LED產(chǎn)品的光效電功效率和功率因數(shù)

1、LED產(chǎn)品的光效電功效率和功率因數(shù)作者：spring       發(fā)布時間：2012-5-17 14:48:59       文章來源： LED產(chǎn)品的光效電功效率和功率因數(shù) 一、前言白色LED的發(fā)光效率在不斷提高，超過100lm/W(與高效熒光燈相當(dāng))的產(chǎn)品也已亮相。在照明器具上使用白色LED，由于照明燈具的電源適配器、燈光反射板及透鏡等的損失，通常會使燈具效率低于單純LED光源的效率，但最近已經(jīng)出現(xiàn)號稱器具效率達(dá)到100lm/W的LED照明器具。那白色LED今后會

2、實現(xiàn)何種程度的亮度，又會具備哪些特性?必須研究購買適當(dāng)?shù)腖ED顆粒;必須研究燈具的總光效達(dá)到標(biāo)準(zhǔn);必須研究盡量低的成本與盡量高的電功效率的制約;注意美國和歐盟對LED的PF值寬容的立場;推介一些切實可行的LED燈實例。二、LED的光效日益提升是時代進(jìn)步的必然基于白色LED的藍(lán)色LED芯片的能量轉(zhuǎn)換效率(輸出光能量與輸入功率的比)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了50%。但能量轉(zhuǎn)換效率不可能超過100%，因為存在物理極限。就像半導(dǎo)體存儲器在集成度的提高上存在極限一樣，能量轉(zhuǎn)換效率及白色LED的發(fā)光效率今后也不可能一直提高下去。較為合理的看法是LED產(chǎn)品發(fā)光效率會在150-200lm/W之間，有較好的性價比。今后重要

3、的是如何在LED升溫合理范圍內(nèi)保持高的發(fā)光效率。LED存在向芯片輸入的電流密度越高，發(fā)光效率反而出現(xiàn)衰退(Droop)現(xiàn)象。雖然衰退現(xiàn)象無法消除，但卻可以減輕。衰退現(xiàn)象減輕了，在提高電流密度時亮度就會更高，也就是說，這樣便可使相同亮度(光通量)時需要的LED芯片數(shù)量盡量少。即：如果原來使用了大量LED芯片，今后便可利用較少的LED芯片數(shù)量保持獲得相同的光通量。LED芯片的單位面積亮度(光通量)越高，亮度單價就越低，白色LED的成本競爭力也就越強。能否提高這一成本競爭力，關(guān)鍵要看LED廠商的創(chuàng)新專利技術(shù)競爭力如何。光衰現(xiàn)象越少，成本競爭力就會越高。因為減少LED芯片的面積可降低芯片的成本，而且對

4、顧客也有好處。能夠增加每個白色LED輸入電流的話，便可提高每個LED的亮度，因此可使照明器具及LED背照燈光源使用的白色LED個數(shù)減少。成本降低的話，對LED背照燈液晶電視及LED照明器具來講的確是節(jié)能福音;LED成本降低也是時代進(jìn)步之必然;LED價格由批量與光效所制約，所以LED燈產(chǎn)業(yè)是一個系統(tǒng)工程，需優(yōu)化然后產(chǎn)業(yè)化。注意LED的性價比人為提升LED工作環(huán)境溫度，導(dǎo)致LED光衰加大、壽命減短，這也是加速測試LED壽命對比的方法之一。把LED燈置于“積分光球”內(nèi)腔，測出LED發(fā)出的“光通量”單位，流明(LM)。即作為分子與LED的電功率(單位/瓦)之比，就是LED的光效。LED生產(chǎn)廠家，出廠前

