LED吸顶灯及其驱动电源
发布时间：2011-12-28 10:26
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2012年将是LED全面、大规模进入家庭的一年。美国家庭中主要是采用E26型的白炽灯。但在中国的城市家庭中则很少有人还用白炽灯，而大多数采用弯曲荧光灯管的吸顶灯。如何生产价格低廉、性能良好的LED吸顶灯将是对于LED从业者的一个极大的挑战。为了做好这一替代工作，我们首先要对普通吸顶灯有充分的了解，才能做到知己知彼百战百胜。 一、普通吸顶灯 1.1吸顶灯的外形 普通吸顶灯的外形虽然有很多种（图1），但最普通的就是圆形或方形，复杂的则更有各种奇形怪状的水晶吸顶灯： 
图1.各种形状的吸顶灯 1.2吸顶灯的灯管 其灯管大多是弯折后的T5荧光灯（图2），品种规格繁多，主要有以下几种。 
（a）圆环形 （b）U形 （c）2D形 图2. 用于吸顶灯的荧光灯 1.3吸顶灯的功率，并没有明确的规定。 其功率最常用的有10W、16W、21W、28W、32W、38W、40W等几种。 二． 普通吸顶灯的问题和缺点 2.1 发光效率低 带镇流器节能灯的整灯光效只有55lm/W，最高的大功率U型也只有80lm/W。而且因为所有这些吸顶灯大多采用T5型灯管，折弯成各种形状。但不管最后折弯成什么形状，它都是360度发光的，其中向上的180度的光线必须反射回来才会变成有用的光线，这个反射过程就会损失很多光。所以做成灯具以后的光效至少要打70%的折扣。也就是上述光效还要再乘以0.7。而且在实际使用时，它的亮度随时间衰减得很快。例如一根飞利浦的32W环形T5三基色灯管YH32RR16，色温为6500ºK，其发光效率为67lm/W，总流明数为2150lm，实际上只有70%的光线可以利用。也就是只有1500lm。 2.2 含汞 
而汞的沸点很低，在常温下可蒸发。一支废旧丢弃荧光灯破碎后，立即向周围散发汞蒸气，瞬间可使周围空气中的汞浓度达到10-20毫克/立方米，超过国家规定的汞在空气中最高允许浓度（为0.01毫克/立方米）的1000至2000倍，人体一次吸入2.5克汞蒸气即有生命危险。而且液态汞的渗透率极高，掉到地下以后就会立刻渗入地下污染地下水。1毫克汞足以污染5454.5公斤饮用水，使之达不到安全的饮用标准。现在拼命推广节能灯，实际上也是对我们子孙不负责任的做法。 2.3 寿命低 节能灯管按照荧光粉划分有：混合粉、卤粉、三基色。卤粉寿命在3000～4000小时；混合粉寿命在4000～6000小时；三基色号称在8000小时以上。 2.4镇流器质量低 荧光灯所用的镇流器大多数无法给出足够的功率，例如作者实测一个32W荧光灯所用的镇流器其输出功率只有16W，也就是只有50%的额定功率。而且所有荧光灯的寿命之所以短，主要是镇流器的寿命很短，而且一旦荧光灯损坏，镇流器通常也跟着损坏。几乎所有人的经验都是一般一年就要换一次镇流器或灯管，大多数时候是一年不到，两个都要换。 2.5 价钱也不便宜 一般的吸顶灯价钱在几十到几百元的都有，国外品牌的吸顶灯要600元以上，至于一些带有水晶饰物的吸顶灯，价钱高达几千元以上比比皆是，而其光源只不过顶多是一个40W的异形荧光灯而已。所以吸顶灯不像普通节能灯那么便宜。 三、LED吸顶灯的优点 3.1 发光效率高 LED本身的发光效率已经到达130lm/W以上，所以LED吸顶灯的整体光效已经可以达到100lm/W。而且这个效率还在每年增长，据估计，到2020年，LED本身的发光效率将会达到240lm/W。光效高就意味着节能。根据实测的结果，一盏8W的LED就可以取代一盏32W的吸顶灯。电功率可以节省4倍以上。 3.2 寿命长 LED的寿命为10万小时，做成灯具以后，现在实际上公认的寿命为至少3万小时，高质量的可以做到5万小时，要比荧光灯长10倍以上，即使最高寿命的三基色荧光灯的寿命为1万小时，也还高出5倍以上。 3.3 不含汞 3.4 无紫外线辐射，无光线污染 3.5 可以根据需要提供各种色温的光线，通常有2550-3700ºK，和4700-7000ºK。 3.6 无玻璃零部件，耐冲击、振动，便于运输。 3.7 不需要铝制散热器，成本低，重量轻 四、LED吸顶灯的构成和散热 不考虑华丽的水晶吸顶灯，普通LED吸顶灯的构造和普通吸顶灯没有什么区别。都是由底壳，外罩，电源，灯等4个部分组成。 4.1 LED吸顶灯的灯珠 通常对于功率大于30W以上的大多采用1W的LED灯珠，低于30W的大多采用小功率LED灯珠（例如3020,3014,3528等）。建议采用贴片式小功率LED，以便于散热，也可以提高发光的均匀度。 灯珠可以按照其外形来排列，例如假定外形为圆形，那么灯珠就排成圆形，反之，假如外形是方形，那么就排成方形。即便如此，灯珠的排列也还是有很多种方法，一个典型的LED吸顶灯的内部结构如图3所示。 
