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LED产品的光效电功效率和功率因数
作者：spring       发布时间：2012-5-17 14:48:59       文章来源：
LED产品的光效电功效率和功率因数

　　一、前言
　　白色LED的发光效率在不断提高，超过100lm/W(与高效荧光灯相当)的产品也已亮相。在照明器具上使用白色LED，由于照明灯具的电源适配器、灯光反射板及透镜等的损失，通常会使灯具效率低于单纯LED光源的效率，但最近已经出现号称器具效率达到100lm/W的LED照明器具。
　　那白色LED今后会实现何种程度的亮度，又会具备哪些特性?必须研究购买适当的LED颗粒;必须研究灯具的总光效达到标准;必须研究尽量低的成本与尽量高的电功效率的制约;注意美国和欧盟对LED的PF值宽容的立场;推介一些切实可行的LED灯实例。
　　二、LED的光效日益提升是时代进步的必然
　　基于白色LED的蓝色LED芯片的能量转换效率(输出光能量与输入功率的比)现在已经达到了50%。但能量转换效率不可能超过100%，因为存在物理极限。就像半导体存储器在集成度的提高上存在极限一样，能量转换效率及白色LED的发光效率今后也不可能一直提高下去。较为合理的看法是LED产品发光效率会在150-200lm/W之间，有较好的性价比。
　　今后重要的是如何在LED升温合理范围内保持高的发光效率。LED存在向芯片输入的电流密度越高，发光效率反而出现衰退(Droop)现象。虽然衰退现象无法消除，但却可以减轻。衰退现象减轻了，在提高电流密度时亮度就会更高，也就是说，这样便可使相同亮度(光通量)时需要的LED芯片数量尽量少。即：如果原来使用了大量LED芯片，今后便可利用较少的LED芯片数量保持获得相同的光通量。
　　LED芯片的单位面积亮度(光通量)越高，亮度单价就越低，白色LED的成本竞争力也就越强。能否提高这一成本竞争力，关键要看LED厂商的创新专利技术竞争力如何。光衰现象越少，成本竞争力就会越高。因为减少LED芯片的面积可降低芯片的成本，而且对顾客也有好处。能够增加每个白色LED输入电流的话，便可提高每个LED的亮度，因此可使照明器具及LED背照灯光源使用的白色LED个数减少。
　　成本降低的话，对LED背照灯液晶电视及LED照明器具来讲的确是节能福音;LED成本降低也是时代进步之必然;LED价格由批量与光效所制约，所以LED灯产业是一个系统工程，需优化然后产业化。
　　注意LED的性价比
　　人为提升LED工作环境温度，导致LED光衰加大、寿命减短，这也是加速测试LED寿命对比的方法之一。
　　把LED灯置于“积分光球”内腔，测出LED发出的“光通量”单位，流明(LM)。即作为分子与LED的电功率(单位/瓦)之比，就是LED的光效。

　　LED生产厂家，出厂前筛选出光效处于不同档次的LED产品，对应不同的价格。这是一分钱一分货的道理。如果你做LED灯只要亮、不用达标的话，就选用低价位低光效的LED产品。如果做的LED产品要达到美国能源之星每瓦55流明的标准，则至少要采购每瓦80流明( LM)的LED。LED本体光效每瓦流明，乘以“灯具的光效”(大约0.9至0.9左右)，再乘以“灯电源适配器的电功效率”(大约0.8至0.9左右)，估算出达标每瓦55流明以上的LED灯，要采购LED本体光效大约每瓦80流明的LED成本就合适了。
　　三、提升电功效率标志节能
　　前述LED灯电源适配器的电功效率，是LED实际得到的功率，与消耗输入电源功率之比，称为电功效率，常用拉丁字母来表示。

　　损耗功率的大部分，是电源适配器本身发热耗电，小部分是电磁干扰(EMC)消耗掉。电力电子工程师的使命就是力求把减小，努力提升电功效率。国际上一般认为达到0.8 以上才拿得出手，超过0.85才是好产品，而超过0.90才被认为是节能产品。
　　再一步深入探讨，它的主要组成有以下要点;
　　1、电源适配器产品内部集成电路的工作需耗电

