- 探討電子市場的無電解電容驅(qū)動技術(shù)方案
- 非隔離PFC降壓無電解電容LED驅(qū)動器FL7701
- 無電解電容的LED驅(qū)動器D7160
- MLCC替代LED電源中電解電容的可行性探究
【class1】：LED照明設(shè)計基礎(chǔ)全攻略
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80016163
【class2】：名家講解最新LED調(diào)光技術(shù)方案
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80016290
【class4】:隔離式LED驅(qū)動電源方案的新探索
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80016429
曾經(jīng)有人為LED一個生動的比喻：如果把LED燈具比作一個“人”，那么LED驅(qū)動電路就是整個LED燈具的“心臟”。這顆“心臟”不僅為LED燈具輸送能量，并且對LED燈具質(zhì)量的影響至關(guān)重要。眾所周知，如果需要制作長壽命的LED燈具，就盡量不要使用電解電容，那么不采用電解電容方案的驅(qū)動，我們稱之為“無電解電容的驅(qū)動方案”，無電解電容的驅(qū)動方案將會是LED驅(qū)動未來的發(fā)展趨勢和方向。
為什么一定要用電解電容呢？這是因為LED是直流電流驅(qū)動元件，當(dāng)AC電源接通時，一般是使用整流元件和平滑回路的直流穩(wěn)定化電源，該平滑回路中必需要的用到電解電容，但此時的電解電容會因周圍的溫度及自身的發(fā)熱而上升10℃，而導(dǎo)致壽命減半，所以電解電容阻礙了LED照明器具的壽命。
延伸閱讀：影響電解電容壽命的因素http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80013609
那又為什么要強調(diào)無電解電容呢？我們知道LED的工作壽命高達(dá)4萬小時，而電解電容的壽命只有幾千小時，由于系統(tǒng)的壽命是由電源組件中使用的電解電容的壽命來決定的，如果不想法拿掉電解電容，那么LED照明驅(qū)動電源的壽命與LED的壽命就很不匹配，也就很難發(fā)揮出LED照明的長工作壽命優(yōu)勢。這也是為什么最近業(yè)界一直在積極開發(fā)無電解電容的LED照明驅(qū)動電源的主要原因。
據(jù)了解，目前不少廠商紛紛推出無電解電容的LED照明方案，本文主要講解飛兆半導(dǎo)體、上海得倍電子、TDK、村田等的無電解電容方案驅(qū)動電源產(chǎn)品。
飛兆新推智能非隔離PFC降壓無電解電容LED驅(qū)動器FL7701
在談到影響LED燈具壽命問題，飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷部經(jīng)理錢家法表示，LED燈具壽命主由它的驅(qū)動器決定，而驅(qū)動器的壽命取決于其內(nèi)部的電解電容的壽命，電解電容電容壽命只有5千小時左右，如果把這個問題解決了，驅(qū)動器的壽命也相應(yīng)解決了。還有一個影響因素就是LED燈具整體電路設(shè)計是否在可控的范圍。每個零件有它的適用范圍，每個細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)也十分重要，電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)更需優(yōu)化得好，并保證其可靠性。舉個例子來說，LED燈打開的瞬間，亮一下就亮度就立刻降下來，其實是可靠性不高的表現(xiàn)。此次飛兆推出的智能非隔離PFC降壓LED驅(qū)動器FL7701本身具備軟啟動功能，可提高系統(tǒng)的可靠性并優(yōu)化電路里部的設(shè)計，幫助客戶提供產(chǎn)品性能并降低成本。采用這塊驅(qū)動無需電解電容器用于輸入、輸出和IC VDD,可替代大體積變壓器，由此讓其性能最大化，滿足節(jié)能能法規(guī)并簡化LED設(shè)計，效率也達(dá)到85%以上。對于較小的照明燈尺寸，最大限度減少BOM。這也很好地解決LED燈具的壽命問題及可靠性問題。
智能非隔離PFC降壓LED驅(qū)動器FL7701解決方案
FL7701智能非隔離型PFC降壓LED驅(qū)動器（實物圖）
