無電解電容LED驅(qū)動方案輸出功率的計算

作為一個半導(dǎo)體器件，LED燈珠的壽命長達(dá)50000小時以上。而LED照明驅(qū)動解決方案中普遍用到電解電容，其壽命則僅為5000~10000小時。這樣電解電容的短壽命與LED燈珠的長壽命之間有一個巨大的差距，削弱了LED的優(yōu)勢。因而無電解電容LED驅(qū)動解決方案受到市場青睞。 　　美芯晟科技推出了基于MT7920的無電解電容LED驅(qū)動解決方案（見圖1）。在該方案中，在全橋堆之后，采用容值較小的CBB高壓陶瓷電容或薄膜電容取代了高壓電解電容，去掉了電解電容，同時也提高了功率因子（PFC，在85VAC~265VAC范圍可以全程高于0.9）。而輸出電容C8和C9可以用陶瓷電容替代電解電容。從而實(shí)現(xiàn)了完全無電解電容。 圖1、基于MT7920的隔離LED驅(qū)動方案 　　當(dāng)輸出電容C8、C9采用470μF電解電容，驅(qū)動6顆LED時，測量結(jié)果如下：　　 　　輸入電壓Vin = 220VAC，輸入功率Pin = 7.54W　　 　　輸出電壓Vo = 19.33V （萬用表讀數(shù)）　　 　　輸出電流Io = 327mA （萬用表讀數(shù)）　　 　　輸出功率Po = Vo * Io = 6.32W　　 　　效率η = 6.32/7.54 = 83.8%　　 　　采用電解電容時的輸出電壓，電流的波形如圖2所示。從波形圖上可以看出，輸出電壓、電流均存在一定的紋波。這在單級PFC恒流驅(qū)動方案中不可避免的，加大輸出電容C8、C9，可以進(jìn)一步減小輸出紋波。同時我們注意到示波器上電流、電壓的平均值與萬用表的讀數(shù)基本相同。也即是萬用表所測量到的直流電壓、電流值為平均值。 圖2、輸出采用電解電容（470μF X 2）時的電流、電壓波形 　?。–h1=藍(lán)色：輸出電壓； Ch4=綠色：輸出電流； 數(shù)學(xué)運(yùn)算=紅色：Ch1*Ch4） 　　進(jìn)一步，在示波器上，用輸出電壓與輸出電流相乘所得的瞬時功率曲線的平均值6.34W也基本與用平均電壓與平均電流相乘所計算的功率相同?！　? 　　當(dāng)輸出電容C8、C9采用22μF陶瓷電容，驅(qū)動6顆LED時，測量結(jié)果如下：　　 　　輸入電壓Vin = 220VAC，輸入功率Pin = 8.10W　　 　　輸出電壓Vo = 19.07V （萬用表讀數(shù)）　　 　　輸出電流Io = 334mA （萬用表讀數(shù)）　　 　　輸出功率Po = Vo * Io = 6.37W　　 　　效率η = 6.37/8.10 = 78.6% 　　采用陶瓷電容時輸出電壓、電流的波形如圖3所示。與用電解電容時相比，輸入功率增加了約0.56W（8.10W – 7.54W），而輸出功率按萬用表讀數(shù)計算基本不變（6.37W vs. 6.32W），從而導(dǎo)致效率降低了5%。情況真的如此嗎？0.5W的功率跑哪里去了？ 圖3、輸出采用陶瓷電容（22μF X 2）時的電流、電壓波形 　　（Ch1=藍(lán)色：輸出電壓； Ch4=綠色：輸出電流； 數(shù)學(xué)運(yùn)算=紅色：Ch1*Ch4） 　　在圖3中，用輸出電壓與輸出電流相乘所得的瞬時功率曲線的平均值為6.86W，而不是用平均電壓與平均電流計算得到的6.37W，二者相差0.49W，正好補(bǔ)上了輸入端增加的0.56W。新的效率應(yīng)該是η = 6.37/8.10 =84.7%。因此效率是沒有下降的。　　 　　為什么在無電解電容（采用陶瓷電容）方案中，輸出功率的計算會有如此的不同？原因在于陶瓷電容的容值較小，導(dǎo)致輸出電流的紋波巨大，電流的最低值甚至已經(jīng)觸底為零值了。此時，輸出電流的紋波已經(jīng)大于其直流平均值了，也即是輸出電流已經(jīng)是一個交流電流了。再采用平均電流來計算輸出功率就不合適了?！　? 　　正確的輸出功率計算方法是：Po = Vo_rms * Io_rms * PF。式中Vo_rms和Io_rms分別為輸出電壓和電流的均方根值，PF為功率因子。圖4是輸出為陶瓷電容時，輸出電壓及電流的波形及均方根值。與圖3比較可以發(fā)現(xiàn)，對于交流電流來說，平均值與均方根值不再相等了。 圖4、輸出采用陶瓷電容（22μF X 2）時的電流、電壓波形 　?。–h1=藍(lán)色：輸出電壓； Ch4=綠色：輸出電流； 數(shù)學(xué)運(yùn)算=紅色：Ch1*Ch4） 　　但是功率因子PF不容易測量，用上述的公式在操作上有一定的難度，而采用瞬時功率（瞬時電壓乘以瞬時電流）的平均值來計算輸出功率就比較容易，這個操作可以在示波器上很容易地實(shí)現(xiàn)。在用電解電容的方案中，由于電解電容的容值比較大，輸出電流的直流值遠(yuǎn)大于紋波值，其平均值與均方根值基本相等，用平均電流來計算輸出功率就不會引入太大的誤差。