led日光管驅動方案優化選擇

新聞發布時間：2014/11/7新聞瀏覽次數：3672新聞作者：濟南銳瑪試驗機

業內人士都知道，LED日光燈將成為新一代節能環保照明燈，但是現在全國每年頂多生產幾十萬支LED日光燈，而且大部分是出口，國內使用寥寥無幾，其實最主要的問題是價格問題，一個普通的節能熒光燈光十幾元錢就搞定了，而一根LED日光燈管得上百塊。所以目前的日光燈管主要是以商業照明為主。因為商業照明更多的會考慮到節能、環保、形象、政府方面支持等。

　　但現在LED日光燈產品質量參差不齊，有的連熒光燈的壽命都比不上，中看不中用，隨著用戶對LED日光燈產品認識越來越深，LED日光燈廠家還需要解決以下幾個問題：

　　第一. 驅動電源的恒流驅動問題。目前大部分恒流源大都是總恒流（也就是多個并聯燈串共用一個恒流源，因為LED燈珠之間阻值的差異性，所以每串燈的電流大小不同，任何一顆LED燈出現故障，都會影響其它燈串的電流，這樣電流大的那些燈串光衰更嚴重，其使用壽命也會大大減短。）

　　第二. 散熱問題。這是LED日光燈管的使用壽命的核心問題之一。因目前各廠家大都跟風采用內置電源，以直接可以更換到熒光燈管支架上，這樣您的整個電源所散發的熱量和LED本身散發的熱量都在一個鋁外殼上散熱，并且都在日光燈管內，這樣的熱量怎么處理？

　　第三. 電源模塊中電解電容使用壽命問題？就算我們采用超長壽命電解電容，在高溫的情況下工作，它的壽命也無法與LED的壽命相平衡。但怎樣來提供良好的工作溫度，以達到最理想的使用壽命？
 
　　第四. 電源模塊的不穩定性和產品安全性認證能否通過的問題？目前市場上大部分廠家采用的是高壓的非隔離方案，和高壓反擊式天關電源方案，因為內置體積十分有限（要放進燈管內），所以一般在設計時，很難把電源做到穩定。并且目前各個國家對安全認證方面都比較嚴格，對于高電壓的電源供電的安全認證方面比較難通過。

　　其實以上問題最要主要的根源還是在內置電源所產生的！

　　下面是一些專業人講述的內置電源和外置電源設計的日光燈管的性能方面進行比較：

　　LED日光燈的電源分為內置式和外置式兩種。所謂內置式就是指電源可以放在燈管內部。這種內置式的最大優點就是可以做成直接替換現有的熒光燈管，而無需作任何改動。所以內置式的形狀都是做成長條形，以便塞進半圓形的燈管中去。

　　下面先介紹兩種內置式，非隔離型和隔離型。

　　非隔離式恒流電源

　　非隔離是指在負載端和輸入端有直接連接，因此觸摸負載就有觸電的危險。

　　目前用得最多的是非隔離直接降壓型電源。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)電路進行降壓和恒流控制。其電原理圖如下圖所示：

                    
圖1. 非隔離恒流源的電路原理圖

　　這種非隔離式電源的主要技術特點：從18V到450V的寬電壓輸入范圍，恒流輸出;采用頻率抖動減少電磁干擾，利用隨機源來調制振蕩頻率，這樣可以擴展音頻能量譜，擴展后的能量譜可以有效減小帶內電磁干擾，降低系統級設計難度;可用線性及PWM調光，支持上百個0.06W LED的驅動應用，工作頻率25KHz-300KHz，可通過外部電阻來設定。