图3. LED的内部结构 图中圆环形的印制板上有两圈LED灯珠，它是采用23颗0.4W的5730型LED灯珠，总共功率为18W。中间的长方形为其恒流电源，方盒右下角则为遥控接收器的光敏二极管，以接收遥控亮度的红外控制信号。 需要提出的是仍然有大量的低价LED吸顶灯采用了小功率草帽灯，然而由于草帽灯的热阻很大（450℃/W），很难把热导出，因而光衰严重，寿命很短。 4.2 LED吸顶灯的灯罩 灯罩通常采用PC板，其性能如下： （1）透光性：P C板透光率最高可达89%，可与玻璃相妣美。UV涂层板在太阳光下爆晒不会产生黄变，雾化，透光不佳，十年后透光流失仅为6%，PVC流失率则高达15%—20%，玻璃纤维为12%-20%。 （2）抗撞击：PC板撞击强度是普通玻璃的250-300倍，同等厚度亚克力板的30倍，是钢化玻璃的2-20倍，用3kg锤以下两米坠下也无裂痕，有“不碎玻璃”和“响钢”的美称。 （3）防紫外线：PC板一面镀有抗紫外线（UV）涂层，另一面具有抗冷凝处理，集抗紫外线、隔热防滴露功能于一身。可阻挡紫外线穿过，及适合保护贵重艺术品及展品，使其不受紫外线破坏。 （4）重量轻：比重仅为玻璃的一半，节省运输、搬卸、安装以及支撑框架的成本。 （5）阻燃：国家标准GB50222—95确认，PC板为难燃一级，即B1级。PC板自身燃点是580摄氏度，离火后自熄，燃烧时不会产生有毒气体，不会助长火势的蔓延。 （6）可弯曲性：可依设计图在工地现场采用冷弯方式，安装成拱形，半圆形顶和窗形。最小弯曲半径为采用板厚度的175倍，亦可热弯。 （7）温度适应性：PC板在-100℃时不发生冷脆，在135℃时不软化，在恶劣的环境中其力学，机械性能等均无明显变化。 （8）耐候性： PC板可以在－40℃至120℃范围保持各项物理指标的稳定性。人工气候老化试验4000小时，黄变度为2，透光率降低值仅0.6％。 4.3 LED吸顶灯的散热 采用小功率的LED灯珠，排列分散一些，可以有助于散热。吸顶灯在结构上的特点也是有利于散热的。 1. 内部空气无阻挡自由流通。这是吸顶灯相比于其他灯具最大的优点。密闭而不流通的空气是一种绝热性能很好的绝热体，反过来，能够自由流通的空气却是最好的散热体。世界上所有的发热物体最后都是把热量散发到空气中去的。因为吸顶灯的底板有很多小孔，所以在吸顶灯的灯罩里，LED灯珠所产生的热量可以通过空气立刻传递到外边去。 2. 灯罩能够很好散热。我们知道对流和辐射散热主要和面积及材料有关，而塑料的辐射散热的效果是很好的，而且灯罩的厚度很薄，所以塑料的导热不好的影响可以忽略。这可以从图4中加以说明。 
图4较薄的厚度减小了导热系数的作用 吸顶灯的泡壳厚度只有1-2mm。所以虽然它的导热系数只在0.1-1W/mk，但还是能够很快地把热量从一边传到另一边。 而且塑料的辐射能力是很强的，见下表： 
所以泡壳可以很好地辐射散热。因为在吸顶灯的内部空气的流通很好，很容易把热量带到泡壳上。所以灯罩起了主要的散热作用。 3. 面积大：根据圆形的面积计算公式：S=πr2，或S=π(d/2) 2，对于一个直径为45cm的圆形吸顶灯，它的底板面积就是1590cm2。因为吸顶灯通常安装在室内，没有过高室温，所以可以采用40cm2/W的经验数据，那样也可以散去40W的功率。但是由于底板靠近天花板，不易散热，所以底板的实际散热效果会差很多。 而灯罩因为是曲面形，其面积要比圆形更大，而且它的安装朝下，没有任何阻挡，所以散热效果要比底板更好。 4. 关键的问题是要把安装LED灯珠的铝基板或印制板的铜箔面积做得足够大。 实验证明，对于小于30W的吸顶灯采用普通的印制板就可以很好地散热，而且为了利用自由流通的空气。