無電解電容LED光引擎的缺點(diǎn)和問題

迄今為止，“光引擎”還沒有一個(gè)非常嚴(yán)格而又確切的定義，以致不少讀者還不知道到底什么是光引擎。有人把它定義為“LED光引擎(light engine)是指包含LED封裝(組件)或LED數(shù)組(模塊)、LED驅(qū)動(dòng)器、以及其它亮度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣組件的整體組合。該裝置要通過一個(gè)與LED燈具匹配的常規(guī)連接器直接連接到分支電路，該LED燈具設(shè)計(jì)成不使用標(biāo)準(zhǔn)燈座?！边@個(gè)定義看上去好像很完整，但是往往會(huì)使人困惑，因?yàn)樗€包括了“其它亮度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣組件”。

其實(shí)可以非常簡(jiǎn)單地給光引擎下一個(gè)定義：那就是凡是把LED光源和LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)合為一個(gè)模塊的就可以稱為光引擎。更通俗一點(diǎn)的可以這樣來說，凡是把恒流驅(qū)動(dòng)源放到LED鋁基板上去就成為光引擎。

有人把COB LED稱為光引擎，顯然是不對(duì)的!因?yàn)樗鼪]有集成恒流驅(qū)動(dòng)源，沒有“驅(qū)動(dòng)”，怎么能夠稱為“引擎”?。

從電源的種類又可以分為直流光引擎和交流光引擎兩大類。不過，當(dāng)前由于室內(nèi)燈具開始大量采用光引擎，所以我們更多關(guān)注交流市電的光引擎。

那么是不是整個(gè)LED燈具也可以稱為光引擎呢?當(dāng)然不可以。正如整個(gè)汽車不能稱為引擎一樣，引擎是汽車的動(dòng)力總成，但是不等于汽車，還要加上外殼才能成為汽車。之所以需要有光引擎這樣的產(chǎn)品，是因?yàn)樗械臒艟哂懈魇礁鳂拥耐庥^。有些燈具甚至可以稱為藝術(shù)品。就拿白熾燈來說，可以說它只有最簡(jiǎn)單的燈泡一種形式，頂多再加上蠟燭燈或極小的圣誕燈?？墒撬耐庑慰墒怯懈魇礁鳂拥?。尤其是水晶燈更是各式各樣的工藝美術(shù)品，極其華麗。但是LED還必須加上極其復(fù)雜的恒流驅(qū)動(dòng)源才能相當(dāng)于一個(gè)白熾燈一樣工作(接上220V就可以亮)。如果把LED做成光引擎，它就也像白熾燈一樣接上220V就可以亮(當(dāng)然還需要有與其相配的散熱器)。這樣一方面有助于標(biāo)準(zhǔn)化，另一方面也可以大大地便于外殼(和散熱器)設(shè)計(jì)者發(fā)揮其所能。

一.采用光引擎的好處

很多人認(rèn)為推廣光引擎的主要目的是為了標(biāo)準(zhǔn)化以增加其互換性。其實(shí)這種標(biāo)準(zhǔn)化并不應(yīng)該只從光引擎著手，而是應(yīng)該在統(tǒng)一散熱器和光引擎之間的接口上著手。就拿LED球泡燈來說，需要統(tǒng)一的基本上就是光引擎和散熱器的尺寸，具體涉及到定位螺釘孔和散熱器的定位螺釘孔的尺寸位置。即使是這么具體的問題，也還有很多難處。因?yàn)樗呛屯邤?shù)和散熱器的散熱能力都有關(guān)系。所以推廣光引擎不能只從互換性的好處來著眼。

可以說推廣光引擎的最大好處有以下幾個(gè)方面。

1. 降低 LED照明燈具廠家研發(fā)費(fèi)用，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期

因?yàn)樗蠰ED燈具的光學(xué)和電氣指標(biāo)都由光引擎生產(chǎn)廠家制定了。甚至還推薦了相應(yīng)的散熱器。燈具廠家只要把光引擎安裝到散熱器里面去就可以了。燈具廠商甚至不需要經(jīng)驗(yàn)豐富的光學(xué)、電子工程師，也不需要購買昂貴的光學(xué)和電子儀器設(shè)備。換句話說，光引擎可以大大降低LED燈具廠的準(zhǔn)入門限，但卻不會(huì)因此而降低LED燈具的產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)然這要求光引擎的生產(chǎn)廠家本身就要有極高的水平才行。

