开关电源工程师对LED日光灯电源的研发及制作流程

我是做开关电源的，原来做过适配器，充电器，铁壳开关电源。后来做LED电源，最初是做些1W,3W的大功率LED驱动器，但后来做的少了。原因很简单，没有市场。我我做的开关电源里面，有一个集成MOS的开关电源芯片，还有一个变压器。这二者的成本就是放在那里的，当然性能也是放在那里的。但我相信，最终小功率LED恒流驱动器会将阻容降压电源淘汰掉。 　　因为消费者会慢慢趋于理性，一个阻容降压电源做出来的灯具，几乎是没有什么实用价值的，只能当个摆设和玩具，如果LED真的进入了通用照明领域，阻容降压电源根本无法胜任。我可以料到将来的情况会是，随着LED性能的提高，价格的降低，电源成本也将会成为LED灯具成本的相当重要的一部分。真正的灯具，阻容降压根本不能胜任。阻容降压电源大行其道，只是一个过渡，最终还是恒流型电源为正宗。 　　我目前还是看好小功率的LED灯具。小功率LED灯，目前主要是光衰太大，价格也不够理想。但现在用于普通照明还是比大功率有优势。我认为小功率LED灯具进入通用照明领域，和节能灯一较高下，会是五年之内的事。而大功率LED进入通用照明，则肯定是五年以外的事。所以现在我专注于小功率LED的研发和制作。 　　我注意到现在小功率LED应用于通用照明的灯具主要有LED台灯，LED蜂窝灯，还有LED日光灯。尤其是LED日光灯，从07年下半年开始，很多人开始研发，可以说热的不得了。基本上现在找我的人里十个有八个都是做这个的，所以我也做就开始做LED日光灯的电源，做了一段时间，所以在此说一下这种电源的研发和制作的大致方法和原则。个人所体会到的吧。 　　关于LED日光灯电源外形 　　现在LED日光灯电源，做灯的厂家普遍要求放在灯管内，如放T8灯管内。很少一部分外置。不知道为什么都要这样。其实内置电源又难做，性能也不好。但不知为什么还有这么多人这样要求。可能都是随风倒吧。外置电源应该说是更科学，更方便才对。但我也不得不随风倒，客户要什么，我就做什么。但做内 　　置电源，有相当难度哦。因为外置的电源，形状基本没有要求，想做多大做多大，想做成什么形状也没关系。内置电源，只能做成两种，一种是用的最多的，就是说放在灯板下面，上面放灯板，下面是电源，这样就要求电源做的很薄，不然装不进。而且这样只能把元件倒下，电源上的线路也只有加长。我认为这样不是个好办法。不过大家普遍喜欢这样搞。我就搞。还有就是用的少一些，放两端的，即放在灯管两头，这样好做些，成本也低些。我也有做过，基本就是这两种内置形状了。 　　关于此种电源的要求和电路结构的问题 　　我的看法是，因为电源要内置在灯里，而发热是LED光衰最大的杀手，所以发热一定要小，就是效率一定得高。当然得有高效率的电源。对于T8一米二长的那种灯，最好是不要用一支电源，而是用二支，两端各一只，将热量分散。从而不使热量集中在一个地方。电源的效率主要取决于电路的结构和所用的器件。先说电路结构，有些人还说要隔离电源，我想绝对是没必要的，因为这种东西本来就是置于灯体内部，人根本摸不到。没必要隔离，因为隔离电源的效率比不隔离效率要低，第二是，最好输出要高电压小电流，这样的电源才能把效率做高。现在普遍用到的是，BUCK电路，即降压式电路。 　　最好是把输出电压做到一百伏以上，电流定在100MA上那样，如驱动一百二十只，最好是三串，每串四十只，电压就是一百三十伏，电流60MA.这种电源用的很多，本人只是认为有一点不好，如果开关管失控通咱，LED会玩完。现在LED这么贵。我比较看好升压式电路，此种电路的好处，我反复的说过，一是效率较降压式的高些，二是电源坏了，LED灯不会坏。这样能确保万无一失，如果烧坏一个电源，只是损失几块钱，烧一个LED日光灯，就会赔掉上百元的成本。 　　所以我一直首推还是升压式的电源。还有就是，升压式电路，很容易把PF值作高，降压式的就麻烦一些。我绝对升压式电路用于LED日光灯的好处还是有压倒性的强于降压式的。只是有一年缺 点，就是在220V市电输入情况下，负载范围比较窄，一般只能适用于100至140个一串或两串LED,对于少于此数的，或是夹在中间的，却用起来不方便。不过现在做LED日光灯的，一般60CM长那种都是用100至140,一米二的那种，一般就是用二百到二百六那样，使用起来还是可以的。所以现在LED日光灯一般使用的是不隔离降压电路，还有不隔离升压电路，此种电路用于LED日光灯，应该可以算是本人首创。 　　关于高PFLED日光灯电源，大电流的LED日光灯电源的看法： 　　个人认为这些做法有很多时候实在是舍本逐末而已。