芯凱電子科技（上海）有限公司總經(jīng)理劉宏與飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷部經(jīng)理錢家法的想法也是不謀而合的，他也認(rèn)為影響LED燈具壽命的就是LED驅(qū)動電路是采用無電解電容驅(qū)動方案還是電解電容驅(qū)動方案。目前說，無電解電容驅(qū)動器在設(shè)計過程，技術(shù)需求比較高，過程比較復(fù)雜，他們工程師也有在這個領(lǐng)域上努力。鑒于市場有各種不同類型的需求（低端和高端），也不能說無電解電容方案最終會取代電解電容方案，至少目前是不能，所以芯凱電子根據(jù)各種客戶的需求，不論是電解電容方案的驅(qū)動器還是無電解電容方案的驅(qū)動器他們都會有供應(yīng)。
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上海得倍電子新推無電解電容的LED驅(qū)動器D7160
LED照明作為綠色、節(jié)能、環(huán)保的新光源，已無可置疑地被越來越多的人認(rèn)可。LED照明的一項核心內(nèi)容是AC/DC（CC）的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)階段較成熟的AC/DC轉(zhuǎn)換都不可避免的采用了傳統(tǒng)的DC/DC降壓模式，這些模式無論千變?nèi)f化都脫離不了整流濾波電容的困惑。
針對于無電解電容方案的LED驅(qū)動器的開發(fā)，上海得倍電子也推出了一款D7160 是無電解電容的LED驅(qū)動IC。它無需電解電容，節(jié)省體積，可使印刷電路板面積縮小至原來的40%，提高整個LED燈具壽命，壽命可達(dá)10萬小時以上，綠色環(huán)保，白光LED能耗是普通節(jié)能燈的1/4，內(nèi)置抖頻減小EMI，內(nèi)置各種保護(hù)（過溫、欠壓閉鎖、過壓、過流），兼顧功率因數(shù)和輸出紋波，內(nèi)部具有一個30K--130K的壓控振蕩器，使得線路更加穩(wěn)定，效率更高并可以廣泛應(yīng)用于照明LED、射燈和日光燈之中。
D7160無電解電容AC/DC LED驅(qū)動器
MLCC替代LED電源中電解電容的可行性探究
前面已經(jīng)提到過，采用無電解電容方案的驅(qū)動器盡管能解決了LED照明燈具壽命的問題，但由于缺少了電解電容而帶來的高紋波電流而導(dǎo)致的低頻閃爍開始越來越被人注意，這也是目前采用電解電容或不采用電解電容的LED驅(qū)動方案的矛盾。那么采用還有其它途徑既能解決LED照明的壽命問題或是閃爍問題嗎？
延伸閱讀：MLCC完全替代LED電源中電解電容的可行性分析http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80014240
日本注重LED燈具的壽命和舒適性，這里也曾經(jīng)有一個十分有趣的典故，LED燈具頻閃曾經(jīng)讓一名日本市政廳官員暈倒，于是引起媒體的一時轟動，TDK技術(shù)專家將LED照明燈具里的MLCC替換為電解電容，并且做了頻閃測試。測試發(fā)現(xiàn)，用MLCC去替換電解電容時不能同等容量進(jìn)行替換。日本一些領(lǐng)先廠商已經(jīng)開發(fā)出全部使用MLCC的LED燈具，這種替換思路已經(jīng)在日本獲得廣泛認(rèn)同。
日本村田制作所展示過無需電解電容器的LED照明用電源，該驅(qū)動電源是面向Clear Sodick開發(fā)的電源模塊，其輸入輸出電容器采用了該公司的多層陶瓷電容(MLCC)，可內(nèi)置于直管型LED照明器具的管內(nèi)。與采用鋁電解電容器時相比，除了可縮小產(chǎn)品尺寸外，還能延長產(chǎn)品壽命。為了獲得恒定電流，采用了DSP微控制器，開關(guān)頻率約為200kHz。輸出電容器采用了兩個約5μF的MLCC。輸入電壓支持AC100V以及200V兩種。
為了使LED照明獲得恒定電流，采用了DSP微控制器。開關(guān)頻率約為200kHz。輸出電容器采用了兩個約5μF的MLCC。“一般情況下，該容量的 MLCC無法完全吸收脈動電流，不過通過改進(jìn)DSP側(cè)的控制，不會感覺到照明器具的閃爍”（村田制作所）。主電路采用非絕緣升降壓型，沒有設(shè)置PFC（功 率因數(shù)改善）電路。外形尺寸為180mm×19.4mm×6.5mm。
參考展示Clear Sodick生產(chǎn)的直管型LED照明產(chǎn)品，管內(nèi)內(nèi)置了電源電路，相當(dāng)于40W熒光燈的產(chǎn)品的耗電量為19W，LED元件數(shù)量為204個。
參考展示Clear Sodick生產(chǎn)的直管型LED照明產(chǎn)品的電路圖