在印制板的两面把热量带走，所以也不需要把铝基板或印制板通过导热胶紧贴底板来散热，反而要把印制板垫高离开底板5mm，以便空气流通。 5. 底板上多打一些通风孔会对散热有很大的好处。这些通风孔应当打在外圈，以免被阻挡。但也可能带来小虫钻入的可能性。 采取以上措施以后，LED吸顶灯并不需要很重的鳍片式散热器也可以满足散热的要求。可以说LED吸顶灯是唯一不需要特制的铝散热器的LED灯具。 五、LED吸顶灯的电源 现在让我们先来看一下普通吸顶灯的电源。 普通吸顶灯通常采用电子镇流器，或者称为高频变压器。但是市面上的电子镇流器的质量都比较差。例如，作者就测试了一款普通吸顶灯安装了飞利浦的32W环形灯管。实测的结果如下：Pin=16W，PF=0.62。所以它只用到环形灯管50%的功率，而且功率因数也很差。作者也测试了一个9W节能灯的参数，测得Pin=8.4W，PF=0.563 二者的功率因数都不能满足>0.7的要求，但仍然在市面上大量流通。 对于LED吸顶灯的电源可以分为非隔离式和隔离式两大类： 5.1 非隔离恒流源，由于LED吸顶灯不像球泡灯那样容易被用户用手触摸到，而且由于不需要接触式导热，它的内部结构很容易把铝基板或印制板和金属底板绝缘起来，所以采用非隔离电源是可以很容易通过CE、UL等安全认证。再加上它的安装通常是由专业的电工来安装，也减小了用户触电的危险。 我们知道LED必须采用恒流源来驱动，否则由于它的负温度系数，而会使电流急剧上升导致结温升高，寿命缩短。恒流源分为线性和开关式两种。线性恒流源的优点是不会产生电磁干扰（EMI），简单，成本低。它的缺点是效率比较低。 1. 采用恒流二极管的非隔离恒流源 恒流二极管是一种线性恒流源，它的恒流作用可以用来驱动LED。最简单的方法就是把恒流二极管直接和LED串联。但是我们在用于LED驱动时必须注意选择恰当的电流和耐压。 最低电压 由于恒流二极管需要一定的电压Vk才能够进入恒流，所以太低的电源电压是无法工作的。通常这个Vk大约在5-10V左右。 最高电压 由于恒流二极管必须能吸收掉电源电压的变化，对于同样的百分比，220V就要比110V的变化范围大一倍。例如对于+10%~-20%的变化范围，对于220V就意味着22+44=66V的变化范围，经过桥式整流以后这个变化还会加大1.2倍，变成79.2V。而对于110V电源，同样的变化范围只相当于39.6V的变化范围。电压越低，就意味着功耗越小，效率越高。所以可以说恒流二极管更适用于110V市电的国家。 最大电流 由于恒流二极管的功耗受到限制，所以过大的电流也是不合适的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二极管就很难提供。即使能够提供，它的功耗也过大而使整体效率大为降低。 恒流二极管最适用的使用场合就是交流市电供电的LED灯具，采用很多小功率LED串联，也就是高压小电流的情况是最为合适。 图5就是一种用于吸顶灯的恒流二极管驱动源。其负载是80颗3022串联，总功率为16W。所用的恒流二极管也是恒流在60mA。假如手头的恒流二极管只有30mA的，就需要2串并联。 
图5. 采用恒流二极管作为LED驱动电源 在这里，恒流二极管的作用就是要在输入市电电压变化时，保持输出电流不变，当然也可以消除由于LED负温度系数所引起的电流增大。但是由于恒流二极管的耐压有一定的限制，所以它所能吸收的电源电压变化也是有限的。就拿100V耐压的CRD来说，它的工作电压范围还要减去它的最小工作电压10V，可用的电压范围也就只有90V。用在220V市电电源里， 如果市电变化+10%，~-20%，就相当于整流后为290~211V，电压变化79V，在其耐压范围内。假如所用的LED为80颗，如果正向电压为3.3V，那么总电压为264V，正好相当于220V经过桥式整流以后的值。这时候恒流二极管上没有压降，但是这时候它是不能工作的而至少需要10V压降，也就是要求整流后电压为274V，市电电压为228VAC。那时候恒流二极管压降为最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整体效率为最高可达96%（当然还要考虑整流器的效率，实际上还会低一些）。如果市电增高至242VAC，那么恒流二极管电压就增高为26.4V，其功耗也增加到0.79W，这时候效率就等于91%。 