　　选用微功耗的集成电路是第一关。所以，选择节能的低功耗的集成电路是至关重要的。无IC的自激式也是小功率LED灯优选拓扑之一。
　　2、电力电子开关工作时消耗功率

　　其中导通损耗
　　式中:是开关管的电流的时间函数，是开关管的电压的时间函数，式中T是开关的周期。
　　提升电功效率节能措施
　　(1)尽量设计高压小电流负载，比低电压大电流负载为好，选用饱和导通内阻较小的开关管为好。
　　(2)最好的开关管是COOLMOSFET，同电压等级、同电流条件下，COOLMOSFET内阻比传统MOSFET内阻小得多。其次是IGBT。在频率不太高，开关功率不太大，可用低成本的双极型半导体开关管。
　　(3)必须让开关管处于“非通、则断”的开关状况，切忌让开关管落入放大区工作，在放大区的开关管损耗很大!电力电子开关管在放大区之外的两个区：截止区(OFF)有，无电流，因为零，无发烧;饱和区(ON)有，但电压很小，也不发烧。
　　驱动损耗??电力电子开关管的驱动信号功率
　　对于双极型晶体管而言，驱动功率较大的内因是大电流开关工作状态时的电流放大倍数，远小于参数表格中小信号放大倍数，所以基极驱动电流较大。

　　如果工作频率固定，还可以用“谐振驱动”，利用谐振回路LC的“品质因数Q”，具有放大的作用，能够最大限度降低驱动信号功率。但如果不是固定频率则不可以用揩振驱动，这时可以使用“源极开关驱动”方式来实现微功耗驱动。例如：QX9910等都是优秀的微功耗驱动IC，一下子把上述和大幅度降低了。
　　开关损耗
　　硬开关过程;从OFF?ON或从ON?OFF，实际上开关管工作点都掠过“放大区”才到达“截止区OFF”或者到达“饱和区ON”，就在“掠过”开关区的短时间内，是存在开关损耗的;

　　软开关过程;上述表达式中，或任为一零，其乘积必为零，这就是“软开关”的物理内涵。有两个原则作为设计技巧使用：电子开关“串联电感”，由于电感电流不可以突变，电子开关必然是ZCS零电流导通软开关;电子开关“并联电容”，由于电容电压不可以突变，电子开关必然是ZVS零电压截止软开关。
　　铁损与铜损
　　开关电源的铁损，是磁性材料磁化回线所包围的面积，正比例于铁损，磁性材料内部“磁畴”发生的“磁滞损耗”及“涡流损耗”，所以选择磁性材料的磁化回线所包围的面积愈小愈好，愈接近于矩形的小面积“矩形磁化回线”愈好。

