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案例曝光：解析LED球燈泡的驅動電源

發布時間：2014-11-21 責任編輯：echolady

【導讀】LED球燈泡最為白熾燈的替代光源，從品質上得到了提升。無論如何更替，LED內部的驅動電源都是不可或缺的。驅動電源的品質關係到球燈泡的安全與否和品質好壞。

隨著LED的發展以及節能減排的國際大勢，LED燈具及光源向民用市場大規模進軍。而作為民用光源裏麵最為普遍的白熾燈，歐洲已經在2012年禁止白熾燈生產和銷售，美洲在2014年也禁止了40W及其以上白熾燈的生產和銷售。

中國已於2012年10月禁止了100W以上白熾燈的生產和銷售，同時在2014年10月1日禁止60W及以上白熾燈的生產和銷售，將於2016年10月1日禁止15W及以上白熾燈的生產和銷售。

在這大勢下，作為白熾燈的直接替代光源，LED球泡燈的用量將得到巨大的提升。其品質也會參差不齊。作為LED球泡燈內部不可或缺的驅動電源，其品質很大程度上決定了一個球泡燈的安全與否及品質好壞。

驅動電源基本分為非隔離驅動及隔離驅動兩大類：

一、非隔離驅動

非隔離驅動(non-isolated power)是指在輸入端和負載端之間沒有通過變壓器進行電氣隔離，而又直接連接，輸入端和負載端共地，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驅動。也就是把交流電整流以後得到直流高壓，然後就直接用降壓(Buck)電路進行降壓和恒流控製，非隔離驅動的優點是成本低、簡單、體積小、效率高。

當非隔離驅動應用於球泡燈時，使用鋁材(金屬)外殼無法做到安全性的標準(輸入對外殼要求耐壓4KV)，故而外殼必須采用絕緣材料加工，通常有塑料、導熱塑料、塑包鋁等形式來實現。然而采用導熱塑料或者塑包鋁的形式又使得LED球泡燈的成本增加，采用塑料加工成的外殼又無法有效的散熱。

在這樣一個LED競(jing)爭(zheng)激(ji)烈(lie)的(de)大(da)環(huan)境(jing)下(xia)，很(hen)大(da)一(yi)部(bu)分(fen)商(shang)家(jia)為(wei)了(le)追(zhui)求(qiu)利(li)潤(run)及(ji)銷(xiao)售(shou)額(e)，無(wu)視(shi)安(an)全(quan)因(yin)素(su)製(zhi)造(zao)大(da)量(liang)非(fei)隔(ge)離(li)金(jin)屬(shu)外(wai)殼(ke)的(de)球(qiu)泡(pao)燈(deng)，又(you)或(huo)無(wu)視(shi)產(chan)品(pin)品(pin)質(zhi)製(zhi)造(zao)大(da)量(liang)塑(su)殼(ke)球(qiu)泡(pao)燈(deng)，同(tong)時(shi)燈(deng)具(ju)的(de)功(gong)率(lv)往(wang)往(wang)虛(xu)標(biao)30%以上。

目前球泡燈上應用最多的幾種非隔離驅動如下：

1.電阻限流式

如圖1：電阻限流式驅動，僅采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，通過限流電阻來限定LED的平均電流。

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圖1

該驅動方式在電壓未達到LED模塊(由多個LED串聯構成)開啟電壓前，LED不發光;電壓超過LED模塊的開啟電壓後，通過LED的電流逐漸增加，表現形式為I=(U-Uon)/R，經過LED的電流會隨著電壓的變化而變化。

如圖2所示(綠線表示橋堆輸出端電壓，紅線表示LED電流，藍線表示電阻R上的電壓)，LED電流有間斷(頻率為100Hz)，LED電流存在的時候也有大小變化，故而表現為頻率為100Hz的頻閃現象。

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圖2

如圖2所示，LED模組串聯個數較多(即開啟電壓需求較高)、限流電阻較小時，LED電流斷續時間長，頻閃效果明顯，但是電阻上消耗的能量較小(紅線電流與藍線電壓的積分)，即效率相對較高。
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圖3

如圖3所示，LED模組串聯個數較少(即開啟電壓需求較低)、限流電阻較大時，LED電流斷續時間短，頻閃效果較不明顯，但是電阻上消耗的能量較大，效率相對很低。

電阻限流式非隔離驅動，在電網電壓不穩定時，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU2/R，yincigonglvjiqibuwending，zaochengzhaomingliangdubianhuamingxian，erqiegonglvsuizhedianyabodongdepingfangbianhua，shidedengjufeichangrongyichangshijianzaichaoguobiaozhunwenduxiagongzuo，shoumingjianduan。

