LED灯电源的达标对策

LED灯电源的达标对策

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LED lighting Power
LED灯电源设计的达标对策
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广西大学 徽标
王希天
E-mail: mcvzl@
能源之星LED灯泡规范草案
（一）美国能源部于2009年11月发布能源之星LED灯泡规范草案，并于2010年8月 生效，整理摘要如下： （1） LED灯最短使用寿命要求； LED装饰灯使用15000小时流明维持率在百分之七十（L70）以上。 所有其他类型LED灯泡最短作用寿命25000小时以上。 （2）可靠性； （2．1）要求除了快速周期应力测试之外，还必须在适当的温度下对灯泡进行至少 6千小时（250天）的流明维持率测试。 （2．2）LDE封装、模块、阵列的灯泡，须按北美照明工程学会（IESNA）认可的 测量固体（LED）光源，阵列、模块的流明系数的方法测试三千小时（125天）测 试之后须能源之星认证。
功率因数及光效
（3）功率因数； （3．1）小于或等于五瓦的LDE灯的最小功率因数不作要求。 (小于5W的LED不必用APFC可降低成本。) （3．2）大于五瓦的LED的最小功率因数须达0.7或以上。 （LED灯不一定用有源功率因数APFC装置有效降低成本。） （4）光效及最小光输出值： （4．1）小于十瓦的LED灯的光效须大于每瓦五十流明（50L /W）。 （4．2）十瓦或更大功率的LDE的光效须大于每瓦五十五流明（55L /W）。 （一分钱一分货，光效愈高的LED价愈贵，选合适的LED控制成本。）
最小光输出要求
（4．3）外形、尺寸、规格不同寻常的，旨在替换低压白炽灯泡的LED灯的最小光 输出，已从400流明下降至200流明的达标要求。对应的LED灯泡四瓦就达标了。 （意味着不妨考虑用多个4W的小功率LED的组合，也可能是达标组合方案之一。） （4．4）LED装饰灯最小光输出要求：
LED 灯泡最小光输出（流明）
500
300
150
90
70
待替换白炽灯泡功率（瓦特）
60
40
25
15
10
达标对策
（二）达标对策 （5）按性能价格比选择达标的LED管： 从尽量低成本达标角度出发，应该购每瓦七十流明（70L /W）的LED器件就可 以了。选购光效更高的LED器件将会导致达标成本的虚高。 注意光衰与寿命指标的配合： 采购用于装饰灯的LED要求2万小时光衰不大于30%,而用于其他LED灯，须采
购LED要求3万小时光衰不大于30%,否则，设计与制作的努力可能空忙而不达标！ LED器件的光衰，除了LED的工艺质量因素之外，还与工作温度有关： 工作温度愈高的LED光衰愈大；不同厂家的LED光衰差别是很大的，须反复比 较测试才能优选供应LED的供货商，并把指定工作温度（例如摄氏60

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度）所对应的 LED工作电流、电压、光衰指标等指标，都须明确写入合同，须LED供货方明确执 行的条文内容。
功率因数，光效的考虑
功率因数，电流波形，光效的考虑： 美国能源之星对LED灯泡的最小功率因数要求之宽容，是适于生产厂家成本的 压力；所以达标设计LED灯，单灯电源五瓦或更小功率时，不必考核“功率因数”指 标。而大于五瓦的LED灯泡的最小功率因数大于0.7是容易达标的。 APFC有源功率 因数作为习惯应用，须考虑成本和EMC情况，不一定要用上。 LED的发光机理是半导体电子能带跃迁，所以LED光输出是与电流波形同步 的，如果LED灯用于黑环境内的照明，则可以考虑利用人类视网膜的延时错觉，可 望实现进一步LED节能——“高频率小占空比梳齿状脉冲LED照明”——LED以针状脉 冲强化照明，而在人类视觉延时结束之前时间内不耗电，高频短周期LED发出强光 照明视觉的效果，等于在人类视网膜时延错觉的积分。这是有待研究的“视觉心理 学”新方向之一。但是，对于用仪表仪器测试而言，由于没有人类视网膜时延错觉惯 性，所以须用直流供电LED灯，也不允许有50HZ/60HZ的工频闪烁，即不允许有“整 流过零”的波形。要实现工频交流整流波形不过零，保证LED灯光不闪烁，至少可以 考虑下列措施；
措施
（A）用大容量电容滤波。 但是受大电容体积、重量、成本的制约，如果用电解电容，还可能会导致可靠性短 板效应而崩盘。 （B）用三次谐波的波形叠加，改善整流波形。 （C）用移相九十度交流整流波形叠加，有效改善整流波形不过零。 （D）用三相高频整流波形叠加，可确保整流波形不过零。这是电力电子技术容易 实现的方案之一，可靠性很好，缺点是成本较高。适用于对成本不敏感，而对可靠 性很重视的场合。 （E）用回收电源直流母线中，若干个谐波频率的能量，经检波（整流）成为直 流，回馈给直流母线，既可解决整流波形过零的问题，又有效提升整个装置的电功 效率，并且还有效降低整个装置的EMC电平，有利于通过“3C”的认证。 至于光效的考虑： 一是LED器件本身光效要足够高； 二是LED灯电源适配器本身功耗要尽量低。
LED灯具之电源设计
（三）LED灯具之电源设计 凡事，预则立，不预则废。 设
计之道，在于遵循规范，然后综合考虑可靠性和安全性前提之下，找到实现 预定目标的创新方法。 （3．1）LED灯具电源设计的核心是“低纹波恒流”供电： 首先，LED是固体发光器件之一，可用来作小功率照明应用有独特优势。 其次，LED本质是二极管，是低压稳压（齐纳）二极管，每一颗LED的工作电