　　非隔離恒流源的優點是簡單、指標高，它的輸出電流可以按LED串并聯的個數決定。但是大多數情況下，它的輸出電流不能太大，輸出電壓也不能太高。例如264個小功率LED連接成22個串聯，12串并聯，每串20mA，一共240mA。體積也可以做得很小，通常是做成長條形的，以便放進T10或T8的管子里。假如每串的電流是30mA，12并就是360mA。在有些非隔離的電源中就無法實現，為了保持總電流240mA不變，就只能改成8串并聯。但假如LED的總數不變，就要求串聯的數目增加到33個。這時候總電壓就會增加到108.9V。但是通常這種非隔離恒流源的允許的最高輸出電壓是80V。只能維持原來的22串，這樣LED的總數就只能是176顆，即使采用30mA，其總流明數有可能不能滿足要求。

圖2. 非隔離降壓式恒流源的外形照片

　　通常其效率大約在88-90%之間，功率因素大約在0.88-0.92之間。

　　然而這種非隔離電源也有一些局限性，因為非隔離的電源會把交流電源的高壓引入到負載端，從而引起觸電的危險。通常LED和鋁散熱器之間的絕緣也就靠鋁基板的印制板的薄膜絕緣。雖然這個絕緣層可以耐2000V高壓，但有時螺絲孔的毛刺會產生所謂的爬電現象，使得難以通過CE認證。

2.隔離式恒流電源

　　隔離式是指在輸入端和輸出端有隔離變壓器隔離，這種變壓器可能是工頻也可能是高頻的。但都能把輸入和輸出隔離起來。可以避免觸電的危險。這種隔離式的日光燈電源原理圖如圖3所示。

圖3. 隔離式LED日光燈電源原理圖

　　這種隔離式LED日光燈電源外形照片如下圖所示

圖4隔離式LED日光燈電源的照片

　　一般來說，由于加入了變壓器，所以隔離式電源的效率會有所降低，通常大約在88%左右。而且變壓器的體積也比較大。放進T10燈管還可以，但是放進T8的燈管就比較緊張。

　　3.內置式電源的優點和代價

　　內置式電源的最大優點就是能夠直接替換現有采用電感鎮流器的熒光燈，而不需要拆去任何東西。現有熒光燈的電源分兩種，如圖5所示：

(b)電子鎮流器

圖5. 熒光燈電源電路圖

　　我們知道，最普通的熒光燈的起輝是采用一個串聯的鐵芯電感和一個并聯的起輝器(圖5a)。
在直接替換時，只要拔掉起輝器就可以了。但是由于鐵芯電感仍然串聯在電路中，所以它仍然帶來將近6.4-10W的損耗，結果使得這部分的額外損耗大大降低了LED的節電功效。例如，本來一個18W的LED日光燈可以取代一個36W的熒光燈，不論采用上述非隔離式還是隔離式的電源，其效率至少為88%以上，那么其輸入功率為20.45W，現在還要加上這個額外的6.4W，使得輸入功率變成26.85W，其總效率也就降低為67%，如果采用某些國產的鐵芯電感，其功耗高達10W，輸入功率就要變成30.45W，使得總效率只有59%。這就使LED的節電效能大打折扣。

　　不僅如此，由于電源內置，電源的熱量也就加入到管內，假定電源的效率為88%，所以就有2.45W的熱量也要散去，假定LED本身的發光效率為30%，也就是有70%的電功率變成熱量，相當于12.6W的電功率變成熱量，現在還要再加上內置電源的2.45W的熱量，相當于增加了20%的熱量。使得LED的散熱又增加的一份困難，或者說，使得LED的使用壽命也更加縮短。其實所增加的這部分熱量還不至于縮短太多的壽命(20%左右)，然而把電源放倒管子里面，電源本身就要承受由LED產生的很高的環境溫度，這就大大降低了電解電容的壽命，也就降低了整個燈具的壽命。另外真正帶來的問題是使得散熱器的結構不能最佳化。這個問題才是更為嚴重的問題，會使LED壽命降低數倍之多。這將在以后做詳細的解釋。

　　假如原來采用的是電子鎮流器(圖5b)，那么直接替換所產生的問題就更麻煩了。因為這時候加在日光燈兩端的是一個高頻高壓。必須先用整流器變成直流高壓，再用降壓恒流源去驅動LED。這時候的效率將變成前面電子鎮流器的效率和后面的降壓恒流源效率的乘積，就可能連70%都不到。