　　开关电源的铜损，来自导线的直流电阻损耗，以及高频“趋肤效应”的高频损耗，所以用多股绝缘的导线(又称李兹线)铜单根导线绕组，可以有效降低高频损耗。
　　过去设计硅钢片的大型工频电力变压器，需考虑体积、重量和性价比。有一个经验之谈，就是选择各参数优化到“铁损等于损”时，工频电力变压器有较高的效率、较小的体积、较轻的重量和较好的价比。注意，那只是对50HZ/60HZ工频交流电源而言，且是硅钢片磁性材料的;而对于超过20KHZ的高频开关电源的电力电子变压器，或者电力电子功率电感而言，可选的磁材多种多样，可选导线也多种多样，高频波形与工频正弦波形有较大差异。所以，就不要死守什么“铁损与铜损相等”的传统说法了，能在一定成本和体积的条件下，尽量提高电功效率才是硬道理。
　　电源拓扑
　　不同的开关电源拓扑的电功效率是有差别的。相同的电源、负载，选择非隔离式拓扑时电功效率高于隔离式。所以在安全条件许可的情况下，尽量选用非隔离式更有利于节能，除非订货指定才做隔离式拓扑产品。
　　电源电压愈接近负载电压时，会有较高的电功效率。无论升压或降压，电压变比愈大，电功效率愈差。所以，选合适的电源很重要。
　　采用BOOST升压拓扑时电功效率比其他拓扑的电功效率要高;尤其是用“无桥BOOST”的APFC更优异;10KW以上超大功率常用“三相无桥BOOST”的APFC其电功效率接近于1。当采用BUCK降压拓扑时，由于电流波形畸变，导致电功效率变差。因此，可用扫频仪分析找出谐波能量较大的若干个谐波频率，用高频谐L-C-D回路吸收一个或若干个频率的谐波能量，经整流把高频能量转化为直流能量回馈给直流母线，实现化害为利。既能降低THD%，又提升电功效率η。
　　由BOOST及BUCK两大基本拓扑，可以转化为其它多种各有特色的开关电源拓扑，拓扑愈简单，其电功效率会比复杂拓扑效率愈高些。
　　输出电压、功率对效率的影响
　　输出电压低、输出功率小的LED灯如何提高电功效率?
　　(1)用电压与IC相适应的直流电源来点亮小功率LED灯有较高的效率。
　　例1：用2.7-6V直流电源，经过QX5238(或QX5239)驱动15毫安(或20毫安)的三支路或四支路LED灯，其电源电压仅高于LED灯电源50毫伏时，有很高电功效率(超过0.98)且各并联支路电流精度优于±2%!
　　例2：用太阳能光伏电池，白天给可充电电池(或超级电容)充电贮能，晚上自动点亮1-10个20毫安小电流LED草坪灯的专用芯片QX5232，其电功率优于0.9。
　　例3：输入直流电源2-7V，可选择输出电流0.1-0.4A，不加接任何外接元件，用于矿灯或手电筒的专用芯片QX7135是最简单的了，电功效率也优于0.9。
　　例4：适用于12-24V直流电源，用BOOST?BUCK自动升降压拓扑点亮1-10W大功率LED灯的低压专用芯片QX5241，也是电功效率较高的范例。
　　(2)用工频50HZ/60HZ、电压80-270V交流电源的LED灯如何提高电功效率?
　　例5：最简单的电容恒流交流LED灯是两只(或两串)LED灯彼此反向并联，串入一只限流电容，再串入一只负温度系数的热敏电阻(NCT)限制开灯峰值电流，交流电源正半波点亮其中一只(或一串)LED灯，交流电源负半波点亮反向并联的另一只(或一串)LED灯，闪烁频率100HZ须选用较长余辉时间的荧光粉配方的LED，可以做到人眼可以接受的微量闪烁。接通电源点灯瞬间，负温度系数电阻NCT有较高阻值，限制起动电流，随后NCT电阻发热升温，NCT电阻值大幅度下降，整灯电功效率比较高。
　　例6：用20KHZ廉价节能灯电子镇流器改造成为“高频电力电子变压器”，降压供电取代上述的限流电容及NCT电阻，仍用“反向并联”两只(或两串)LED来实现高频交流LED灯，因没有低压整流二极管的损耗问题，电功效率也较高，且完全看不出闪烁。两只(或两串)彼此反向并联的LED灯，每只(或每串)LED只工作高频半波，所以LED的热量问题较易解决。只是LED颗粒多了一倍，成本会高一些，但随着LED单价迅速下滑，今后可能是可接受性能价格比优选方案之一。
　　例7：用便宜的低压低内阻场效应管同步整流来取代LED灯供电的整流二极管，是提升输出电压低输出功率小的LED灯电功效率的有效方法之一。
　　例8：用源极驱动的低损耗IC(QX9910)非隔离式LED灯，电功效率超过0.9可以实现。详见后文范例。
　　四、LED灯的功率因数PF值问题
　　美国能源之星2009-11公告的LED灯泡标准中，一个巨大的进步是对PF值持十分宽容的态度：5W以下LED灯的PF值不作任何要求，5W或以上的LED灯的功率因数只要求0.7就达标了。这不同于人们习惯节能荧光灯PF愈高愈好，究其原因是荧光灯特性是负电阻，荧光灯低气压电弧引发严重的EMC电磁干扰问题;而LED灯是正电阻器件，LED本身没有产生EMC电磁干扰的问题。这样规定的目的是用最低成本来最大量化推销LED灯取代白炽灯实现全社会节能宗旨。
　　LED元件本身没有EMC电磁干扰问题，产生EMC的原因是为LED灯电流恒流而加的电力电子开关电源，每一次导通(ON)-每一次截止(OFF)的过渡过程及过程，引发EMC问题，才有PF功率因数敏感问题。
　　对于小功率的LED灯完全可以用“交流整流端填谷电路”来实现高可靠性无电解电容LED灯，取代有两个电解电容三个二极管和一个电阻的“直流填谷电路”，为的是提升可靠性，使LED电源的寿命配得上LED本身的长寿命。对于要求功率较大、适应全电压(80-270V)的LED灯，用有源功率因数补偿(APFC)电路是有必要的，这时全电压(80-270V)时的功率因数PF≥0.90是可以实现的。如果想进一步提升大功率LED灯的电功效率，可以用“无桥APFC”就能实现提升η。
　　五、“电功效率”与“能效”
　　电功效率只是输出给LED的功率与电源输入功率之比，并不涉及LED发光的多少。有的人误以为就是“能效”，能效问题是涉及LED发光的问题。
　　用能效数据对比，作为客观判定哪个方案更节能的可比数据，并由此引发出LED电流的三大流派。即直流LED灯、交流LED灯和脉冲LED灯。
　　范例之一：高效率稳压恒流的16W LED灯
　　T8荧光灯管270颗20毫安LED，PCB均匀分布六支路并联，每支路串45只LED，见下图一所示;实测数据见表一所列。