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压 范围是3.1伏（小电流）至到3.5伏（大电流）。设计之前，必须用实际测试的方 法，来筛选LED在摄氏六十度的工作电压和工作电流一致的器件，来组合（串联、 并联、串并联阵列）成为LED的照明产品。
LED灯串联、并联
LED并联工作用稳压电源供电，当温度升高，某最亮的LED灯工作电流分散 性，可能发生恶性循环，而把最亮光的LED先烧坏。 LED灯串联工作是用恒流电源供电，当温度升高时某最亮的LED灯的工作电压 下降，抵制了发生恶性循环的过程。但某灯烧断可能导致整串不亮，是其不足之 处。 LED先并后串的阵列方法，可靠性较好，但筛选更须严格。 LED先串，分别控制每串恒流电源供电，然后，若干串之间并联，由稳压源供 电，是业界广泛认可的优选阵列方法之一。虽然较复杂，成本较高，但LED较昂 贵，为使其可靠性和安全性较好，还是值得推荐的。
单独恒流稳压控制拓扑之一
Uin
GND LEDM LEDN LED1
CO
RV
DZV
C u
Cou
Rb TI
TV RV
Uin
Coc
DZ1
Ro
（图一）每串LED单独恒流稳压控制拓扑之一
原理性试验的模型
上述（图1）只是原理性试验的模型，还不是产品实用电路； 因为只须用“微功耗的取样”，和“微功耗调节器”，才能提升（图1）的电功效率 0.90以上，才有实用价值。请注意用“科技资料查新”方法，才不致在无知中误侵犯 别人已登记注册的专利“微功耗取样”用“微功耗调节器”。我们也可能优选不同的TU （稳压调节器）和TI（恒流调节器），来创新自己“LED的稳压恒流供电”拓扑。 上述（图1）的DZU及DZI均示意是“宽温度稳压管”而已，同理，稳压调节管 TU，和恒流调节管TI，也是“微功耗调节器”原理示意而已。前提是暂不关注“电功效 率0.90”的指标，可用（图1）来做示范原理性验证。
单独恒流稳压控制拓扑之二
Uin Coc Ro DZI
TI Rb
CV RV CO LEDM LEDN LED1
TV DZ1 RV
Uin
GND
（图二）每串LED单独恒流稳压控制拓扑之二
不隔离的LED灯电源拓朴
注意到（图1）的稳压控制TU须高压PNP型器件，价格高于同耐压的NPN型器 件；又注意到低压差电子滤波宜用PNP型器件，所以又设计另一拓扑见（图2）所 示。请注意：（图2）是LED与UIN电源母线的负极同电位可接GND，而（图1）是
LED与UIN 正极同电位可接GND。 以上两图中的三只电容 、 、 起着有效降低LED的纹波的作用。重复再说一 遍；（图1）和（图2）只是抛砖引玉的两粒砖块而已，有待诸君有更好创新拓朴， 彼此交流切磋，共同为提升中国LED的产业自主知识产权，因为LED芯片的知识产 权绝大多数不为中国

