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1. LED必須采用恒流源供電

我們知道LED是一種發(fā)光二極管，它的伏安特性完全和一般的半導(dǎo)體二極管一樣，具有負(fù)溫度特性。所謂“ 負(fù)溫度特性”就是指當(dāng)溫度升高時(shí)，伏安特性左移，其具體數(shù)值大約在9mV/°C。這時(shí)候假如采用恒壓電源供電，那么其正向電流就會(huì)隨溫度的增加而加大(見(jiàn)圖一)，這樣，它的結(jié)溫也會(huì)隨著加大，從而形成正反饋，最終導(dǎo)致LED燒毀。

圖1. 采用恒壓電源供電將會(huì)使LED的電流隨溫度而增加

例如一個(gè)LED采用3.3V的恒壓電源供電時(shí)，在-40°C時(shí)，其正向電流是8mA，當(dāng)環(huán)境溫度升高到25°C時(shí)，其正向電流就會(huì)升高到20mA，而當(dāng)環(huán)境溫度為85度時(shí)，其正向電流就會(huì)增加到37mA。這顯然是不能允許的。所以LED必須采用恒流電源來(lái)供電。

2. 幾種電源類(lèi)型

這種恒流源可以有兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種是開(kāi)關(guān)電源，另一種是線性電源。這兩種電源的性能比較如下表所示：

從表中可以看出，開(kāi)關(guān)電源除了效率比線性電源高以外，其他都是缺點(diǎn)。線性電源唯一的缺點(diǎn)是效率低，如果改進(jìn)了效率低這個(gè)缺點(diǎn)，那么就全都是優(yōu)點(diǎn)了!

3. 線性恒流源的具體電路

上面表中的線性恒流源需要5個(gè)元件，實(shí)際上它只是一個(gè)恒流二極管，其他兩個(gè)保護(hù)元件，一個(gè)整流橋，一個(gè)電解電容，具體電路如圖2所示：

圖2 采用恒流二極管的驅(qū)動(dòng)電路

圖中的CRD就是恒流二極管，圖中采用了幾個(gè)CRD并聯(lián)，如果有一個(gè)電流足夠大的CRD。那么采用一個(gè)就可以了。恒流二極管的伏安特性如圖3所示：

圖3 恒流二極管的伏安特性

它可以在Vk一直到POV很大的輸入直流電壓范圍內(nèi)都保持電流恒定。而Vk的絕對(duì)值低于3V，假定整流后的直流電壓為300V，恒流值為0.1A，那么總功率為30W，如果LED串的總電壓也正好接近300V，而使恒流二極管工作于Vk點(diǎn)，那么它消耗的功率就只有0.3W，其效率為(30-0.3)/30=99%。

但是當(dāng)輸入電壓增加的時(shí)候，恒流二極管就必須承擔(dān)起消耗這些多余電壓的功能，它的工作點(diǎn)就右移，而功耗就逐漸增大，整體的效率也就逐漸降低，表現(xiàn)為其效率的線性下降。

它是以犧牲自己作為代價(jià)而不讓高電壓加到后面的LED上。

圖中還采用了兩個(gè)保護(hù)元件，一個(gè)是變阻器，實(shí)際上是一個(gè)抗浪涌的變電阻，它平時(shí)的阻值很高，所以并在電路里對(duì)整個(gè)電路沒(méi)有什么影響，一旦有一個(gè)高壓浪涌脈沖，它的阻值立刻降低從而吸收掉這個(gè)浪涌脈沖，使它不會(huì)對(duì)后面的電路有損害。第二個(gè)保護(hù)元件是大功率熱敏電阻NTC，它是為了吸收電解電容充電時(shí)的高峰值電流，平時(shí)它的電阻很小，串在電路里面沒(méi)有什么影響。一旦有一個(gè)高峰值電流，它的電阻因?yàn)榘l(fā)熱而很快增大，從而削減了峰值電流值。

4. 如何讓恒流二極管始終工作在高效率的Vk點(diǎn)上

我們先來(lái)看一下恒流二極管的工作點(diǎn)是怎么決定的。外面的市電電壓(先假定是220V)經(jīng)過(guò)整流橋和電解電容濾波以后得到的直流電壓大約是306V。這個(gè)電壓加在LED串和恒流二極管上。而LED串的電壓等于每個(gè)LED的正向電壓乘以LED個(gè)數(shù)(假定每個(gè)LED的伏安特性都是一樣的)，而LED的正向電壓

是根據(jù)它的正向電流從伏安特性上查到的，實(shí)際上的正向電壓應(yīng)該等溫度穩(wěn)定以后測(cè)量，因?yàn)殡S著溫度的升高，LED正向電壓會(huì)從額定的3.3V降到2.8V左右。不論如何，如果這串LED正向電壓的總和加上Vk正好等于整流后電壓，那么這個(gè)恒流二極管就可以正好工作在Vk點(diǎn)，從而得到最高的效率。

然而整流后電壓是由市電電壓決定的，而市電電壓雖然額定是220V，但實(shí)際上很多地方完全不是這樣，尤其是在工業(yè)區(qū)的工廠里，不但可能遠(yuǎn)低于220V，而且還會(huì)有經(jīng)常突變的情況發(fā)生。

5. 對(duì)市電電壓的自適應(yīng)