现在先请问一下LED相对于传统灯具的优势在哪，第一，节能，第二长寿，然后是不怕开关，对吧。但是现在使用的高PF的方法，均是使用无源填谷PF电路，由原来的驱动方式，即48串，6并改为，24串12并，这样的话，在220V情况下，效率会降下五个百分点左右，于是LED日光灯电源，发热量更高了，灯珠也会受到一点影响。 　　还有一个问题，就是，24串12并的做法，会让LED日光灯灯珠的布线变的很难受，不好布线了。我看，最好的方式还是48串一串方式好，主要是效率高，发热小，而且布线容易，不复杂。更有甚者，现在还有人提出什么24并，12串，这种方式只适合用于隔离电源，不隔离电源根本不适用。更有些不懂电源常识的人觉得自己非隔离电源做到恒流600MA输出就好牛比了，其实他都没有自己仔细的放在灯管里试过，象这种不热爆了才怪。所以说，现在搞什么低压大电流做LED日光灯电源，实是舍本求末的做法。倍受鼓励，接着谈。 　　两种恒流控制方式 　　下面要说的是，两种恒流控制模式的开关电源，从而产生两种做法。这两种做法，无论是原理，还是器件应用，还是性能差别，相当都较大。 　　1.以现在恒流型LED专用IC为代表 　　第一种以现在恒流型LED专用IC为代表，主要如9910系列，AMC7150,凡是现在打LED恒流驱动IC的牌子基本都是这种，且叫他恒流IC型的吧。但我认为这种所谓恒流IC做恒流，效果却不怎么好。其控制原理相对来说较简单，就是在电源工作的原边回路，设定一个电流阀值，当原边MOS导通，此时电感的电流是线性上升的，当上升到一定值的时候，达到这个阀值，就关断电流，下一周期再由触发电路触发导通。其实此种恒流应该是一种限流，我们知道，当电感量不同的时候，原边电流的形状是不同的，虽然有相同的峰值，但电流平均值不同。因此，象这种电源一般就是批量生产时，恒流大小的一致性不太好控制。还有就是此种电源有一个特点，一般是输出电流是梯形的，即波动式电流，输出一般是不用电解平滑的，这也是一个问题，如果电流峰值过大，会对LED产生影响。如果电源的输出级没有并电解来平滑电流的那种电源，基本上都属此类。即判断是否是这种控制方式，就看其输出有没有并上电解滤波了。这种恒流我原来一直叫其为假恒流，因为其本质就是一种限流，并不是经过运放比较，而得到的恒流值。 　　2.第二种恒流方式，应该可以叫做开关电源式的。 　　这种控制方式和开关电源的恒压控制方式相似。大家都知道用TL431做恒压吧，因为其内部有一个2.5伏的基准，然后用电阻分压方式。当输出电压高一点的时候，或低一点的时候，就产生一个比较电压，经过放大，去控制PWM信号，所以此种控制方式可以很精确的控制电压。这种控制方式，需要一个基准，还需要一只运放，如果基准够准，运放放大倍数够大，那么就定的很准。同样的，做恒流，就是需要一个恒流基准，一个运放，用电阻过流检测，作为信号，然后用这个信号放大，去控制PWM,可惜现在就是不太好找到很准的基准信号，常用的有三极管，这个做基准温漂大，还有就是可以拿二极管约1V的导通值做基准，这样的也可以，可都不高，最好的是用运放加TL431当基准，但电路复杂。但这样做的恒流电源，恒流精确度还是好控制的多。而这种模式控制的恒流，其输出一定得加电解滤波，所以输出电源是平滑直流，不是脉动的，脉 动的话就没法取样了。所以要判定是哪种只要看其输出是否有电解就行了。 　　两种恒流控制模式决定了使用两类不同的器件，一是从而决定了两种电路器件使用不同，性能的不同，成本亦不同。 　　以9910系列为代表的恒流型控制IC做的LED电源，实际是限流，控制较简单，严格的说起来，其不属于开关电源控制的主流模式，开关电源控制的主流模式是一定要有基准和运放的。但这种IC出来就只能用于LED,很难用于其它的东西，只是因为LED对纹波要求极低。但因为是只用于LED,所以现在价格较高。基本就是使用9910加MOS管制作，输出无电解，一般我看很多人就是用工字电感做功率转换电感的。这种电源，一般厂家的芯片资料上有出图，基本都是降压式。我也不多说了，精于此道的人比我多的多。 　　二是以我为代表的，即是开关电源控制模式的恒流驱动器。这种，就是以普通的开关电源芯片为核心转换器件，这种芯片很多，如PI的TNY系列，TOP系列，ST的VIPER12,VIPER22,仙童的FSD200等，甚至只用三极管或是MOS管的RCC等，都可以做。好处是成本低，可靠性也不错。因为普通的开关电源芯片不但价格好，而且都是经过大量使用的经典产品。