　　图一 高效率稳压恒流的16W LED灯

　　表一 16瓦LED灯实测数据
　　从电路图上看，十分简洁，除了270颗小电流LED之外，电路全部元器件共17只，材料表见表二所列。

　　表二 图一的材料表
　　低耗电节能集成电路QX9910的工作电压5V，工作电流0.5毫安，所以须用低电压低内阻的辅助开关管(AP2306等低压廉价小功率低内阻大电流场效应管)作为源极驱动的开关管以驱动定△toff断开时间方式控制高压主开关管(5A600V5N60或IRF840等高压场效应管)的断开，这种与众不同的高电功效率的控制方式。工作原理简述如下：
　　(1)12V低压电源的产生
　　为使集成电路(QX9910)正常工作，需要低压5V稳压电源工作，必须让工作在常饱和导通(ON)状态。于是须先让(5N60)主开关栅极常有稳定12V正偏压，为此，用降压电阻(510K )向稳压管(12Vz)供电，用(4.7μF)电容与并联，得到12Vz低压电源。令高压电力电子主开关处于常闭(ON)饱和导通状态。
　　(2)5V低压电源产生
　　交流电源经桥堆BD1整流后，直流电源正端经?LED?(常闭ON)???，在稳压管两端得到低压5Vz稳压电源，供给集成电路作为工作电源。
　　(3)集成电路的低功耗“打嗝”工作状态
　　得到5Vz低压电源，向辅助开关提供4.5V以上的正偏压，足以使低电压小功率大电流的饱和导通(ON)状态。饱和导通，使也饱和导通、整个电路的能量。供电感充磁贮能的过程，就是LED电流上升的点亮过程。正是这个LED电流经取样电阻(2.5欧姆)得到信号，经电阻滤波与耦合到的第六脚(CS端子)，当的电压降超过0.25V时，令截止，从而用辅助开关源极控制高压主开关也截止。
　　但电感的电流不可以突变，于是L贮存磁能经LED--续流，这就是LED灯电流从最大值向下衰减的维持发光过程。正是这个下降的LED电流，当不足以维持取样电阻上的0.25V阀值时，于是再次令重新导通，驱动主开关也重新导通。上述反复的过程，如同人的“打嗝”相类似，改变第七脚(TOFF)外接电容。就能改变“打嗝”的周期，当为零时QX9910最高工作频率2500KHz。
　　??极低功率损耗的开关工作状况使流经的工作电流在数毫安至数安培电流范围之内，可以精准恒定某一设定值，取样电阻的电阻值愈大，恒流电流愈小;反之，阻值愈小，的可控恒定电流愈大。
　　(4)恒流稳压恒定LED灯功率
　　从表一可见，在额定电压220±20V、LED灯电流在0.110±0.05A范围内变化，精准恒流5%以内;相对应LED灯电压在143-1V范围，精准稳压百分之一以内;确保LED灯功率在17.2W+1.66W至-0.58W、精准恒功率10%以内，使LED灯稳定可靠工作。所以图一是值得推介的低成本高性能优秀方案之一。
　　范例之二：高效率稳压恒流的7W LED灯
　　用图一改变R4与R5并联，使LED灯电流加大到期0.32A，把一串七颗1W的LED点亮，见下图二所示;实测数据见表三所示。

　　图二 高效率稳压恒流的7W LED灯

　　表三 图二的参数表
　　从表三可见：在电源从110-240V大幅度变化的条件下，LED灯电流在0.32 -0.03A恒定，LED灯电压在23.9±0.1V内稳定，LED灯功率在7.648W+0.032W至-0.688W之间稳定。
　　一般LED灯小功率时电功效率较差，而图二只是7W小功率LED灯，但电功效率在0.96以上，最高可达到0.98以上，所以是值得向大家推介的低成本高性能优秀范例之二。
　　图一与图二均达到美国能源之星2009年11月公布于2010年8月实行的LED灯标准。
　　图一与图二再优化，还可以取消电解电容提升可靠性。另外，注意到满足欧洲对电流谐波THD%的要求，可按前述(2.6.4)做些小改进就可以了。