為了適應(yīng)這種市電電壓的不確定性和多變性，必須想出一種自適應(yīng)的方法來(lái)適應(yīng)這種情況。這就需要有兩個(gè)措施，一是測(cè)出恒流二極管上的電壓(高于3V的數(shù)值)，二是想方法使得串聯(lián)的LED總電壓仍然能夠等于整流后電壓減去Vk。我們想出的方法就是改變串聯(lián)的個(gè)數(shù)，市電電壓高了就增加LED個(gè)數(shù)，電壓低了就減少串聯(lián)的個(gè)數(shù)。因?yàn)殡妷旱淖兓彩怯邢薜模绮怀^(guò)+/- 20%，所以改變的數(shù)目也不會(huì)大于這個(gè)百分?jǐn)?shù)。其實(shí)現(xiàn)的框圖如圖4所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的方法

其中有一小串LED是可以切入至LED主串或從其中斷開(kāi)的，取決于電壓高了還是低了。

采用這種方法以后其效率可以始終保持在99%。其實(shí)測(cè)的結(jié)果如圖5所示。

圖中藍(lán)色為恒流源本身的效率,紅色為加上整流器以后的總效率，在市電電壓在175V-265V內(nèi)變化時(shí)，恒流源的效率都能保持99%不變，加上整流器的損耗也可以高于98%。

6. 對(duì)溫度的自適應(yīng)

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，恒流二極管的功耗也會(huì)加大，例如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于LED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)，它的正向電壓也會(huì)降低，這時(shí)候LED串的總電壓就會(huì)低于整流后電壓，于是恒流二極管的壓降就會(huì)升高，功耗就會(huì)加大。對(duì)溫度的自適應(yīng)仍然是靠測(cè)量恒流二極管上的電壓，假如這個(gè)電壓超過(guò)了Vk智能的恒流源就會(huì)增加LED串中的LED數(shù)目，使得其總正向電壓升高，而使這個(gè)總電壓和整流后電壓仍然保持匹配從而保持高效率，其實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

由圖中可以看到，當(dāng)環(huán)境溫度從35度升高到85度時(shí)，整個(gè)效率隨輸入電壓變化曲線幾乎完全一樣，始終保持在98%以上(包括了整流器的效率在內(nèi))。

7. 對(duì)不同正向電壓的LED的自適應(yīng)

這種智能型LED恒流源還有一個(gè)自適應(yīng)的功能，就是對(duì)不同正向電壓的LED的自適應(yīng)。在同一個(gè)LED串中，可以采用具有不同正向電壓的LED，混編以后，自適應(yīng)智能LED恒流源仍然可以自動(dòng)地切換LED數(shù)，以保證其總效率在99%。其原理和前面一樣。

8. 改變LED的數(shù)目而不改變其光通量

如果只是改變LED的數(shù)目，由于恒流源的電流沒(méi)有改變，就會(huì)改變總的光通量。在智能型LED恒流源的整體設(shè)計(jì)中也考慮到這個(gè)問(wèn)題，在改變LED數(shù)目的同時(shí)還自適應(yīng)地改變恒流源的電流值，使得其總功率和總光通量不變。其結(jié)果如下：

由圖中可見(jiàn)，采用這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)以后，在不同的輸入電壓范圍內(nèi)，其輸入功率，輸出光通量和整體光效都基本上保持不變。

9. 自適應(yīng)智能芯片

以上的自適應(yīng)技術(shù)是靠一種專(zhuān)用控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)芯片稱(chēng)為AISC(Adaptive Intelligent Current Source)，即自適應(yīng)智能恒流源。 是由埃菲萊公司自行設(shè)計(jì)并生產(chǎn)供給自家公司生產(chǎn)自適應(yīng)智能光引擎之用。所以埃菲萊光電科技有限公司是國(guó)內(nèi)唯一能夠自行發(fā)明，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)芯片并用于自家的自適應(yīng)智能光引擎的產(chǎn)品的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司。這個(gè)發(fā)明已經(jīng)申請(qǐng)了美國(guó)、中國(guó)、臺(tái)灣、日本、和歐盟的專(zhuān)利。

最近這個(gè)專(zhuān)利已經(jīng)得到美國(guó)專(zhuān)利局的授權(quán)。專(zhuān)利號(hào)為USP9398656，批準(zhǔn)日期2016/07/19

中國(guó)專(zhuān)利號(hào)為2250338

10. 自適應(yīng)智能光引擎

這種智能型LED恒流源徹底打破了教科書(shū)里描述的線性恒流源效率很低的常規(guī)認(rèn)識(shí)，而破天荒地實(shí)現(xiàn)了99%的效率。從而可以實(shí)現(xiàn)把恒流源和光源放在同一塊鋁基板上，而做成光電一體化的光引擎。因?yàn)樗旧淼墓臉O低，所以把它放到光源的鋁基板上不會(huì)增加LED的結(jié)溫。深圳埃菲萊公司采用這種智能型恒流源已經(jīng)生產(chǎn)了一系列不同功率的光引擎：

結(jié)束語(yǔ)

這種智能型的LED恒流源的效率高達(dá)99%，這等于是說(shuō)實(shí)現(xiàn)了一種不耗電的恒流源。通常LED恒流源的效率為85-90%，也就是說(shuō)采用這種智能型的恒流源以后就可以進(jìn)一步節(jié)能10-15%。其意義是十分重大的!

中國(guó)的照明用電量為總用電量的14.5%，2014年總發(fā)電量為56496億度電，即照明用電量為8191.9億度電。采用埃菲萊的光引擎以后至少可以節(jié)約10%的能量，也就是819.2億度電，而三峽發(fā)電站的年發(fā)電量為847億度電，所以也就能夠節(jié)約出一個(gè)三峽發(fā)電站來(lái)。而全球照明用電量占總用電量的19%，2014全球總發(fā)電量為238670億度電，所以照明用電量為45350億度電，采用埃菲萊的光引擎以后就可以節(jié)約4535億度電，相當(dāng)于5.5個(gè)三峽電站的發(fā)電量!