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一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

2017-11-29 13:47:57 来源:埃菲莱光电

1. LED必须采用恒流源供电

我们知道LED是一种发光二极管,它的伏安特性完全和一般的半导体二极管一样,具有负温度特性。所谓“ 负温度特性”就是指当温度升高时,伏安特性左移,其具体数值大约在9mV/°C。这时候假如采用恒压电源供电,那么其正向电流就会随温度的增加而加大(见图一),这样,它的结温也会随着加大,从而形成正反馈,最终导致LED烧毁。

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

图1. 采用恒压电源供电将会使LED的电流随温度而增加

例如一个LED采用3.3V的恒压电源供电时,在-40°C时,其正向电流是8mA,当环境温度升高到25°C时,其正向电流就会升高到20mA,而当环境温度为85度时,其正向电流就会增加到37mA。这显然是不能允许的。所以LED必须采用恒流电源来供电。

2. 几种电源类型

这种恒流源可以有两种方法来实现,一种是开关电源,另一种是线性电源。这两种电源的性能比较如下表所示:

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

从表中可以看出,开关电源除了效率比线性电源高以外,其他都是缺点。线性电源唯一的缺点是效率低,如果改进了效率低这个缺点,那么就全都是优点了!

3. 线性恒流源的具体电路

上面表中的线性恒流源需要5个元件,实际上它只是一个恒流二极管,其他两个保护元件,一个整流桥,一个电解电容,具体电路如图2所示:

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

图2 采用恒流二极管的驱动电路

图中的CRD就是恒流二极管,图中采用了几个CRD并联,如果有一个电流足够大的CRD。那么采用一个就可以了。恒流二极管的伏安特性如图3所示:

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

图3 恒流二极管的伏安特性

它可以在Vk一直到POV很大的输入直流电压范围内都保持电流恒定。而Vk的绝对值低于3V,假定整流后的直流电压为300V,恒流值为0.1A,那么总功率为30W,如果LED串的总电压也正好接近300V,而使恒流二极管工作于Vk点,那么它消耗的功率就只有0.3W,其效率为(30-0.3)/30=99%。

但是当输入电压增加的时候,恒流二极管就必须承担起消耗这些多余电压的功能,它的工作点就右移,而功耗就逐渐增大,整体的效率也就逐渐降低,表现为其效率的线性下降。

它是以牺牲自己作为代价而不让高电压加到后面的LED上。

图中还采用了两个保护元件,一个是变阻器,实际上是一个抗浪涌的变电阻,它平时的阻值很高,所以并在电路里对整个电路没有什么影响,一旦有一个高压浪涌脉冲,它的阻值立刻降低从而吸收掉这个浪涌脉冲,使它不会对后面的电路有损害。第二个保护元件是大功率热敏电阻NTC,它是为了吸收电解电容充电时的高峰值电流,平时它的电阻很小,串在电路里面没有什么影响。一旦有一个高峰值电流,它的电阻因为发热而很快增大,从而削减了峰值电流值。

4. 如何让恒流二极管始终工作在高效率的Vk点上

我们先来看一下恒流二极管的工作点是怎么决定的。外面的市电电压(先假定是220V)经过整流桥和电解电容滤波以后得到的直流电压大约是306V。这个电压加在LED串和恒流二极管上。而LED串的电压等于每个LED的正向电压乘以LED个数(假定每个LED的伏安特性都是一样的),而LED的正向电压

是根据它的正向电流从伏安特性上查到的,实际上的正向电压应该等温度稳定以后测量,因为随着温度的升高,LED正向电压会从额定的3.3V降到2.8V左右。不论如何,如果这串LED正向电压的总和加上Vk正好等于整流后电压,那么这个恒流二极管就可以正好工作在Vk点,从而得到最高的效率。

然而整流后电压是由市电电压决定的,而市电电压虽然额定是220V,但实际上很多地方完全不是这样,尤其是在工业区的工厂里,不但可能远低于220V,而且还会有经常突变的情况发生。

