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无电解电容驱动方案技术大揭秘

中心议题:
  • 探讨电子市场的无电解电容驱动技术方案
解决方案:
  • 非隔离PFC降压无电解电容LED驱动器FL7701
  • 无电解电容的LED驱动器D7160
  • MLCC替代LED电源中电解电容的可行性探究

曾经有人为LED一个生动的比喻:如果把LED灯具比作一个“人”,那么LED驱动电路就是整个LED灯具的“心脏”。这颗“心脏”不仅为LED灯具输送能量,并且对LED灯具质量的影响至关重要。众所周知,如果需要制作长寿命的LED灯具,就尽量不要使用电解电容,那么不采用电解电容方案的驱动,我们称之为“无电解电容的驱动方案”,无电解电容的驱动方案将会是LED驱动未来的发展趋势和方向。

为什么一定要用电解电容呢?这是因为LED是直流电流驱动元件,当AC电源接通时,一般是使用整流元件和平滑回路的直流稳定化电源,该平滑回路中必需要的用到电解电容,但此时的电解电容会因周围的温度及自身的发热而上升10℃,而导致寿命减半,所以电解电容阻碍了LED照明器具的寿命。

那又为什么要强调无电解电容呢?我们知道LED的工作寿命高达4万小时,而电解电容的寿命只有几千小时,由于系统的寿命是由电源组件中使用的电解电容的寿命来决定的,如果不想法拿掉电解电容,那么LED照明驱动电源的寿命与LED的寿命就很不匹配,也就很难发挥出LED照明的长工作寿命优势。这也是为什么最近业界一直在积极开发无电解电容的LED照明驱动电源的主要原因。

据了解,目前不少厂商纷纷推出无电解电容的LED照明方案,本文主要讲解飞兆半导体、上海得倍电子、TDK、村田等的无电解电容方案驱动电源产品。

飞兆新推智能非隔离PFC降压无电解电容LED驱动器FL7701

在谈到影响LED灯具寿命问题,飞兆半导体技术行销部经理钱家法表示,LED灯具寿命主由它的驱动器决定,而驱动器的寿命取决于其内部的电解电容的寿命,电解电容电容寿命只有5千小时左右,如果把这个问题解决了,驱动器的寿命也相应解决了。还有一个影响因素就是LED灯具整体电路设计是否在可控的范围。每个零件有它的适用范围,每个细节调节也十分重要,电路内部结构更需优化得好,并保证其可靠性。举个例子来说,LED灯打开的瞬间,亮一下就亮度就立刻降下来,其实是可靠性不高的表现。此次飞兆推出的智能非隔离PFC降压LED驱动器FL7701本身具备软启动功能,可提高系统的可靠性并优化电路里部的设计,帮助客户提供产品性能并降低成本。采用这块驱动无需电解电容器用于输入、输出和IC VDD,可替代大体积变压器,由此让其性能最大化,满足节能能法规并简化LED设计,效率也达到85%以上。对于较小的照明灯尺寸,最大限度减少BOM。这也很好地解决LED灯具的寿命问题及可靠性问题。



智能非隔离PFC降压LED驱动器FL7701解决方案

FL7701智能非隔离型PFC降压LED驱动器(实物图)

芯凯电子科技(上海)有限公司总经理刘宏与飞兆半导体技术行销部经理钱家法的想法也是不谋而合的,他也认为影响LED灯具寿命的就是LED驱动电路是采用无电解电容驱动方案还是电解电容驱动方案。目前说,无电解电容驱动器在设计过程,技术需求比较高,过程比较复杂,他们工程师也有在这个领域上努力。鉴于市场有各种不同类型的需求(低端和高端),也不能说无电解电容方案最终会取代电解电容方案,至少目前是不能,所以芯凯电子根据各种客户的需求,不论是电解电容方案的驱动器还是无电解电容方案的驱动器他们都会有供应。

上海得倍电子新推无电解电容的LED驱动器D7160

LED照明作为绿色、节能、环保的新光源,已无可置疑地被越来越多的人认可。LED照明的一项核心内容是AC/DC(CC)的转换,现阶段较成熟的AC/DC转换都不可避免的采用了传统的DC/DC降压模式,这些模式无论千变万化都脱离不了整流滤波电容的困惑。

针对于无电解电容方案的LED驱动器的开发,上海得倍电子也推出了一款D7160 是无电解电容的LED驱动IC。它无需电解电容,节省体积,可使印刷电路板面积缩小至原来的40%,提高整个LED灯具寿命,寿命可达10万小时以上,绿色环保,白光LED能耗是普通节能灯的1/4,内置抖频减小EMI,内置各种保护(过温、欠压闭锁、过压、过流),兼顾功率因数和输出纹波,内部具有一个30K--130K的压控振荡器,使得线路更加稳定,效率更高并可以广泛应用于照明LED、射灯和日光灯之中。


D7160无电解电容AC/DC LED驱动器

MLCC替代LED电源中电解电容的可行性探究

前面已经提到过,采用无电解电容方案的驱动器尽管能解决了LED照明灯具寿命的问题,但由于缺少了电解电容而带来的高纹波电流而导致的低频闪烁开始越来越被人注意,这也是目前采用电解电容或不采用电解电容的LED驱动方案的矛盾。那么采用还有其它途径既能解决LED照明的寿命问题或是闪烁问题吗?