象这种IC其实一般集成了MOS管，比9910外加MOS方便，但控制方式复杂一些，需要外加恒流控制器件，可以用三极管，或是运放。磁性元件可以用工字电感，亦可用带气隙的高频变压器。 　　我爱用变压器，因为电感的成本虽然很低，但我觉得其带负载能力不行，再者调节感量也不灵活。所以我觉得比较好的器件选择是，普通的集成MOS的开关电源芯片加高频变压器，从性能，成本上，都是最理想的选择，不需要去用什么恒流IC,那种东西，又不好用，又贵。 　　最后说一下，区别这两种电源，一个最重要的方法，就是看其输出是否有电解电容作滤波。 　　关于供电问题--不管是做限流型恒流控制的电源，还是运放控制的恒流电源，都要解决供电问题。即开关电源芯片工作 的时候是需要一个相对稳定的直流电压为其芯片供电的，芯片的工作电流从一个MA到几个MA不等。有一种象FSD200,NCP1012,和HV9910,此种芯片是高压自馈电的，用起来是方便，但高压馈电，造成IC热量的上升，因为IC要承受约300V的直流电，只要稍有一点电流，就算一个MA,也有零点三瓦的损坏耗了。一般LED电源不过十瓦左右，损失零点几瓦一下就可以将电源的效率拉下几个点。还有就是典型象QX9910.,用电阻下拉取电，这样，损耗就在电阻上，大约也得损失它零点几瓦吧。还有就是磁耦合，就是用变压器，在主功率线圈上加一个绕组，就象反激电源的辅助绕组一样，这样可以避免损掉这零点几瓦的功率。这也是我为什么不隔离电源还要用变压器的原因之一，就是为了避免损失那零点几瓦的功率，将效率提几个点。 　　不隔离型降压式电源设计方法概论 　　非隔离降压型是现在普遍使用的电源结构，其几乎占了日光灯电源百分之九十以上。很多人都以为不隔离电源只有降压型一种，一说不隔离，就想到降压型，就想到说对灯不安全-指电源损坏后。其实降压型只是一种，还有两种基本结构，即升压，和升降压，即BOOST AND BUCK-BOOST,后两种电源即使损坏。不会影响到LED,有这种好处。降压式电源也有其好处，主要第一点，适合用于220,但不适用于110,因为110V本来电压就低，一降就更低了，那样输出的电流大，电压低，效率做不太高。 　　降压式220V交流，整流滤波后约三百伏，经过降压电路，一般将电压降到直流150V左右，这样即可实现高压小电流输出，效率可以做高。一般用MOS做开关管，做这种规格的电源，我的经验是，可以做到百分之九十那样差不多，再往上也困难。原因很简单，芯片一般自损会有零点五W到一W,而日光灯管电源不过就是十W左右。所以不可能再往上走。现在电源效率这个东西很虚，很多人都是吹，实际根本达不到。常见有些人说什么3W的电源效率做到百分之八十五了，而且还是隔离型的。 　　告诉大家，即便是跳频模式的，空载功耗最小，也要0.3W,还什么输出3W低压，能到百分之八十五，其实有百分之七十算很好了，反正现在很多人吹牛不打草稿，可以忽悠住外行，不过现在做LED的懂电源的也不多。 　　我说过，要效率高，首先就要做非隔离的，然后输出规格还要高压小电流，可以省去功率元件的导通损耗，所以象这种LED电源的主要损耗，一就是芯片自有损耗，这个损耗一般有零点几W到一W的样子，还有一个就是开关损耗了，用MOS做开关管可以显着减小这个损耗，用三极管开关损耗就大很多。所以尽量不要用三极管。还有就是做小电源，最好不要太省，不要用RCC,因为RCC电路一般的厂家根本做不好质量，其实现在芯片也便宜，普通的开关电源芯片，集成MOS管的，最多不过两元钱，没必要省那么一点点，RCC只省点材料费，实际上加工返修等费用更高，到头到反而得不偿失的那样。 　　降压式电源的基本结构就是将电感和负载串入300V高压中，开关管开关的时候，负载即实现了低于300V的电压，具体的电路很多，网上也很多，我也不画图再说了。现在9910,还有一般的市场上的恒流IC基本都是用这种电路来实现的。但这种电路就是开关管击穿的时候，整个LED灯板就玩完，这应该算是最不好的地方了。因为当开关管击穿的时候，整个300V的电压就加在灯板上，本来灯板只能承受一百多伏电压，现在成了三百伏了，这种情况一发生。LED肯定要烧掉。所以很多人说非隔离的不安全，其实就是说降压的，只是因为一般非隔离的绝大多数是降压的，所以认为非隔离的损坏一定要坏LED.其实另外两种基本的非隔离结构，电源损坏，不会影响LED的。 　　降压式电源要设计成高压小电流，效率才能高，细说一下，为什么?因为高压小电流，可以让开关管电流的脉宽大一些，这样峰值电流就小一些，还有就是，对电感的损耗也小一些，通过电路结构就可以知道，电路不方便画。