5、篩選出光效處于不同檔次的LED產(chǎn)品，對應(yīng)不同的價格。這是一分錢一分貨的道理。如果你做LED燈只要亮、不用達(dá)標(biāo)的話，就選用低價位低光效的LED產(chǎn)品。如果做的LED產(chǎn)品要達(dá)到美國能源之星每瓦55流明的標(biāo)準(zhǔn)，則至少要采購每瓦80流明( LM)的LED。LED本體光效每瓦流明，乘以“燈具的光效”(大約0.9至0.9左右)，再乘以“燈電源適配器的電功效率”(大約0.8至0.9左右)，估算出達(dá)標(biāo)每瓦55流明以上的LED燈，要采購LED本體光效大約每瓦80流明的LED成本就合適了。三、提升電功效率標(biāo)志節(jié)能前述LED燈電源適配器的電功效率，是LED實際得到的功率，與消耗輸入電源功率之比，稱為電功效率，常用拉丁

6、字母來表示。損耗功率的大部分，是電源適配器本身發(fā)熱耗電，小部分是電磁干擾(EMC)消耗掉。電力電子工程師的使命就是力求把減小，努力提升電功效率。國際上一般認(rèn)為達(dá)到0.8 以上才拿得出手，超過0.85才是好產(chǎn)品，而超過0.90才被認(rèn)為是節(jié)能產(chǎn)品。再一步深入探討，它的主要組成有以下要點;1、電源適配器產(chǎn)品內(nèi)部集成電路的工作需耗電選用微功耗的集成電路是第一關(guān)。所以，選擇節(jié)能的低功耗的集成電路是至關(guān)重要的。無IC的自激式也是小功率LED燈優(yōu)選拓?fù)渲弧?、電力電子開關(guān)工作時消耗功率其中導(dǎo)通損耗式中:是開關(guān)管的電流的時間函數(shù)，是開關(guān)管的電壓的時間函數(shù)，式中T是開關(guān)的周期。提升電功效率節(jié)能措施(1)盡量設(shè)

7、計高壓小電流負(fù)載，比低電壓大電流負(fù)載為好，選用飽和導(dǎo)通內(nèi)阻較小的開關(guān)管為好。(2)最好的開關(guān)管是COOLMOSFET，同電壓等級、同電流條件下，COOLMOSFET內(nèi)阻比傳統(tǒng)MOSFET內(nèi)阻小得多。其次是IGBT。在頻率不太高，開關(guān)功率不太大，可用低成本的雙極型半導(dǎo)體開關(guān)管。(3)必須讓開關(guān)管處于“非通、則斷”的開關(guān)狀況，切忌讓開關(guān)管落入放大區(qū)工作，在放大區(qū)的開關(guān)管損耗很大!電力電子開關(guān)管在放大區(qū)之外的兩個區(qū)：截止區(qū)(OFF)有，無電流，因為零，無發(fā)燒;飽和區(qū)(ON)有，但電壓很小，也不發(fā)燒。驅(qū)動損耗?電力電子開關(guān)管的驅(qū)動信號功率對于雙極型晶體管而言，驅(qū)動功率較大的內(nèi)因是大電流開關(guān)工作狀態(tài)時的

8、電流放大倍數(shù)，遠(yuǎn)小于參數(shù)表格中小信號放大倍數(shù)，所以基極驅(qū)動電流較大。如果工作頻率固定，還可以用“諧振驅(qū)動”，利用諧振回路LC的“品質(zhì)因數(shù)Q”，具有放大的作用，能夠最大限度降低驅(qū)動信號功率。但如果不是固定頻率則不可以用揩振驅(qū)動，這時可以使用“源極開關(guān)驅(qū)動”方式來實現(xiàn)微功耗驅(qū)動。例如：QX9910等都是優(yōu)秀的微功耗驅(qū)動IC，一下子把上述和大幅度降低了。開關(guān)損耗硬開關(guān)過程;從OFF?ON或從ON?OFF，實際上開關(guān)管工作點都掠過“放大區(qū)”才到達(dá)“截止區(qū)OFF”或者到達(dá)“飽和區(qū)ON”，就在“掠過”開關(guān)區(qū)的短時間內(nèi)，是存在開關(guān)損耗的;軟開關(guān)過程;上述表達(dá)式中，或任為一零，其乘積必為零，這就是“軟開關(guān)”的