　　4.集中式外置電源

　　為了得到最高的性能最好采用集中式外置電源。因為目前推廣LED日光燈的主要場所是政府機關、辦公室、商場、學校、地下停車庫、地鐵等場所，往往一間房間采用不止一個日光燈，可能在10個以上。這時候就應該采用集中式的外置電源。所謂集中式是指采用一個大功率的AC/DC開關電源，統一供電，而每個日光燈則采用單獨的DC/DC恒流模塊。這樣可以得到最高的效率和最大的功率因素。

圖5. 集中式外置電源

　   現在大功率的AC/DC開關電源的效率很容易做到95%,功率因素可以做到0.995。而降壓式的DC/DC恒流源的效率也很容易做到98%。這樣總效率可以做到93.1%。這時的性能可以做到最高。
以20W LED燈管為例，假如采用非隔離內置式電源，直接用220V供電和外置式集中供電比較，實測的結果如下。

  集中式供電的優點是顯而易見的。而且，它還是一種隔離式電源，在燈管處沒有220V高壓，只有低于36VDC的直流低壓，也是符合安全使用的條件。

  另外，這種結構也很容易實現各種調光方案，例如手動調光，光敏調光，只要把調光控制信號送到各個DC/DC恒流模塊就能實現。其具體的方框圖如圖6圖7所示。

圖6. 手動調光日光燈方框圖

圖7. 光敏調光日光燈的方框圖

　　五.結構

　　按說，LED日光燈既然稱為日光燈那么它的結構一定就是熒光燈的模樣，連長短、粗細也都一樣，甚至稱呼也是T10、T8、T5，也都一樣，也就沒有什么可以討論的了。其實則不然。LED日光燈在這方面走了很多彎路，是值得大書特書的。

　　1. 全塑燈管，早期的LED日光燈采用的是全塑燈管，因為主要采用非隔離式電源，為了避免觸電問題，所以更希望采用全塑燈管。里面采用的是φ5的草帽管LED。但是很快就證明了這種日光燈的光衰很嚴重，壽命非常短，不到1000小時就壞了。這才發現，最大的問題是散熱問題。由于把熱量全部封死在管內，根本無法散出去，再加上草帽管本來壽命就短，當然不可能長壽命。

　　2. 半塑半鋁管，在發現了散熱問題以后，就想到采用半塑半鋁的方案(圖8)。

圖8. 半塑半鋁燈管

　　在需要透光的那一半采用塑料，在不需要透光而需要散熱的那一半就采用鋁合金。電源當然是放在鋁管里面。看來問題似乎是解決了。然而因為LED日光燈的功率通常在20W左右，它的發熱量還是相當大的。半根鋁管并不能解決它的散熱問題。所以又提出另一種散熱的鋁管結構。

　　它把電源放到管外，從而可以把半邊鋁殼完全做成散熱器。扇骨形鋁管采用扇骨形狀的散熱結構，大大增加了散熱器面積。相對于半圓形的鋁管來說，它的散熱面積至少增大了3倍以上。再加上電源不放在管內，又可以減少熱量，這就大大延長了LED的壽命。

　(a)普通半鋁半塑管

 扇骨形鋁管(圖9)　

　　六.壽命

　　我們知道小功率LED指示燈的壽命是非常之長，只是當LED作為照明器件以來，LED的壽命問題才被提出來。其實LED的壽命完全取決于它的結溫。只要結溫夠低，LED的壽命提高到十萬小時以上是沒有問題的。

　　但是由于LED本身的發光效率目前還是比較低，大約還有70%的輸入功率要轉化為熱能，如果這些熱不能很好地散發出去，LED的結溫就會升高，于是LED的壽命就會隨之降低。所以延長LED壽命的根本辦法就是改進其散熱。改進散熱要從LED本身做起。前面提到的3014，就是靠增加底板金屬面積二改善了散熱，使其熱阻降低到只有51°C/W.。只要散熱器做得足夠好，可以保證接腳溫度在60°C以下，那么其壽命可以保證在5萬小時以上。