據(jù)了解，一般情況下，該容量的MLCC無法完全吸收脈動電流，不過通過改進(jìn)DSP側(cè)的控制，不會感覺到照明器具的閃爍。主電路采用非絕緣升降壓型，沒有設(shè)置PFC(功率因數(shù)改善)電路。外形尺寸為180mm×19.4mm×6.5mm。我們知道，電解電容有一個很大的特點，就是ESR值比較高。如果ESR比較高，會以發(fā)熱的形式損耗掉，所以電解電容自身發(fā)熱是比較嚴(yán)重的。另外，它的紋波電流比較高，同樣會引起自身發(fā)熱非常嚴(yán)重。ESR加上紋波電流，自身發(fā)熱達(dá)到一定程度會加速電解液揮發(fā)的速度，容量也會衰減，整個呈現(xiàn)惡性循環(huán)的趨勢。
MLCC跟電解電容一樣，也有它的缺點和優(yōu)點。MLCC最主要的特點是壽命比較長，另外它在高溫和低溫下的表現(xiàn)非常一致，它的特性在高溫和低溫下面不會有太大差異。但是，跟同等容量的電解電容相比，MLCC單價會比較高；MLCC有偏壓的特性，它的容量跟施加的電壓呈衰減的趨勢；MLCC的容量范圍比較小，MLCC不可能像電解電容那樣隨隨便便就可以做到200萬、 300萬。因此，MLCC應(yīng)用于LED照明驅(qū)動設(shè)計的方案能否進(jìn)一步的推廣或應(yīng)用還有待觀望，不過這也不失為解決LED照明燈具壽命的的好途徑之一。
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無電解電容方案怎樣才能主導(dǎo)LED照明驅(qū)動市場？
有人認(rèn)為，無電解電容的驅(qū)動方案是一個必然的發(fā)展趨勢。隨著時間的推移，市場上的一些帶有電解電容的驅(qū)動電源會有相繼失效的現(xiàn)象， LED是個節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，目前商用80-120lm/w光效已是所有照明產(chǎn)品中最高水平，但仍有60%左右的電能不能轉(zhuǎn)換為光能而轉(zhuǎn)換為熱能。所有 LED燈具工作時是一個加熱體，使燈具局部形成50—70度甚至85度的高溫區(qū)，會很快將電解電容的電解液烤蒸發(fā)，1000到3000小時時就很快失效。
與上面觀點恰恰相反的是，對于LED電源，人們擔(dān)心最多的就是某些元件的自然老化，例如電解電容，因為它的工作溫度很高；其次就是驅(qū)動電源對于電網(wǎng)波動的適應(yīng)性及可靠性，例如雷擊，因為很多半導(dǎo)體的元件會因為OverStress而失效。電解電容會存在電解液干涸的可靠性問題，但是如果簡單地去除電解電容就會降低電源對電網(wǎng)波動的抗干擾能力，也會帶來因雷擊失效的風(fēng)險，因此需要全面地評估產(chǎn)品的可靠性。
隨著電源需求的增加，如果不采用電解電容，LED驅(qū)動器的設(shè)計會變得非常昂貴。在低功率水平上，通過用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問題，而在高品質(zhì)光源燈具上，電解電容是難以去除的。事實上，如果電解電容質(zhì)量很好，可以達(dá)到105攝氏度的工作溫度和10000小時額定工作時間，就沒有必要將電解電容從LED驅(qū)動設(shè)計中去除。如果在低溫條件下，這些元件的使用壽命可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10000小時，例如，在85度下，一個額定壽命為10000小時的元件可以運行40000小時。
另一方面，由無電解電容帶來的高紋波電流而導(dǎo)致的低頻閃爍開始越來越被人注意，有研究者認(rèn)為，低于165Hz的頻閃即便是人眼不易覺察，但這已經(jīng)對某些人眼造成生理上的不適，幅度大的低頻紋波會也會被導(dǎo)致一些數(shù)碼像機設(shè)備出現(xiàn)差頻閃爍的亮暗柵格。所以有人指出，市場很渴望能有既能解決電容壽命又能保持穩(wěn)定性及可靠 的新方案，但現(xiàn)階段在高品質(zhì)光源燈具上是難以去除電解電容的。
因此，從目前的狀況來看盡管認(rèn)為無電解電容LED照明是LED照明電源的發(fā)展大趨勢，但技術(shù)方面需要克服的問題很多(包括價格、閃爍、可靠性等問題)。解決了這些問題了，才能在消費市場上擊潰電解電容方案的LED驅(qū)動器，從真正意義上迎來無電解電容方案主導(dǎo)的LED照明驅(qū)動市場。
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