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所控，亡羊补牢也只能在芯片知识产权之外，做成中国的LED 灯“智慧经济”产业。 （3．2）不隔离的LED灯电源拓朴 LED灯一端无须接地的非隔离的方案，一般视为“不隔离式LED灯”来考虑其配 套的LED电源。小于5W的LED灯由于不要求“功率因数大于0.7”的规定,可以用最简 单的“交流电容限流”方案,见(图3)所示。
非隔离式交流电容限流拓扑
CI F L RM Uin CV N RV CO TV DZ1 RV TI Rb RO Coc DZI
（图三）非隔离式交流电容限流LED电源拓扑 在（图3）中靠 限制交流电流，运用于5W以内的小功率LED灯是可行的。其升 级版可加入触摸开关和各种异常保护等。形成各系列产品。
LED 5W
非隔离式LED灯BUCK拓扑
对大于5W的LED灯，用上述（图3）如若功率因数低于0.7的底线，可用BUCK 拓朴提升功率因数，见（图4）所示；
LBUCK RO F L Uin N TI Coc DZI
E MI
DBUCK CV
Rb
RV CO TV DZ1 RV
LED恒 流 控 制
异常保护 占空比D
TS
LED恒 压 控 制
（图四）非隔离式LED灯BUCK电源拓扑
隔离式的LED电源拓朴
（3.3）隔离式的LED电源拓朴：
Uin Li
D3
D1
N1 R
N2
TVS CO C
LED恒 流 控 制
异常保护
Uin LED恒 压 控 制
TS
占空比D
Li
D2
（图五）隔离式LED灯反激电源拓扑
GND
业界对于小功率LED灯多数用反激式开关电源，见（图5）所示，用电力电子 变压器TR的N1绕组与N2绕组，实现磁的耦合电的隔离，由N2次级倍电流整流给 LED供电。
软开关ZVZCS反激拓扑
更大功率的隔离式LED灯可用双变压器TR1和TR2分别给两组独立的LED灯供 电，见（图6）所示；
L1 Uin D1
N1
N2
CO DF1 CZV1
L2
D2 DZV TS
LED恒 流 控 制
占空比D 异常保护
GND
LED恒 压 控 制
L3 DF2 CZV2
D3
N1
N2
CO
L4 Uin D4
（图六）隔离式LED灯反激电源拓扑
软开关ZVZCS反激拓扑
软开关ZVZCS的（图6）电力电子开关TS，其占空比D，受控于LED“恒流控 制”，还受控于LED稳压控制，还受控于异常保护。一只电力电子开关TS同时驱动 两只电力电子变压器TR1和TR2，两只变压器次级N2分别各用“倍电流整流”分别供 电LED1，和LED2。 （图5）和（图6）的LED灯可以并联电容 减少纹波。 把（图2）运用到（图5）和（图6）更能有效减少纹波。

LED灯具的其他相关要点
（四）LED灯具的其他相关要点 （4.1）热设计： LED的光衰，受温度影响关系巨大，所以，如何散热的“LED灯热设计”是不可 或缺的事。 散热三方法： 幅射散热； 幅射散热与温差成正比，与幅射面积大小成正比，因此对LED灯幅射散热的效 果很有限。 对流散

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热； 对流散热与流动工质的流速有关，与热交换面积有关与温差有关，与工质的热 容量系数有关，因此用于LED灯散热受诸多限制。 传导散热： LED器件体积小，用辐射和对流散热受局限，比较优选的是用“热管”来传导散 热，能收到立竿见影好效果。 另外，应特强调一体化LED灯的电源适配器的电功效率愈高，发热量就愈小。
电磁兼容与EMI滤波器
（4.2）电磁兼容与EMI滤波器； 如果用纯直流来直接点LED灯，那是不会发生EMC问题的。 但是，如果用开关电源调控LED恒流和稳压，就必然会有 / 、 / 的瞬变过程， 于是就发生电磁兼容的问题。 解决的办法是EMI滤波器，可以滤除差模干扰和共模干扰，使LED灯名符其实 是绿色光源。应用“磁集成技术”可以大幅度提升EMI滤波器的性能价格比。那超出 今天讲座的内容，且时间有限，以后有机会再向各位讲述吧。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6gre.html