9、物理內(nèi)涵。有兩個原則作為設(shè)計技巧使用：電子開關(guān)“串聯(lián)電感”，由于電感電流不可以突變，電子開關(guān)必然是ZCS零電流導(dǎo)通軟開關(guān);電子開關(guān)“并聯(lián)電容”，由于電容電壓不可以突變，電子開關(guān)必然是ZVS零電壓截止軟開關(guān)。鐵損與銅損開關(guān)電源的鐵損，是磁性材料磁化回線所包圍的面積，正比例于鐵損，磁性材料內(nèi)部“磁疇”發(fā)生的“磁滯損耗”及“渦流損耗”，所以選擇磁性材料的磁化回線所包圍的面積愈小愈好，愈接近于矩形的小面積“矩形磁化回線”愈好。開關(guān)電源的銅損，來自導(dǎo)線的直流電阻損耗，以及高頻“趨膚效應(yīng)”的高頻損耗，所以用多股絕緣的導(dǎo)線(又稱李茲線)銅單根導(dǎo)線繞組，可以有效降低高頻損耗。過去設(shè)計硅鋼片的大型工頻電力變壓器

10、，需考慮體積、重量和性價比。有一個經(jīng)驗之談，就是選擇各參數(shù)優(yōu)化到“鐵損等于損”時，工頻電力變壓器有較高的效率、較小的體積、較輕的重量和較好的價比。注意，那只是對50HZ/60HZ工頻交流電源而言，且是硅鋼片磁性材料的;而對于超過20KHZ的高頻開關(guān)電源的電力電子變壓器，或者電力電子功率電感而言，可選的磁材多種多樣，可選導(dǎo)線也多種多樣，高頻波形與工頻正弦波形有較大差異。所以，就不要死守什么“鐵損與銅損相等”的傳統(tǒng)說法了，能在一定成本和體積的條件下，盡量提高電功效率才是硬道理。電源拓?fù)洳煌拈_關(guān)電源拓?fù)涞碾姽π适怯胁顒e的。相同的電源、負(fù)載，選擇非隔離式拓?fù)鋾r電功效率高于隔離式。所以在安全條件許可

11、的情況下，盡量選用非隔離式更有利于節(jié)能，除非訂貨指定才做隔離式拓?fù)洚a(chǎn)品。電源電壓愈接近負(fù)載電壓時，會有較高的電功效率。無論升壓或降壓，電壓變比愈大，電功效率愈差。所以，選合適的電源很重要。采用BOOST升壓拓?fù)鋾r電功效率比其他拓?fù)涞碾姽π室?尤其是用“無橋BOOST”的APFC更優(yōu)異;10KW以上超大功率常用“三相無橋BOOST”的APFC其電功效率接近于1。當(dāng)采用BUCK降壓拓?fù)鋾r，由于電流波形畸變，導(dǎo)致電功效率變差。因此，可用掃頻儀分析找出諧波能量較大的若干個諧波頻率，用高頻諧L-C-D回路吸收一個或若干個頻率的諧波能量，經(jīng)整流把高頻能量轉(zhuǎn)化為直流能量回饋給直流母線，實現(xiàn)化害為利。既能

12、降低THD%，又提升電功效率。由BOOST及BUCK兩大基本拓?fù)?，可以轉(zhuǎn)化為其它多種各有特色的開關(guān)電源拓?fù)洌負(fù)溆唵?，其電功效率會比?fù)雜拓?fù)湫视咝?。輸出電壓、功率對效率的影響輸出電壓低、輸出功率小的LED燈如何提高電功效率?(1)用電壓與IC相適應(yīng)的直流電源來點亮小功率LED燈有較高的效率。例1：用2.7-6V直流電源，經(jīng)過QX5238(或QX5239)驅(qū)動15毫安(或20毫安)的三支路或四支路LED燈，其電源電壓僅高于LED燈電源50毫伏時，有很高電功效率(超過0.98)且各并聯(lián)支路電流精度優(yōu)于±2%!例2：用太陽能光伏電池，白天給可充電電池(或超級電容)充電貯能，晚上自動點