5. 对市电电压的自适应

为了适应这种市电电压的不确定性和多变性,必须想出一种自适应的方法来适应这种情况。这就需要有两个措施,一是测出恒流二极管上的电压(高于3V的数值),二是想方法使得串联的LED总电压仍然能够等于整流后电压减去Vk。我们想出的方法就是改变串联的个数,市电电压高了就增加LED个数,电压低了就减少串联的个数。因为电压的变化也是有限的,例如不超过+/- 20%,所以改变的数目也不会大于这个百分数。其实现的框图如图4所示。

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

图4 实现自适应的方法

其中有一小串LED是可以切入至LED主串或从其中断开的,取决于电压高了还是低了。

采用这种方法以后其效率可以始终保持在99%。其实测的结果如图5所示。

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

图中蓝色为恒流源本身的效率,红色为加上整流器以后的总效率,在市电电压在175V-265V内变化时,恒流源的效率都能保持99%不变,加上整流器的损耗也可以高于98%。

6. 对温度的自适应

当环境温度变化时,恒流二极管的功耗也会加大,例如当环境温度升高时,由于LED伏安特性的负温度系数,它的正向电压也会降低,这时候LED串的总电压就会低于整流后电压,于是恒流二极管的压降就会升高,功耗就会加大。对温度的自适应仍然是靠测量恒流二极管上的电压,假如这个电压超过了Vk智能的恒流源就会增加LED串中的LED数目,使得其总正向电压升高,而使这个总电压和整流后电压仍然保持匹配从而保持高效率,其实测结果如下:

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

由图中可以看到,当环境温度从35度升高到85度时,整个效率随输入电压变化曲线几乎完全一样,始终保持在98%以上(包括了整流器的效率在内)。

7. 对不同正向电压的LED的自适应

这种智能型LED恒流源还有一个自适应的功能,就是对不同正向电压的LED的自适应。在同一个LED串中,可以采用具有不同正向电压的LED,混编以后,自适应智能LED恒流源仍然可以自动地切换LED数,以保证其总效率在99%。其原理和前面一样。

8. 改变LED的数目而不改变其光通量

如果只是改变LED的数目,由于恒流源的电流没有改变,就会改变总的光通量。在智能型LED恒流源的整体设计中也考虑到这个问题,在改变LED数目的同时还自适应地改变恒流源的电流值,使得其总功率和总光通量不变。其结果如下:

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源
一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源
一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

由图中可见,采用这种自适应调节以后,在不同的输入电压范围内,其输入功率,输出光通量和整体光效都基本上保持不变。

9. 自适应智能芯片

以上的自适应技术是靠一种专用控制芯片来实现的。这个芯片称为AISC(Adaptive Intelligent Current Source),即自适应智能恒流源。 是由埃菲莱公司自行设计并生产供给自家公司生产自适应智能光引擎之用。所以埃菲莱光电科技有限公司是国内唯一能够自行发明,设计,生产芯片并用于自家的自适应智能光引擎的产品的拥有自主知识产权的公司。这个发明已经申请了美国、中国、台湾、日本、和欧盟的专利。

最近这个专利已经得到美国专利局的授权。专利号为USP9398656,批准日期2016/07/19

中国专利号为2250338

10. 自适应智能光引擎

这种智能型LED恒流源彻底打破了教科书里描述的线性恒流源效率很低的常规认识,而破天荒地实现了99%的效率。从而可以实现把恒流源和光源放在同一块铝基板上,而做成光电一体化的光引擎。因为它本身的功耗极低,所以把它放到光源的铝基板上不会增加LED的结温。深圳埃菲莱公司采用这种智能型恒流源已经生产了一系列不同功率的光引擎:

一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源

结束语

这种智能型的LED恒流源的效率高达99%,这等于是说实现了一种不耗电的恒流源。通常LED恒流源的效率为85-90%,也就是说采用这种智能型的恒流源以后就可以进一步节能10-15%。其意义是十分重大的!

中国的照明用电量为总用电量的14.5%,2014年总发电量为56496亿度电,即照明用电量为8191.9亿度电。采用埃菲莱的光引擎以后至少可以节约10%的能量,也就是819.2亿度电,而三峡发电站的年发电量为847亿度电,所以也就能够节约出一个三峡发电站来。而全球照明用电量占总用电量的19%,2014全球总发电量为238670亿度电,所以照明用电量为45350亿度电,采用埃菲莱的光引擎以后就可以节约4535亿度电,相当于5.5个三峡电站的发电量!

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

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