2. 推廣光引擎可以大大加速LED燈具的推廣

最近幾年隨著白熾燈的禁產(chǎn)，LED燈具即將迎來爆炸式的增長(zhǎng)。LED燈具廠如雨后春筍般的大量涌出。這雖然是一種必然趨勢(shì)，但是也帶來了很多問題，尤其是表現(xiàn)在LED燈具的質(zhì)量上的良莠不齊和各個(gè)廠商之間的無序的價(jià)格戰(zhàn)。LED光引擎的出現(xiàn)可以在很大程度上解決這類問題。因?yàn)橘|(zhì)量是由幾家生產(chǎn)光引擎的大廠決定，價(jià)格也不可能有太大的出入。這就大大地減少了由無序競(jìng)爭(zhēng)而引起的內(nèi)耗。有助于LED燈具產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。

3. 提升了LED燈具的整體性能

例如提高了整體光效(lm/W)，這里是指包括電源效率在內(nèi)的整體光效，當(dāng)然對(duì)于整燈來說也還應(yīng)當(dāng)包括燈罩的透光率(不過這不是由生產(chǎn)光引擎的公司負(fù)責(zé)，而是由生產(chǎn)散熱器的公司負(fù)責(zé))。也可以提高色溫，顯色指數(shù)等指標(biāo)。

4. 降低了成本

至少可以省去了恒流驅(qū)動(dòng)源的印制板，及其生產(chǎn)成本。

目前來說，最簡(jiǎn)單而最重要的就是用于LED球泡燈的光引擎。下面我們就來看一下這種光引擎的構(gòu)成。

二. LED球泡燈的光引擎

對(duì)于球泡燈來說，它的構(gòu)成已經(jīng)是非常接近標(biāo)準(zhǔn)化的了。它主要是由三大部分構(gòu)成：LED光源、恒流驅(qū)動(dòng)電源、散熱器和外殼(包括燈頭和燈罩)。

圖1. LED球泡燈的構(gòu)成

所以如果就拿LED球泡燈來說，如果要做成光引擎就必須把它的電源板和LED板合成為一塊板，可以看出其難度是很大的。

一. 開關(guān)電源不適合做光引擎

開關(guān)電源雖然性能比較好，效率也比較高，但是最大的缺點(diǎn)就是元件數(shù)目非常多，要和LED燈板集成在一起有很大難度。有人就曾經(jīng)試圖這樣做，其結(jié)果是非常擁擠(見圖2)

圖2. 采用開關(guān)電源的光引擎板

從這張照片可以看出，整個(gè)開關(guān)電源幾乎占據(jù)了70%以上的面積，而把LED的空間減到最小。這種結(jié)構(gòu)顯然是不可行的，因?yàn)樗坏珳p小了LED的發(fā)光面積，也擋去一部分光線。而且最大的問題是減小了LED的散熱面積。圖中看來可能是5個(gè)1W的LED。如果要做成9W或10W的球泡燈更是完全不可能實(shí)現(xiàn)的了。

二. 線性電源可以減少元件數(shù)但效率過低

為了減少元件數(shù)，最簡(jiǎn)單的方法是改用線性電源，通常線性電源只有5-6個(gè)元件，這樣就可以大大減小所占用的面積。目前市面上的光引擎大多數(shù)都是采用無電解電容的線性恒流源，無電解電容方案是美國(guó)ExClara公司于2011年8月提出來的，以后有6-7家公司模仿他們的思路開發(fā)出類似的芯片。它的基本原理就是在輸入交流電壓波形的不同值時(shí)接入以不同恒流值驅(qū)動(dòng)的LED串，以得到和交流整流以后半個(gè)正弦波形相匹配的電流波形，從而可以得到接近于1的功率因數(shù)。這個(gè)可以從這種芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和波形圖來理解。圖3就是美國(guó)Supertex公司的CL8801芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。[!--empirenews.page--]

