力。

4. 如果加上光罩以后，它的整體光效當(dāng)然會隨之降低。而且會降低相當(dāng)多。因此選用高透光率的光罩是很重要的事。但是透光率過高，也會使用戶能夠看到其中的光珠，這也是不希望的是。尤其是如果采用1W的大功率LED，就更加明顯，所用采用小功率的LED（例如3014），允許用透光率高的光罩，這也是很重要的。

國外的一些大功率吸頂燈的性能如下：

八、吸頂燈的成本和價(jià)格

在推廣LED燈具中遇到最大的問題就是價(jià)格問題。最突出的就是在采用LED球泡燈來取代白熾燈時，二者的價(jià)格會相差20-50倍之多，普通白熾燈的零售價(jià)大約在1-2元人民幣，而且和瓦數(shù)基本無關(guān)，而一個相同流明數(shù)的LED球泡燈的價(jià)錢就大約要50元到100元。例如可以取代60瓦白熾燈的LED球泡燈至少要10W以上，它的價(jià)錢大約為100元以上。然而，在LED吸頂燈中，情況就完全不同了。普及型的LED吸頂燈的價(jià)格可以做到和中檔的普通吸頂燈的價(jià)格相當(dāng)。

所以說，可以預(yù)計(jì)，在中國家庭，最快能夠普及的LED燈具就是LED吸頂燈。這也說明了，LED吸頂燈的市場商機(jī)是最大的。

九、吸頂燈的市場

各個國家的生活習(xí)慣有所不同，對吸頂燈的需求也有所不同。一般來說，美國幾乎完全不用吸頂燈，美國的住房從來沒有在房間中間安裝燈具，很多燈具都是一種立式的大型燈具，采用插銷插到墻角的插座上，有一個墻上開關(guān)來開關(guān)一個專門的墻上插座。而在洗手間則完全靠鏡上燈來照明。所以可以認(rèn)為吸頂燈在美國是沒有市場的。而日本則和中國差不多，很多人家都采用吸頂燈。他們也稱為天花燈。歐洲則比較喜歡華麗的吸頂燈，只是廚房和廁所會采用普及式的吸頂燈。

目前日本的市場發(fā)展最快。2011年5月日本的LED吸頂燈的銷售額已經(jīng)超過了普通吸頂燈。

市場預(yù)估日本吸頂燈每年有超過300萬臺的需求，如果以每臺100元人民幣計(jì)，該市場超過每年3億人民幣。但目前導(dǎo)入LED的比率僅2成（按數(shù)量）。東芝照明（Toshiba Lighting）在日本LED吸頂燈的市場占有率為第1大。

在國內(nèi)，吸頂燈被廣泛采用。國內(nèi)普通熒光燈式吸頂燈的產(chǎn)量如下圖所示：

2010年的產(chǎn)量已經(jīng)超過6000萬支，預(yù)計(jì)2011年產(chǎn)量將會超過7000萬支。假如在2012年產(chǎn)量為8000萬支，其中的十分之一被LED吸頂燈所取代，那么將會達(dá)到800萬支。假如以每支100元計(jì)，那么其市場規(guī)模將達(dá)到8億元。

LED吸頂燈的市場份額如下圖所示：

其中LED吸頂燈還沒有單獨(dú)列出，可能算到其他LED燈具里，可見LED吸頂燈還是有很大的市場潛力。

十、普及LED吸頂燈對節(jié)能減排的意義重大

采用LED吸頂燈來取代普通熒光燈式吸頂燈可以大大節(jié)約電能，從而減少二氧化碳的排放。一般來說，每節(jié)省1度電可以減少0.272公斤二氧化碳。從實(shí)測的結(jié)果可知，一個8W的LED吸頂燈大約可以取代16W的普通熒光燈式吸頂燈，所以可以節(jié)電8W。假定平均每天開燈3小時，那么每年可以節(jié)電8.76度電，相當(dāng)于減排2.38公斤二氧化碳。假定2012年可以生產(chǎn)800萬只LED吸頂燈，那么總共可以節(jié)電7億度電，（相當(dāng)于三峽水電站一年所發(fā)的電量847億度電的82%）。減少了19萬噸二氧化碳的排放！

據(jù)美國國家大氣和海洋管理局（NOAA）最新報(bào)告，大氣中二氧化碳平均濃度已由工業(yè)革命前的280ppm（ppm：百萬分之一）左右升高到了2010年的389ppm。而中國在1992年的排放量約占全球的11%，2008年則占全球的23%，位居世界第一。2010年全球二氧化碳排放量大幅增加，創(chuàng)下歷史新高。2010年全球二氧化碳排放量為335億噸，比上年增加18.8億噸，約5.9%。中國2010年二氧化碳的排放量約為75億噸。中國在德班氣候大會上承諾計(jì)劃在2015年的碳排放要比2010年減少15%。如果要在2015年減少15%，就是11.25億噸。如果到2015中國能夠采用8000萬只LED吸頂燈，就可以減少19萬噸二氧化碳的排放，占承諾總數(shù)的8.4%。這是一個極為可觀的數(shù)字。