　　我們實測的結果也證明了這點，在25度室溫下，我們測得鋁散熱器的表面溫度為35度左右，如果在45度環境溫度時，那么散熱器表面溫度就應當是55度，因為采用了扇骨形鋁塑管，鋁基板和鋁散熱器的熱阻大約50°C/W。所以到LED底板溫度大約是60度。因此可以保證其壽命為5萬小時以上。

　　根據以上的分析：以下就來講述一下一個成功的LED日光燈商業照明解決方案！目前由臺灣數能科技專門針對LED日光燈商業照明上的難題，開發了一款高精度恒流驅動芯片NU501，解決了這個難題，下面是具體的解決方案說明：

　　LED日光燈商業照明解決方案的設計理念就是給LED一個適應的工作環境，充分發揮它本身的節能、環保、壽命長等特性。

　　一、輸出驅動電壓選擇外置式集中供電電源

　　電源模塊采用外置天關48V或36V穩壓供電（20W以內市電驅動時48V左右比較合適；較大的功率市電驅動輸出電壓36V左右最合適），另外在每并聯燈串上串聯一個NU501芯片，實現每路LED燈串電流恒流（也就是路路恒流的概念）。

　　特點：

　　基于串并聯安全考慮出負載合適的驅動電壓值,盡量統一電壓值減小電源設計規格成本；
　　基于安規規定，產品設計要符合認證要求,交流峰值超過42.4Vac或直流超過60Vdc的電壓；
　　從解決LED照明市場大規模上量的技術和品質問題考慮。
　　當輸出電壓在48V左右時，低壓差線性恒流器件恒流效率高達99%，恒流精度±3%以內，不受任何外圍器件影響；當輸出電壓在36V左右時，低壓差線性恒流器件恒流效率高達98.6%，恒流精度±3%以內，不受任何外圍器件影響； 就算在離線式照明部分，較低的電壓12V和24V，也分別有96%和98%的效率；功率大小效率是相等的。

圖9：36V直流穩壓供電，NU501實現路路恒流電路圖

圖10：NU501路路恒流線路板實物圖

　　特點：最高效的驅動恒流架構；最高精度的恒流方式，受外圍器件影響最小；簡潔、方便、實用，可輕松實現調光！

　　AC-DC設計方面

　　led開關電源發展到今天是多年積累的結果，短期內AC-DC直接恒流不可突破；恒壓和恒流是矛和盾的關系，必須要分開考慮；恒流源負載調整率是1%（mA）/V，達不到恒流效果；想法越多成本越高，與風險成正比。

　　特點：

　　要合理的利用現有的開關電源資源，是最經濟的；

　　恒壓和恒流技術結合是必然的 ；

　　在穩定的產品技術上創意才是有效的。

　　與開關恒流方式比較

　　二、散熱設計

　　1、最短的熱傳到路徑，減小熱傳導阻力；
　　2、增大相互傳導面積，增加熱傳到速度；
　　3、合理的計算設計散熱面積；

　　如果是用到燈光照明工程改造方面，如商場或辦公室用到的格珊燈（如圖11），可以直接把LED日光燈的燈條安裝在格珊燈支架上，以利用格珊燈支架散熱面積大來進行散熱，且無需另外開模具做個鋁殼外殼進行散熱，這樣大大節約了工程的成本，如圖11。

　　三、商用照明電源成本節約

　　采用集中式外置電源（也就是多跟燈條共用一個開關電源），一般一個300W的外置開關電源零售價在100元左右，足可以帶一整條工廠流水線照明，或帶T8 0.6米8W燈管36根，平均每根電源模塊成本只有2.5元~2.8元.

圖11為每5根0.6M格珊燈共用一個開關電源實物圖