該驅動方案由於負載主要呈現為阻態，電壓過零的時候不存在電流，故而功率因數較高接近1，不過由於限流電阻的存在其效率很差通常隻有30%~65%的效率，但是由於該方案成本非常低廉，導致很多生產商生產該類產品，LED球泡燈的品質很難得到保證，其安全性也難以得到保證。

2.恒流二極管限流

如圖4：恒流二極管驅動，采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，通過恒流二極管來限定LED的電流。

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圖4

該驅動方式在電壓未達到LED模塊(由多個LED串聯構成)開啟電壓前，LED不發光;電壓超過LED模塊的開啟電壓後，通過LED的電流由恒流二極管限定，表現為恒定電流狀態。橋堆後麵的電容是平衡效率及功率因數用的。

不加橋堆後的電解電容，如圖3所示(綠線表示橋堆輸出端電壓，紅線表示LED電流，藍線表示恒流二極管CCD上的電壓)，LED電流有間斷(頻率為100Hz)，但是LED電流存在的時候表現為恒流狀態，故而表現為頻率為100Hz的現象。

同樣，由於恒流二極管限定了通過的電流，其兩端必定會承載超出LED工作電壓的那部分電壓，因此效率較低，通常在70%左右，但是其電流基本跟隨電壓波形，功率因數較高，可較容易做到0.9以上。

加上橋堆後的電解電容，LED電流連續且恒定，因此在電容量足夠大的前提下該驅動方案就表現為無頻閃，而且，由於電解電容將橋堆後的電壓波動降低了，因此 LED模組的電壓的設定可以充分的接近橋堆後輸出電壓，使得恒流二極管不用承載過多的電壓，提高驅動效率，通常可提升至85%左右，但是其電流恒定，在輸入電壓過零的時候導致大量的無功功率產生，功率因數較低，一般隻有0.5~0.6。

恒流二極管實現的非隔離驅動，在電網電壓不穩定時，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU*I，因yin此ci功gong率lv浮fu動dong與yu電dian壓ya波bo動dong成cheng正zheng比bi，但dan是shi燈deng具ju照zhao明ming效xiao果guo相xiang對dui穩wen定ding，但dan是shi由you於yu恒heng流liu二er極ji管guan的de價jia格ge始shi終zhong較jiao高gao，而er且qie其qi電dian流liu驅qu動dong能neng力li隻zhi有you幾ji十shi毫hao安an，故gu而er無wu法fa得de到dao推tui廣guang應ying用yong。

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3.阻容降壓

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圖5

如圖：阻容降壓工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限製最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA,但在電容器上並不產生功耗，因為如果電容是一個理想電容,則流過電容的電流為虛部電流,它所作的功為無功功率。根據這個特點，在其後麵串聯一個LED模組，隻要電流設定正確，那麼LED兩端的電壓也必定是額定狀態下的電壓。

因此該方案由於電容主要消耗無功功率，效率較高，但是其功率因數往往非常低，通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接決定了頻閃的顯著與否。

因為LED工gong作zuo需xu要yao比bi較jiao穩wen定ding的de直zhi流liu環huan境jing，因yin此ci該gai方fang案an常chang常chang采cai用yong橋qiao式shi全quan波bo整zheng流liu，但dan是shi全quan波bo整zheng流liu產chan生sheng浮fu置zhi的de地di，並bing在zai零ling線xian和he火huo線xian之zhi間jian產chan生sheng高gao壓ya，造zao成cheng人ren體ti觸chu電dian傷shang害hai，是shi為wei比bi較jiao危wei險xian的de一yi種zhong驅qu動dong。

電網電壓波動時，LED電流也會同比的跟隨變化，因此，其穩定性也較差，而且由於電容壽命直接影響容值，使得容值變小，輸出電流也會隨之降低，使得LED球泡燈的光衰倍化加劇。