日本注重LED灯具的寿命和舒适性,这里也曾经有一个十分有趣的典故,LED灯具频闪曾经让一名日本市政厅官员晕倒,于是引起媒体的一时轰动,TDK技术专家将LED照明灯具里的MLCC替换为电解电容,并且做了频闪测试。测试发现,用MLCC去替换电解电容时不能同等容量进行替换。日本一些领先厂商已经开发出全部使用MLCC的LED灯具,这种替换思路已经在日本获得广泛认同。

日本村田制作所展示过无需电解电容器的LED照明用电源,该驱动电源是面向Clear Sodick开发的电源模块,其输入输出电容器采用了该公司的多层陶瓷电容(MLCC),可内置于直管型LED照明器具的管内。与采用铝电解电容器时相比,除了可缩小产品尺寸外,还能延长产品寿命。为了获得恒定电流,采用了DSP微控制器,开关频率约为200kHz。输出电容器采用了两个约5μF的MLCC。输入电压支持AC100V以及200V两种。
 
为了使LED照明获得恒定电流,采用了DSP微控制器。开关频率约为200kHz。输出电容器采用了两个约5μF的MLCC。“一般情况下,该容量的 MLCC无法完全吸收脉动电流,不过通过改进DSP侧的控制,不会感觉到照明器具的闪烁”(村田制作所)。主电路采用非绝缘升降压型,没有设置PFC(功 率因数改善)电路。外形尺寸为180mm×19.4mm×6.5mm。

参考展示Clear Sodick生产的直管型LED照明产品,管内内置了电源电路,相当于40W荧光灯的产品的耗电量为19W,LED元件数量为204个。

 
参考展示Clear Sodick生产的直管型LED照明产品的电路图
 
据了解,一般情况下,该容量的MLCC无法完全吸收脉动电流,不过通过改进DSP侧的控制,不会感觉到照明器具的闪烁。主电路采用非绝缘升降压型,没有设置PFC(功率因数改善)电路。外形尺寸为180mm×19.4mm×6.5mm。

我们知道,电解电容有一个很大的特点,就是ESR值比较高。如果ESR比较高,会以发热的形式损耗掉,所以电解电容自身发热是比较严重的。另外,它的纹波电流比较高,同样会引起自身发热非常严重。ESR加上纹波电流,自身发热达到一定程度会加速电解液挥发的速度,容量也会衰减,整个呈现恶性循环的趋势。

MLCC跟电解电容一样,也有它的缺点和优点。MLCC最主要的特点是寿命比较长,另外它在高温和低温下的表现非常一致,它的特性在高温和低温下面不会有太大差异。但是,跟同等容量的电解电容相比,MLCC单价会比较高;MLCC有偏压的特性,它的容量跟施加的电压呈衰减的趋势;MLCC的容量范围比较小,MLCC不可能像电解电容那样随随便便就可以做到200万、 300万。因此,MLCC应用于LED照明驱动设计的方案能否进一步的推广或应用还有待观望,不过这也不失为解决LED照明灯具寿命的的好途径之一。

无电解电容方案怎样才能主导LED照明驱动市场?

有人认为,无电解电容的驱动方案是一个必然的发展趋势。随着时间的推移,市场上的一些带有电解电容的驱动电源会有相继失效的现象, LED是个节能环保产品,目前商用80-120lm/w光效已是所有照明产品中最高水平,但仍有60%左右的电能不能转换为光能而转换为热能。所有 LED灯具工作时是一个加热体,使灯具局部形成50—70度甚至85度的高温区,会很快将电解电容的电解液烤蒸发,1000到3000小时时就很快失效。

与上面观点恰恰相反的是,对于LED电源,人们担心最多的就是某些元件的自然老化,例如电解电容,因为它的工作温度很高;其次就是驱动电源对于电网波动的适应性及可靠性,例如雷击,因为很多半导体的元件会因为OverStress而失效。电解电容会存在电解液干涸的可靠性问题,但是如果简单地去除电解电容就会降低电源对电网波动的抗干扰能力,也会带来因雷击失效的风险,因此需要全面地评估产品的可靠性。

随着电源需求的增加,如果不采用电解电容,LED驱动器的设计会变得非常昂贵。在低功率水平上,通过用陶瓷电容取代电解电容可以解决这一问题,而在高品质光源灯具上,电解电容是难以去除的。事实上,如果电解电容质量很好,可以达到105摄氏度的工作温度和10000小时额定工作时间,就没有必要将电解电容从LED驱动设计中去除。如果在低温条件下,这些元件的使用寿命可以远远超过10000小时,例如,在85度下,一个额定寿命为10000小时的元件可以运行40000小时。

另一方面,由无电解电容带来的高纹波电流而导致的低频闪烁开始越来越被人注意,有研究者认为,低于165Hz的频闪即便是人眼不易觉察,但这已经对某些人眼造成生理上的不适,幅度大的低频纹波会也会被导致一些数码像机设备出现差频闪烁的亮暗栅格。所以有人指出,市场很渴望能有既能解决电容寿命又能保持稳定性及可靠 的新方案,但现阶段在高品质光源灯具上是难以去除电解电容的。

因此,从目前的状况来看尽管认为无电解电容LED照明是LED照明电源的发展大趋势,但技术方面需要克服的问题很多(包括价格、闪烁、可靠性等问题)。解决了这些问题了,才能在消费市场上击溃电解电容方案的LED驱动器,从真正意义上迎来无电解电容方案主导的LED照明驱动市场。
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