圖3. CL8801的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖4. 電流和電壓波形圖

它的電流和電壓波形如圖4所示。由圖中可以看出，當(dāng)交流電壓上升至某一值時(shí)第一個(gè)開關(guān)接通，第一串LED導(dǎo)通，同時(shí)選用第一個(gè)恒流源;繼續(xù)上升至更高值時(shí)第一個(gè)開關(guān)斷開，第二個(gè)開關(guān)接通，第一串連同第二串LED以更高電流的第二個(gè)恒流源導(dǎo)通，以此類推，最后一串導(dǎo)通時(shí)間最短，但導(dǎo)通電流最大(最后一個(gè)恒流源)。從而形成一個(gè)接近于電壓波形(半個(gè)正弦波)的電流波形，從而得到最高的功率因數(shù)。但是也帶來一系列的缺點(diǎn)和問題(見后面)。

下面就是幾種采用無電解電容線性恒流源的光引擎。

采用達(dá)鑫DS6622的光引擎 Lynk Labs 的光引擎

采用SU1203的光引擎 首爾Acrich2 光引擎

圖5. 采用無電解電容線性恒流源的光引擎

這些都是無電解電容的線性恒流源的方案，達(dá)鑫的DS6622采用了一個(gè)橋堆一個(gè)壓敏電阻，3個(gè)電阻一個(gè)電容和兩顆IC(DS6622)，一共8個(gè)元件，只占據(jù)了10%左右的面積。這種光引擎從占用面積來看，是一種可行的方案。然而它的缺點(diǎn)是和所有普通的線性電源一樣，按照ExClara給出的數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入市電電壓變化+/-10%時(shí)，其效率為84%-93%。而且還只允許市電電壓變化小于20%范圍內(nèi)和LED電壓也必須在設(shè)計(jì)值的10%范圍內(nèi)，否則效率會(huì)變得十分低下。在SU1203的規(guī)格書中給出了它的電源效率如圖6所示。

圖6. SU1203的電源效率和輸入電壓關(guān)系曲線

由圖中可以看出，在輸入電壓為200V時(shí)，其效率約為96%，而輸入電壓為245V時(shí)其效率約為80%。平均值約為88%，和220V時(shí)的效率相當(dāng)。如果用190V時(shí)效率為100%(不可能!)，260V時(shí)效率為70%，那么平均值為85%。歸納起來這種無電解電容方案的缺點(diǎn)和問題如下：

1. 效率低下，約為88%左右。

2. LED不是直流驅(qū)動(dòng)，而是時(shí)通時(shí)斷，所以LED利用率低，最后一串LED的高脈沖電流也會(huì)影響其壽命。

3. 整體發(fā)光效率要比有電解電容低15%左右。

4. 電流波形接近半個(gè)正弦波，所以會(huì)有100Hz的閃爍。無法用于數(shù)碼相機(jī)照相和安保系統(tǒng)中。

三. 電源和燈板合并會(huì)引起嚴(yán)重的散熱問題

采用普通的線性恒流源是不是一種可行的光引擎方案呢?不是如此。雖然它解決了占用空間的問題，但是除了上面已經(jīng)提到的缺點(diǎn)以外還有一個(gè)不能忽略的缺點(diǎn)，那就是散熱問題。雖然不管電源放在哪里，它的熱量總歸是要通過散熱器散到空間，但是當(dāng)電源和燈板放在一起的時(shí)候，電源所消耗的功率會(huì)變成熱量而直接加到燈板上，就會(huì)增加燈板所需散去的熱量，這就會(huì)增高LED的結(jié)溫，降低其壽命。而且線性恒流源最大的缺點(diǎn)就是效率極其低下。所以這是一個(gè)極為嚴(yán)重的問題。

下面舉一個(gè)例子來說明這個(gè)問題。

假定一個(gè)10W的LED球泡燈，就是說其燈板上有9W的LED?；蛘哒f它需要9W的供電。采用無電解電容方案以后它的效率為84%-93%，平均值為88.5%。也就是它在供給8.85W的功率給LED燈板時(shí)，本身要消耗11.5%的功率，也就是消耗了1.15W的功率。那么如果這個(gè)電源也安裝到燈板上去，勢(shì)必要增加燈板的熱量，但是燈板增加了不止11.5%的熱量!為什么?