但是，由於其成本低廉，線路非常簡單，而且對LED模塊的工作電壓的範圍幾乎沒有要求，通用性非常高，使得目前大部分廠家采用阻容降壓的方式作為中低功率的球泡燈驅動。

4.線性驅動

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圖6

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圖7

線性驅動，采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，然後通過線性恒流芯片根據當前狀態下的半正弦波電壓值來分段驅動LED模塊，並且限定每一段LED的電流。簡單的說就是電壓達到第一段LED模塊工作電壓時，第一段LED工作，電流限定在紅線的第一個台階處；電壓達到第一段LED模塊工作電壓與第二段工作電壓之和時，第一段LED和第二段LED同時工作，電流限定在紅線的第二個台階處；電壓達到三段LED模塊工作電壓總和時，三段LED同時工作，電流限定在紅線的第三個台階處；該驅動方式在電壓未達到第一段LED模塊工作電壓前，LED不發光，沒有損耗；電壓超過第一段LED模塊的工作電壓後，通過LED的電流由線性驅動芯片限定，表現為恒定電流狀態，在達到後段LED工作電壓前，超出的電壓將由芯片內部的MOS吸收，該部分能量為損耗能量。通過合理的LED串聯分段，盡可能使得三段的工作電壓擬合正弦波，充分減小損耗，驅動的效率可提升至90%以上

由於其驅動特性是將LED模塊按照阻性負載的特性的模式驅動，因此電流跟隨電壓波形，功率因數可達0.97以上，但LED電流有間斷（頻率為100Hz），故而表現為頻率為100Hz的現象，同時，在周期內，LED亮度是分為6個亮度等級漸變的，可適當緩解頻閃的效果。

同樣的,在橋堆後麵加上電解電容，能通過降低功率因數來實現無頻閃，在Cin足夠大，將電壓的波穀值拉升至所有LED工作電壓之上，頻閃現象就將完全消失，但是功率因數也會將至0.5左右。

在(zai)電(dian)網(wang)電(dian)壓(ya)不(bu)穩(wen)定(ding)時(shi)，線(xian)性(xing)驅(qu)動(dong)芯(xin)片(pian)會(hui)根(gen)據(ju)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)對(dui)電(dian)流(liu)稍(shao)作(zuo)調(tiao)整(zheng)，使(shi)得(de)整(zheng)燈(deng)的(de)功(gong)率(lv)維(wei)持(chi)不(bu)變(bian)，燈(deng)具(ju)的(de)壽(shou)命(ming)充(chong)分(fen)得(de)到(dao)保(bao)證(zheng)，而(er)且(qie)燈(deng)具(ju)亮(liang)度(du)變(bian)化(hua)也(ye)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)10%，肉眼幾乎無法辨別。由於其成本相對阻容方案要高，而且設計電路要求較高，通用性小，故而在市麵上的球泡燈應用中較為少見。

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5.恒流芯片buck（NPFC）

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圖8

降壓型恒流驅動，采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，通過橋堆後的電解電容將脈動電壓變換為振幅較小的直流電壓。通過采樣電阻來高頻驅動恒流芯片內部的MOS，達到控製電流的目的，電流值不受輸入電壓波動而影響，恒流芯片的內部MOS的開關頻率通常在幾十至幾百赫茲。

當橋堆後的電解電容足夠大時，隻需保證輸出端LED模塊的工作電壓小於電解電容輸出端波穀的電壓值時，可以完全消除100Hz的頻閃；而芯片內部的高頻開關由於其頻率較高，外加LED模塊並聯的濾波電容及電感，使得頻閃效應得到解決。當然，如果橋堆後麵的電容較小時，LED的工作電壓大於電容後端輸出電壓，則100Hz頻閃依舊存在，其振幅與LED模塊的工作電壓和電容後端輸出電壓的波穀的差值有關，差值越大，振幅越大，頻閃效果越明顯。

由於大電容及後端開頻的存在，該電路功率因數往往隻有0.5左右，但是因為其結構簡單，效率高達90%以上，恒流精度更是在5%甚至3%以內，負載調整率也較高，因此大部分追求品質的LED球泡燈生產商選用改方案。

也有不少商家為了節約恒流芯片的成本，在恒流芯片處通過采用被動元器件（二極管，三極管，MOS）來控製恒流，通常這樣的方案在恒流精度以及開路保護，短路保護方麵做得就不夠好。

6.恒流芯片buck（填穀）

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圖9

由於降壓型恒流驅動廣受好評，但是收到超過5W的照明燈具及光源的功率因數要求>0.7這個規範的約束，技術人員在降壓型恒流驅動的整流橋和整流電容之間設計了由3個二極管2個電容組成的3D2C式填穀電路，通過2個電容串聯方式充電及並聯方式放電的形式，提升功率因數，功率因數可提升至0.8~0.9，使得降壓型恒流驅動也滿足LED球泡燈在功率因數方麵的要求。當然成本會有一定程度的提升，電源體積也會相應變大。