如果市电电压低于228V，是不是恒流二极管就不工作呢？并不是，但的确是不恒流了，这时候它和LED就会达到一个新的平衡点，那就是二者的电压和等于市电电压经过整流后的电压。因为LED伏安特性的非线性，所以很难用公式来表示。总之，当市电电压降低时，LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。其亮度也会跟着变暗。但是这时候恒流二极管的压降不大所以并不消耗很多功率。所以效率还是很高的。 前面假定了LED的正向压降为3.3V，实际上即使其额定为3.3V，在开机一段时间以后，由于结温的升高，正向压降就会降低至3.1V甚至3.0V。 一个采用恒流二极管的8W电源的实测结果如下表所示： 
由表中可见，采用恒流二极管以后其最高效率的确可以做到非常高。是一种值得选用的电源。为了在220V得到最高的效率，看来应该串联90个以上的LED。 各种恒流二极管的参数如下表所示： 
2.采用高压直接降压的开关式恒流源 由交流直接整流得到的电压是264V，这时候可以采用直接降压的高压Buck电路来恒流。 a）PAM99700 这个电路的特点是效率高达90%，功率因数也大于0.9以上。外部电路也很简单。可以驱动多达40个1W的LED。一个采用PAM99700的LED吸顶灯照片如图7所示。 它是采用24串7并的3014型LED，总功率16.8W。右下角的蓝色印制板是红外遥控接收器。 
图7. 采用PAM99700作为恒流驱动源的LED吸顶灯 它的实测结果如下（图8）： 
图8. 效率、功率因素和LED电流和输入电压的关系 b）HV9861A 最近美国Supertex公司推出了新款高压降压芯片HV9861A以取代HV9910B.它采用了均值取样从而提高了恒流精度至+/-3%。它的电路图如图9所示。 
图9. HV9861A直接降压式电路图 这个电路可以驱动21个1W的LED。其主要指标如下： 
其输出LED电流以及效率随输入电压的变化如图10所示。 
图10. 输出电流和效率随输入电压的变化 因为电路中没有采用无源功率因数校正，所以功率因数比较低。这个电路也没有采用为减小EMI所需的滤波器，如果加上这两项以后都会降低其效率。 所有这些非隔离式电源因为在LED负载上会触摸到市电，所以有严格的安规检验，尽管采用良好的绝缘可以满足安规的要求，但是欧盟IEC 61347-2-13 (5/2006)标准规定在LED负载端电压不可超过25VAC或35VDC。所以采用非隔离电源是无法出口欧盟的。 隔离式电源 最近美国TI公司推出了一种隔离式恒流源芯片TPS92070，它的电路图如图11所示。 
图11. TPS92070实际应用电路图 输入：90-264VAC 输出：25V,350mA 效率：>85% 1. 可调光隔离式恒流源 iW3614 其电路图如图12所示。 
图12. iW3614应用电路图 输入：100-120VAC或220-240VAC 输出：25V,400mA 效率：>82% PF：>0.9 非调光模式，调光模式时取决于可控硅。 THD：满足 IEC61000-3-2 调光兼容RC、R、RL LT3799 今年2月美国凌特公司宣布了一个用于LED恒流驱动的IC（LT3799），它可以驱动4-100W的LED，而且本身带PFC，外置功率MOSFET开关管，反激隔离式而不需要光耦合器，外置元件减到最少，而且还可以用于可控硅调光。 
图13 可用于高功率LED 吸顶灯的反激式隔离型恒流电源 这个电路图是一个给24瓦吸顶灯用的演示板的电路图。其主要技术指标如下： 
它的演示版的布置图如图14所示。具体应用时当然也可以设计成圆形。 
图14. LT3799的演示版 这个市电恒流源因为功率大，而且可以适应4-100W的宽功率范围（这是吸顶灯的功率范围），所以一定是采用外置MOS开关管，而且也因为功率大，所以要求采用功率因数校正（PFC）。对于不同的功率，除了要选择不同的MOS管外，还要求选择不同大小的变压器。变压器加大了整个恒流源的体积和重量，降低了效率。但是这是为隔离市电所必需的。 |
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