无电解电容LED驱动方案输出功率的计算

作为一个半导体器件，LED灯珠的寿命长达50000小时以上。而LED照明驱动解决方案中普遍用到电解电容，其寿命则仅为5000~10000小时。这样电解电容的短寿命与LED灯珠的长寿命之间有一个巨大的差距，削弱了LED的优势。因而无电解电容LED驱动解决方案受到市场青睐。 　　美芯晟科技推出了基于MT7920的无电解电容LED驱动解决方案（见图1）。在该方案中，在全桥堆之后，采用容值较小的CBB高压陶瓷电容或薄膜电容取代了高压电解电容，去掉了电解电容，同时也提高了功率因子（PFC，在85VAC~265VAC范围可以全程高于0.9）。而输出电容C8和C9可以用陶瓷电容替代电解电容。从而实现了完全无电解电容。 图1、基于MT7920的隔离LED驱动方案 　　当输出电容C8、C9采用470μF电解电容，驱动6颗LED时，测量结果如下：　　 　　输入电压Vin = 220VAC，输入功率Pin = 7.54W　　 　　输出电压Vo = 19.33V （万用表读数）　　 　　输出电流Io = 327mA （万用表读数）　　 　　输出功率Po = Vo * Io = 6.32W　　 　　效率η = 6.32/7.54 = 83.8%　　 　　采用电解电容时的输出电压，电流的波形如图2所示。从波形图上可以看出，输出电压、电流均存在一定的纹波。这在单级PFC恒流驱动方案中不可避免的，加大输出电容C8、C9，可以进一步减小输出纹波。同时我们注意到示波器上电流、电压的平均值与万用表的读数基本相同。也即是万用表所测量到的直流电压、电流值为平均值。 图2、输出采用电解电容（470μF X 2）时的电流、电压波形 　　（Ch1=蓝色：输出电压； Ch4=绿色：输出电流； 数学运算=红色：Ch1*Ch4） 　　进一步，在示波器上，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值6.34W也基本与用平均电压与平均电流相乘所计算的功率相同。　　 　　当输出电容C8、C9采用22μF陶瓷电容，驱动6颗LED时，测量结果如下：　　 　　输入电压Vin = 220VAC，输入功率Pin = 8.10W　　 　　输出电压Vo = 19.07V （万用表读数）　　 　　输出电流Io = 334mA （万用表读数）　　 　　输出功率Po = Vo * Io = 6.37W　　 　　效率η = 6.37/8.10 = 78.6% 　　采用陶瓷电容时输出电压、电流的波形如图3所示。与用电解电容时相比，输入功率增加了约0.56W（8.10W – 7.54W），而输出功率按万用表读数计算基本不变（6.37W vs. 6.32W），从而导致效率降低了5%。情况真的如此吗？0.5W的功率跑哪里去了？ 图3、输出采用陶瓷电容（22μF X 2）时的电流、电压波形 　　（Ch1=蓝色：输出电压； Ch4=绿色：输出电流； 数学运算=红色：Ch1*Ch4） 　　在图3中，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值为6.86W，而不是用平均电压与平均电流计算得到的6.37W，二者相差0.49W，正好补上了输入端增加的0.56W。新的效率应该是η = 6.37/8.10 =84.7%。因此效率是没有下降的。　　 　　为什么在无电解电容（采用陶瓷电容）方案中，输出功率的计算会有如此的不同？原因在于陶瓷电容的容值较小，导致输出电流的纹波巨大，电流的最低值甚至已经触底为零值了。此时，输出电流的纹波已经大于其直流平均值了，也即是输出电流已经是一个交流电流了。再采用平均电流来计算输出功率就不合适了。　　 　　正确的输出功率计算方法是：Po = Vo_rms * Io_rms * PF。式中Vo_rms和Io_rms分别为输出电压和电流的均方根值，PF为功率因子。图4是输出为陶瓷电容时，输出电压及电流的波形及均方根值。与图3比较可以发现，对于交流电流来说，平均值与均方根值不再相等了。 图4、输出采用陶瓷电容（22μF X 2）时的电流、电压波形 　　（Ch1=蓝色：输出电压； Ch4=绿色：输出电流； 数学运算=红色：Ch1*Ch4） 　　但是功率因子PF不容易测量，用上述的公式在操作上有一定的难度，而采用瞬时功率（瞬时电压乘以瞬时电流）的平均值来计算输出功率就比较容易，这个操作可以在示波器上很容易地实现。在用电解电容的方案中，由于电解电容的容值比较大，输出电流的直流值远大于纹波值，其平均值与均方根值基本相等，用平均电流来计算输出功率就不会引入太大的误差。