原创 LED 日光灯电源内置外卸整体创新设计思考

   2010 年LED 日光灯在上海世博会的“沪上 ? 生态家”、上海地铁(如2 号线江苏路站厅)、地下车库、学校教室、医院、办公大楼及新建住宅楼等需要长时间光照的公共场所大放光彩；LED 日光灯出口量持续增长；LED 日光灯的省电效应已被普遍公认，社会需求与日俱增，正在成为新一代照明灯具的明日之星。

    DC LED 光源光珠的理论寿命是2-10 万小时，但目前电源所使用的铝电解电容器寿命只有4000-12000 小时，因此设计能方便地更换、既是内置又可方便外卸的驱动电源整体模块是需要有突破传统设计思路的创新思维。

LED 日光灯驱动电源方案
    所有的 DC LED 光源光珠的点亮都需要给予它恒定的直流电源，都需要给予它VF 电压和IF 工作电流，因此DC LED 的驱动电源在LED 照明灯具中是必不可少的。
    目前 LED 日光灯驱动电源方案分为隔离的和非隔离的二种方案，隔离方案的效率在75-88%，非隔离方案的效率在90-97%，隔离方案是绝对安全型的，可以使LED 灯具轻松地通过CE 和UL 认证，非隔离方案要过CE 和UL 认证需要下一番功夫。传统的灯具，如白炽灯、荧光日光灯等都是非隔离的，几十年用下来百姓们感到基本安全，因为灯具是照明用的，通电时基本上是不会用手去触摸它的。社会需求是多种多样的，因此，荧光日光灯、隔离型LED 日光灯和非隔离型LED 日光灯在一定时期里都会长期共存，以满足社会的多方需要。
    DC LED 日光灯驱动电源的隔离方案以PI 公司为例，LNK406EG 应用方案相当成熟，效率可达87-88%，功率因数（PFC）可大于0.9。满足能源之星ENERGYSTAR? 09/12/07 固态照明灯具家用驱动电源PFC >0.7 、商用驱动电源PFC >0.9 、一体灯 PFC >0.7 的要求，以及IEC 61000-3-2 对PFC 谐波限制的要求。初级侧精准的恒流控制达5%，无需光耦和次级控制线路。启动时间快，无可见延时，CCM 工作电磁干扰低。集成MOS 管，应用电路外围零件数目少，易于超薄设计。典型驱动电源应用电路和电源模块如图2 所示。

    DC LED 日光灯驱动电源的非隔离方案以BPS 公司为例，BP2808 应用方案相当成熟，在国内外LED 灯具生产厂商中获最佳性价比之一美誉。BP2808 是专门驱动DC LED 光源的恒流控制芯片。BP2808 工作在连续电流模式的降压系统中，芯片通过控制LED 光源的峰值电流和纹波电流，从而实现LED 光源平均电流的恒定。由于芯片集成度高，芯片应用电路只要使用非常少的外部元器件就可实现恒流控制、模拟调光和PWM 调光等功能。系统应用电压范围从12VDC到600VDC，占空比最大可达100%；适用于交流85V-265V 宽电压输入，主要应用于非隔离的DC LED 灯具电源驱动系统。BP2808 采用专利技术的源极驱动和恒流补偿技术，使得驱动LED 光源的电流恒定，从交流85V-265V 范围内变化小于±3％。结合BP2808 专利技术的驱动系统应用电路，使得18W 的LED 日光灯实用方案，在交流85V-265V 范围内系统效率高于90％。普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流，电流不连续，谐波失真大，功率因数低，采用填谷原理无源PFC 电路，系统的功率因数从0.6 提高到0.89--0.90。典型驱动电
源应用电路和电源模块如图3 所示。
    无论是隔离还是非隔离型方案的驱动电源，AC/DC 变换后的残余纹波的滤去，按目前的电子技术都离不开电解电容器。

驱动电源长寿的致命弱点
    DC LED 驱动电源如同所有的电源一样，电路需要使用一定数量的电解电容器来滤去纹波和储存能量、平稳电流、改善谐波失真。尤其是AC/DC 整流器整流后输出的电流是脉动直流，电流不连续，纹波较大，更需要大容量的电解电容器滤波和补充能量。
    照明灯具的传统结构留给 LED 驱动电源的空间十分有限，一般LED 照明灯具的光源光珠在灯具的下方，驱动电源和接入AC 电源的接口在上方，DC LED光源在上电发光时，大约有60%的电能转化成热量向灯具上方传导、散发、辐射，因此LED 灯具点亮后，LED 灯具的灯头区域，特别是密封在内的安装驱动电源板的部位，局部环境温度会升至70-90oC，形成热量富集区域（图4）。电解电容器的电解质是糊状体，长期工作在高温的环境下糊状电解质会被慢慢烤干，从而失去电解电容器的功能。最后导致驱动电源不能正常工作，使DC LED 光源不能正常发光，由于LED 是长寿命的电子器件，此时LED 灯具只要更换新的驱动电源板，LED 光源光珠即重新能正常工作发光。
    一般的铝电解电容器的使用寿命在 5000 小时以下，日本红宝石品牌的铝电解电容器的使用寿命在12000 小时/105 oC，远远不能满足LED 光珠长寿命工作的要求。铝电解电容器的寿命还与使用环境温度有很大关系，环境温度升高电解质的损耗加快，环境温度每升高10 oC，电解电容器寿命就会减少一半。因此铝电解电容器是导致驱动电源不能长寿的致命弱点，也是目前LED 灯具不能如愿长寿命的关键。

电源内置外卸整体创新设计
    按目前已有的电子技术要使 LED 灯具实现真正实用意义的长寿命，唯一的办法是改革现有的灯具结构，进行创新设计。一个可方便DIY 更换驱动电源，可延续LED 灯具的使用期，实现真正的低碳节能、省电长寿命。就LED 日光灯而言对电源安装结构的创新设计可能比E27 的Par 灯来得容易。设计一款既是内置在LED 日光灯的灯管内又可方便地外卸更换的电源模块是目前国内外市场的所求。当一个LED 日光灯因驱动电源内的铝电解电容器寿终正寝LED 灯珠不亮时，如能方便地从超市购买的一个可以自已动手更换的电源模块，正是广大客户和商家所期待的。
    图 5 是宁波锐硕光电科技有限公司新推出的DC LED 日光灯，它最大的特点是实现了驱动电源既是内置而又可很容易地外卸更换；真正体现了以人为本的市场理念，真正意义上实现了LED 日光灯的长寿命。一种电源内置外卸整体创新设计思路给LED 灯具行业带来了气象万千的新风。从图5 可以很清晰地看清既是内置又可外卸的电源模块的创新结构，上侧是放在电源模块盒内的驱动电源板。许多新的设计思路当它展现在你面前时看似简单、一点即通，只怕你想不到而只能望金莫及，苦思冥想。创新设计是LED 灯具扩大市场的源动力。
                                                                                                                                                      Alec 2011-01-28

参考资料
《LED 灯具低压驱动技术》 颜重光 2008-9-18
《实用LED 台灯方案设计思考》 颜重光 2009-10
《LED 灯具驱动技术发展趋势分析》 颜重光 2010-02
《基于 BP2808 的LED 照明灯具电源应用设计技术》颜重光 2010-04-30
《LED 照明驱动电源设计技术》PPT 颜重光 2010-05
《LED 室内照明驱动技术研讨会》PPT PI 2010-11-01