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7.恒流芯片buck（APFC）

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圖10

APFC恒流驅動，通過芯片上檢測輸入電壓波形的引腳（此處是LN）控製輸出電流的波形，使其接近半正弦波，即當輸入電壓過零點時，MOS關斷，使輸入電流也變零，從而使得電流的包絡波形接近半正弦波，從而提升功率因數，功率因數通常可達0.95及以上；在輸入電壓不處於過零狀態下，恒流芯片根據FB引腳出的反饋電壓進行高頻開關動作，控製輸出電流，達到恒流的目的。

由於其輸入電流呈現半正弦波，導致其輸出電流也有100Hz的波動，當然其振幅由於輸出端濾波電容及電感的存在，會小很多，但是存在100Hz的頻閃是不爭的實事；當然適當的加大濾波電容會使得輸出電流紋波變小，改善頻閃效果。

二、隔離驅動

隔離驅動（isolated power）是(shi)指(zhi)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)和(he)負(fu)載(zai)端(duan)之(zhi)間(jian)通(tong)過(guo)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)進(jin)行(xing)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)，使(shi)輸(shu)出(chu)端(duan)無(wu)法(fa)直(zhi)接(jie)接(jie)觸(chu)高(gao)壓(ya)。因(yin)此(ci)觸(chu)摸(mo)負(fu)載(zai)就(jiu)沒(mei)有(you)觸(chu)電(dian)的(de)危(wei)險(xian)，隔(ge)離(li)驅(qu)動(dong)的(de)優(you)點(dian)是(shi)安(an)全(quan)。
當隔離驅動應用於球泡燈時，其外殼可通過金屬、塑料、導熱塑料、塑包鋁等多種形式來實現。我們所要克服的就是隔離驅動所帶來的體積大，效率較低，成本較高等缺點。
因此在整個LED球泡燈市場上，隔離電源使用的較少。

也(ye)有(you)不(bu)少(shao)生(sheng)產(chan)商(shang)對(dui)隔(ge)離(li)驅(qu)動(dong)理(li)解(jie)的(de)不(bu)夠(gou)透(tou)徹(che)，以(yi)為(wei)使(shi)用(yong)了(le)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)將(jiang)輸(shu)入(ru)與(yu)輸(shu)出(chu)分(fen)隔(ge)開(kai)就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)，而(er)忽(hu)略(lve)了(le)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)及(ji)電(dian)氣(qi)間(jian)隙(xi)等(deng)，這(zhe)樣(yang)的(de)方(fang)案(an)完(wan)全(quan)不(bu)能(neng)算(suan)作(zuo)隔(ge)離(li)驅(qu)動(dong)。

1.單級恒流（NPFC）

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圖11

LEDqiupaodengshangyingyongdegelidanjihengliuqudong，jiandandeshuo，yufeigelijiangyaxinghengliuqudongzhuyaochayitixianzainengliangyikaogelibianyaqi，zaiyuanbianjiangdiannengzhuanhuanweici，youzaifubianjiangcizaicizhuanhuaweidianneng，zaitishenganquanxingdetongshi，zhuanhuaxiaolvjiangdile。qixiaolvtongchangzhiyou80%~85%。

該驅動方式的功率因數由於沒有進行校正，大約為0.5，當然也可以在橋堆後麵設計3D2C的填穀電路，將功率因數提升至0.8~0.9。

2.單級恒流（APFC）

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圖12

LED球泡燈上應用的隔離APFC單級恒流驅動，與非隔離APFC恒(heng)流(liu)驅(qu)動(dong)主(zhu)要(yao)差(cha)異(yi)也(ye)是(shi)體(ti)現(xian)在(zai)能(neng)量(liang)依(yi)靠(kao)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)，在(zai)原(yuan)邊(bian)將(jiang)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)磁(ci)，又(you)在(zai)副(fu)邊(bian)將(jiang)磁(ci)再(zai)次(ci)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，在(zai)提(ti)升(sheng)安(an)全(quan)性(xing)的(de)同(tong)時(shi)，轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)了(le)，其(qi)效(xiao)率(lv)通(tong)常(chang)隻(zhi)有(you)80%~85%。同樣不可避免的產生100Hz的頻閃，其頻閃深度可通過輸出端的濾波電容控製。

3.二級恒流（PFC）

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圖13

二級恒流隔離驅動，在變壓器原邊通過APFC芯片U1將驅動的功率因數提高，然後通過變壓器將電能傳遞到副邊，副邊的恒流芯片U2將輸出電流變化為恒流電流，其芯片工作頻率大多處於幾十K到幾百K赫茲的範圍。

該方式驅動，功率因數一般都在0.95以上，而且無100Hz的頻閃。但是由於其線路複雜，成本較高，效率通常也隻有80%~85%。

幾乎沒有球泡燈驅動應用到這種驅動方式。

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