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无电解电容LED光引擎的缺点和问题

songzhige
高工
2013-10-24 14:30:58     打赏
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）。


1.jpg 
图1. LED球泡灯的构成

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。
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关键词： LED显示屏     问题     缺点     电解电容     散热器     灯具    

songzhige
高工
2013-10-24 14:31:38     打赏
2楼
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。有人就曾经试图这样做，其结果是非常拥挤（见图2）

2.jpg 
图2. 采用开关电源的光引擎板

从这张照片可以看出，整个开关电源几乎占据了70%以上的面积，而把LED的空间减到最小。这种结构显然是不可行的，因为它不但减小了LED的发光面积，也挡去一部分光线。而且最大的问题是减小了LED的散热面积。图中看来可能是5个1W的LED。如果要做成9W或10W的球泡灯更是完全不可能实现的了。

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。图3就是美国Supertex公司的CL8801芯片的内部结构图。

3.jpg 
图3. CL8801的内部结构图 图4. 电流和电压波形图

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（见后面）。

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songzhige
高工
2013-10-24 14:32:18     打赏
3楼
下面就是几种采用无电解电容线性恒流源的光引擎。

5.jpg 
图5. 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。在SU1203的规格书中给出了它的电源效率如图6所示。

6.jpg 
图6. SU1203的电源效率和输入电压关系曲线

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。

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