13、亮1-10個20毫安小電流LED草坪燈的專用芯片QX5232，其電功率優(yōu)于0.9。，不加接任何外接元件，用于礦燈或手電筒的專用芯片QX7135是最簡單的了，電功效率也優(yōu)于0.9。例4：適用于12-24V直流電源，用BOOST?BUCK自動升降壓拓?fù)潼c亮1-10W大功率LED燈的低壓專用芯片QX5241，也是電功效率較高的范例。(2)用工頻50HZ/60HZ、電壓80-270V交流電源的LED燈如何提高電功效率?例5：最簡單的電容恒流交流LED燈是兩只(或兩串)LED燈彼此反向并聯(lián)，串入一只限流電容，再串入一只負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NCT)限制開燈峰值電流，交流電源正半波點亮其中一只(或一串)L

14、ED燈，交流電源負(fù)半波點亮反向并聯(lián)的另一只(或一串)LED燈，閃爍頻率100HZ須選用較長余輝時間的熒光粉配方的LED，可以做到人眼可以接受的微量閃爍。接通電源點燈瞬間，負(fù)溫度系數(shù)電阻NCT有較高阻值，限制起動電流，隨后NCT電阻發(fā)熱升溫，NCT電阻值大幅度下降，整燈電功效率比較高。例6：用20KHZ廉價節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器改造成為“高頻電力電子變壓器”，降壓供電取代上述的限流電容及NCT電阻，仍用“反向并聯(lián)”兩只(或兩串)LED來實現(xiàn)高頻交流LED燈，因沒有低壓整流二極管的損耗問題，電功效率也較高，且完全看不出閃爍。兩只(或兩串)彼此反向并聯(lián)的LED燈，每只(或每串)LED只工作高頻半波，所以L

15、ED的熱量問題較易解決。只是LED顆粒多了一倍，成本會高一些，但隨著LED單價迅速下滑，今后可能是可接受性能價格比優(yōu)選方案之一。例7：用便宜的低壓低內(nèi)阻場效應(yīng)管同步整流來取代LED燈供電的整流二極管，是提升輸出電壓低輸出功率小的LED燈電功效率的有效方法之一。例8：用源極驅(qū)動的低損耗IC(QX9910)非隔離式LED燈，電功效率超過0.9可以實現(xiàn)。詳見后文范例。四、LED燈的功率因數(shù)PF值問題美國能源之星2009-11公告的LED燈泡標(biāo)準(zhǔn)中，一個巨大的進(jìn)步是對PF值持十分寬容的態(tài)度：5W以下LED燈的PF值不作任何要求，5W或以上的LED燈的功率因數(shù)只要求0.7就達(dá)標(biāo)了。這不同于人們習(xí)慣節(jié)能熒

16、光燈PF愈高愈好，究其原因是熒光燈特性是負(fù)電阻，熒光燈低氣壓電弧引發(fā)嚴(yán)重的EMC電磁干擾問題;而LED燈是正電阻器件，LED本身沒有產(chǎn)生EMC電磁干擾的問題。這樣規(guī)定的目的是用最低成本來最大量化推銷LED燈取代白熾燈實現(xiàn)全社會節(jié)能宗旨。LED元件本身沒有EMC電磁干擾問題，產(chǎn)生EMC的原因是為LED燈電流恒流而加的電力電子開關(guān)電源，每一次導(dǎo)通(ON)-每一次截止(OFF)的過渡過程及過程，引發(fā)EMC問題，才有PF功率因數(shù)敏感問題。對于小功率的LED燈完全可以用“交流整流端填谷電路”來實現(xiàn)高可靠性無電解電容LED燈，取代有兩個電解電容三個二極管和一個電阻的“直流填谷電路”，為的是提升可靠性，使L

