无电解电容LED光引擎的缺点和问题

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。


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）。

下面就是几种采用无电解电容线性恒流源的光引擎。


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。


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。

三． 电源和灯板合并会引起严重的散热问题

采用普通的线性恒流源是不是一种可行的光引擎方案呢？不是如此。虽然它解决了占用空间的问题，但是除了上面已经提到的缺点以外还有一个不能忽略的缺点，那就是散热问题。虽然不管电源放在哪里，它的热量总归是要通过散热器散到空间，但是当电源和灯板放在一起的时候，电源所消耗的功率会变成热量而直接加到灯板上，就会增加灯板所需散去的热量，这就会增高LED的结温，降低其寿命。而且线性恒流源最大的缺点就是效率极其低下。所以这是一个极为严重的问题。

下面举一个例子来说明这个问题。

假定一个10W的LED球泡灯，就是说其灯板上有9W的LED。或者说它需要9W的供电。采用无电解电容方案以后它的效率为84%-93%，平均值为88.5%。也就是它在供给8.85W的功率给LED灯板时，本身要消耗11.5%的功率，也就是消耗了1.15W的功率。那么如果这个电源也安装到灯板上去，势必要增加灯板的热量，但是灯板增加了不止11.5%的热量！为什么？

因为8.85W的LED并不是这8.85W全部变成了热，而是有一部分变成了光发出去。当前的LED的发光效率在30%左右。假定发光效率为40%，那么有60%的能量都变成了热量，也就是有5.4W的热量需要散发出去。现在又增加了1.15W，变成6.55W。也就是增加了21.3%的热量。虽然本来的散热器也需要把这部分热量散发出去，但是现在把这部分热加到了LED灯板。因为电源是放在灯板的电路面，而电路面要传到散热器需要通过两个绝缘介质，一个是印制板的绝缘介质，另一个是铝基板和散热器之间的绝缘介质，所以电路面的温度和散热器的温度是不同的，而LED是放在铝基板的电路面的。也就是说由于电源放到了电路面就会使铝基板的电路面热量增加了21.3%，这会导致LED的结温也升高21.3%。而结温增加对寿命的影响到底有多大呢？这可以参看Cree公司给出的结温和寿命的曲线（图7）。


图7. 结温和寿命的关系曲线

这个曲线是以光衰至70%作为 寿命的标志，假如原来的LED结温是85度，其70%光衰的寿命是3.1万小时。现在结温升高了21.3%，也就是升高到100度左右，它的寿命就从3.1万小时降低到1.5万小时，也就是降低了16,000小时。所以这种温升对寿命的影响是相当严重的。如果本来声称寿命可以高达3万小时，现在实际的寿命只有1.5万小时。也就是说，这种无电解电容方案的光引擎会严重降低LED的寿命。