因?yàn)?.85W的LED并不是這8.85W全部變成了熱，而是有一部分變成了光發(fā)出去。當(dāng)前的LED的發(fā)光效率在30%左右。假定發(fā)光效率為40%，那么有60%的能量都變成了熱量，也就是有5.4W的熱量需要散發(fā)出去?，F(xiàn)在又增加了1.15W，變成6.55W。也就是增加了21.3%的熱量。雖然本來的散熱器也需要把這部分熱量散發(fā)出去，但是現(xiàn)在把這部分熱加到了LED燈板。因?yàn)殡娫词欠旁跓舭宓碾娐访?，而電路面要傳到散熱器需要通過兩個(gè)絕緣介質(zhì)，一個(gè)是印制板的絕緣介質(zhì)，另一個(gè)是鋁基板和散熱器之間的絕緣介質(zhì)，所以電路面的溫度和散熱器的溫度是不同的，而LED是放在鋁基板的電路面的。也就是說由于電源放到了電路面就會(huì)使鋁基板的電路面熱量增加了21.3%，這會(huì)導(dǎo)致LED的結(jié)溫也升高21.3%。而結(jié)溫增加對(duì)壽命的影響到底有多大呢?這可以參看Cree公司給出的結(jié)溫和壽命的曲線(圖7)。

圖7. 結(jié)溫和壽命的關(guān)系曲線

這個(gè)曲線是以光衰至70%作為 壽命的標(biāo)志，假如原來的LED結(jié)溫是85度，其70%光衰的壽命是3.1萬小時(shí)。現(xiàn)在結(jié)溫升高了21.3%，也就是升高到100度左右，它的壽命就從3.1萬小時(shí)降低到1.5萬小時(shí)，也就是降低了16,000小時(shí)。所以這種溫升對(duì)壽命的影響是相當(dāng)嚴(yán)重的。如果本來聲稱壽命可以高達(dá)3萬小時(shí)，現(xiàn)在實(shí)際的壽命只有1.5萬小時(shí)。也就是說，這種無電解電容方案的光引擎會(huì)嚴(yán)重降低LED的壽命。

四. 閃爍效應(yīng)

100Hz的閃爍效應(yīng)可以在采用數(shù)碼相機(jī)照相時(shí)很明顯地看出來。下面的兩幅照片(圖8)左邊一幅是采用無電解電容LED燈具照的。右邊一幅則是采用有電解電容LED燈具照的。

圖8. 用數(shù)碼相機(jī)拍攝時(shí)無電解電容燈具出現(xiàn)黑色豎條紋

五. 首爾光引擎的實(shí)測(cè)結(jié)果[!--empirenews.page--]

首爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)了一種光引擎Acrich2，從它的電路圖可以看出，它也是采用無電解電容方案的線性電源，其外形圖如圖9所示，電路圖如圖10所示。

圖9. 首爾半導(dǎo)體的Acrich2光引擎 圖10. Acrich2的電路圖

我們實(shí)測(cè)了它的參數(shù)：在220V時(shí)，其輸入功率為4.489W，總光通量為297.7 lm，發(fā)光效率只有66.3 lm/W，顯色指數(shù)為83.1，功率因數(shù)為0.975。可見其光效十分低下。而且隨著輸入電壓的增高，其效率還會(huì)進(jìn)一步降低(見圖11a和圖11b)。

圖11a 輸入功率和輸入電壓的關(guān)系

圖11b 輸出流明和輸入電壓的關(guān)系

從圖11a中可以看出，當(dāng)輸入電壓從220V增加到255V時(shí)，輸入功率增加1.2倍，而輸出流明只增加1.1倍。也就是光效會(huì)降低1.1倍。根據(jù)Acrich2的數(shù)據(jù)表，它的電源芯片的功率耗散為1W，而輸入功率為4.5W，所以它的電源效率只有78%。而且這個(gè)1W的功率加到LED鋁基板上，肯定會(huì)增加鋁基板的熱量，提高LED結(jié)溫，從而降低LED的壽命!它的唯一優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)高，但是由于它的功率小于5W，無論是美國(guó)的能源之星或是中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都不要求功率因數(shù)。所以這個(gè)優(yōu)點(diǎn)也是多余的!

五.結(jié)論

目前幾乎市面上所有的LED光引擎都是采用無電解電容的方案，這種方案不僅存在效率低，增加燈板的熱量，降低LED的壽命，而且還存在有LED利用率低下，整體光效降低15%，而且還有100Hz的頻閃!

由此看來要想使LED光引擎能夠成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)必須有極高效率的恒流驅(qū)動(dòng)源，有了極高效率的恒流驅(qū)動(dòng)源才有可能把電源放到LED鋁基板上去!現(xiàn)有的所有無電解電容方案都不是合適的光引擎方案!