17、ED電源的壽命配得上LED本身的長壽命。對于要求功率較大、適應(yīng)全電壓(80-270V)的LED燈，用有源功率因數(shù)補償(APFC)電路是有必要的，這時全電壓(80-270V)時的功率因數(shù)PF0.90是可以實現(xiàn)的。如果想進(jìn)一步提升大功率LED燈的電功效率，可以用“無橋APFC”就能實現(xiàn)提升。五、“電功效率”與“能效”電功效率只是輸出給LED的功率與電源輸入功率之比，并不涉及LED發(fā)光的多少。有的人誤以為就是“能效”，能效問題是涉及LED發(fā)光的問題。用能效數(shù)據(jù)對比，作為客觀判定哪個方案更節(jié)能的可比數(shù)據(jù)，并由此引發(fā)出LED電流的三大流派。即直流LED燈、交流LED燈和脈沖LED燈。范例之一：高效率穩(wěn)壓

18、恒流的16W LED燈T8熒光燈管270顆20毫安LED，PCB均勻分布六支路并聯(lián)，每支路串45只LED，見下圖一所示;實測數(shù)據(jù)見表一所列。圖一 高效率穩(wěn)壓恒流的16W LED燈表一 16瓦LED燈實測數(shù)據(jù)從電路圖上看，十分簡潔，除了270顆小電流LED之外，電路全部元器件共17只，材料表見表二所列。表二 圖一的材料表低耗電節(jié)能集成電路QX9910的工作電壓5V，工作電流0.5毫安，所以須用低電壓低內(nèi)阻的輔助開關(guān)管(AP2306等低壓廉價小功率低內(nèi)阻大電流場效應(yīng)管)作為源極驅(qū)動的開關(guān)管以驅(qū)動定toff斷開時間方式控制高壓主開關(guān)管(5A600V5N60或IRF840等高壓場效應(yīng)管)的斷開，這種與

19、眾不同的高電功效率的控制方式。工作原理簡述如下：(1)12V低壓電源的產(chǎn)生為使集成電路(QX9910)正常工作，需要低壓5V穩(wěn)壓電源工作，必須讓工作在常飽和導(dǎo)通(ON)狀態(tài)。于是須先讓(5N60)主開關(guān)柵極常有穩(wěn)定12V正偏壓，為此，用降壓電阻(510K )向穩(wěn)壓管(12Vz)供電，用(4.7F)電容與并聯(lián)，得到12Vz低壓電源。令高壓電力電子主開關(guān)處于常閉(ON)飽和導(dǎo)通狀態(tài)。(2)5V低壓電源產(chǎn)生交流電源經(jīng)橋堆BD1整流后，直流電源正端經(jīng)?LED?(常閉ON)?，在穩(wěn)壓管兩端得到低壓5Vz穩(wěn)壓電源，供給集成電路作為工作電源。(3)集成電路的低功耗“打嗝”工作狀態(tài)得到5Vz低壓電源，向輔助開

20、關(guān)提供4.5V以上的正偏壓，足以使低電壓小功率大電流的飽和導(dǎo)通(ON)狀態(tài)。飽和導(dǎo)通，使也飽和導(dǎo)通、整個電路的能量。供電感充磁貯能的過程，就是LED電流上升的點亮過程。正是這個LED電流經(jīng)取樣電阻(2.5歐姆)得到信號，經(jīng)電阻濾波與耦合到的第六腳(CS端子)，當(dāng)?shù)碾妷航党^0.25V時，令截止，從而用輔助開關(guān)源極控制高壓主開關(guān)也截止。但電感的電流不可以突變，于是L貯存磁能經(jīng)LED-續(xù)流，這就是LED燈電流從最大值向下衰減的維持發(fā)光過程。正是這個下降的LED電流，當(dāng)不足以維持取樣電阻上的0.25V閥值時，于是再次令重新導(dǎo)通，驅(qū)動主開關(guān)也重新導(dǎo)通。上述反復(fù)的過程，如同人的“打嗝”相類似，改變第七腳(TOFF)外接電容。就能改變“打嗝”的周期，當(dāng)為零時QX