1、LED 產品的光效電功效率和功率因數作者：spring 發布時間：2012-5-1714:48:59 文章來源:LED產品的光效電功效率和功率因數、前言白色 LED 的發光效率在不斷提高，超過 100lm/W（與高效熒光燈相當）的產品也已亮相。在照明器具上使用白色 LED,由于照明燈具的電源適配器、燈光反射板及透鏡等的損失，通常會使燈具效率低于單純 LED 光源的效率，但最近已經出現號稱器具效率達到 100lm/W 的 LED 照明器具。那白色 LED 今后會實現何種程度的亮度，又會具備哪些特性？必須研究購買適當的 LED 顆粒;必須研究燈具的總光效達到標準；必須研究盡量低的成本與盡量高的電功

2、效率的制約；注意美國和歐盟對 LED 的 PF 值寬容的立場；推介一些切實可行的LED 燈實例。、LED 的光效日益提升是時代進步的必然基于白色 LED 的藍色 LED 芯片的能量轉換效率（輸出光能量與輸入功率的比）現在已經達到了 50%。但能量轉換效率不可能超過 100%,因為存在物理極限。就像半導體存儲器在集成度的提高上存在極限一樣， 能量轉換效率及白色 LED 的發光效率今后也不可能一直提高下去。較為合理的看法是 LED 產品發光效率會在 150-200lm/W 之間，有較好的性價比。今后重要的是如何在 LED 升溫合理范圍內保持高的發光效率。LED 存在向芯片輸入的電流密度越高，發光效

3、率反而出現衰退（Droop）現象。雖然衰退現象無法消除，但卻可以減輕。衰退現象減輕了，在提高電流密度時亮度就會更高，也就是說，這樣便可使相同亮度（光通量）時需要的 LED 芯片數量盡量少。即：如果原來使用了大量 LED 芯片,今后便可利用較少的 LED 芯片數量保持獲得相同的光通量。LED 芯片的單位面積亮度（光通量）越高，亮度單價就越低，白色 LED 的成本競爭力也就越強。能否提高這一成本競爭力，關鍵要看 LED 廠商的創新專利技術競爭力如何。光衰現象越少，成本競爭力就會越高。因為減少 LED 芯片的面積可降低芯片的成本，而且對顧客也有好處。能夠增加每個白色 LED 輸入電流的話，便可提高每

4、個LED 的亮度，因此可使照明器具及 LED 背照燈光源使用的白色 LED 個數減少。成本降低的話，對 LED 背照燈液晶電視及 LED 照明器具來講的確是節能福音;LED 成本降低也是時代進步之必然；LED 價格由批量與光效所制約，所以 LED燈產業是一個系統工程，需優化然后產業化注意 LED 的性價比人為提升 LED 工作環境溫度，導致 LED 光衰加大、壽命減短，這也是加速測試LED 壽命對比的方法之一。把 LED 燈置于積分光球”內腔，測出 LED 發出的光通量”單位，流明（LM）。即作為分子與 LED 的電功率（單位/瓦）之比，就是 LED 的光效。LED 生產廠家，出廠前篩選出光效

5、處于不同檔次的 LED 產品，對應不同的價格。這是一分錢一分貨的道理。如果你做 LED 燈只要亮、不用達標的話，就選用低價位低光效的 LED產品。 如果做的 LED產品要達到美國能源之星每瓦 55流明的標準，則至少要采購每瓦 80 流明（LM） 的 LED。 LED 本體光效每瓦流明， 乘以燈具的光效”大約 0.9 至 0.9 左右），再乘以燈電源適配器的電功效率”大約 0.8 至 0.9 左右），估算出達標每瓦 55 流明以上的 LED 燈，要采購 LED 本體光效大約每瓦 80 流明的 LED成本就合適了。三、提升電功效率標志節能前述 LED 燈電源適配器的電功效率，是 LED 實際得到的

6、功率PLED,與消耗輸入電源功率口一之比，稱為電功效率，常用拉丁字母位來表示。電功效率T1-損耗功率的大部分，是電源適配器本身發熱耗電，小部分是電磁干擾（EMC）消耗掉。電力電子工程師的使命就是力求把“減小，努力提升電功效率。國際上一般認為達到 0.8 以上才拿得出手，超過 0.85 才是好產品，而超過 0.90 才被認為是節能產品。再一步深入探討，它的主要組成有以下要點LED光效=:在礴分猱制出流用awPLiD1、電源適配器產品內部集成電路的工作需耗電PIC=KK*/LV選用微功耗的集成電路是第一關。所以，選擇節能的低功耗的集成電路是至關重要的。無 IC 的自激式也是小功率 LED 燈優選拓

7、撲之一。2、電力電子開關工作時消耗功率Pn=導通損耗口P,r 驅動信號功率P 葭一開關過程損耗戶之式中:出,是開關管的電流的時間函數， 以山)是開關管的電壓的時間函數，式中 T是開關的周期。提升電功效率節能措施(1)盡量設計高壓小電流負載，比低電壓大電流負載為好，選用飽和導通內阻較小的開關管為好。(2)最好的開關管是 COOLMOSFET,同電壓等級、 同電流條件下， COOLMOSFET內阻比傳統 MOSFET 內阻小得多。其次是 IGBT。在頻率不太高，開關功率不太大，可用低成本的雙極型半導體開關管。(3)必須讓開關管處于節通、則斷”的開關狀況，切忌讓開關管落入放大區工作，在放大區的開關管

8、損耗很大！電力電子開關管在放大區之外的兩個區：截止區(OFF)有 U 庶,無電流，因為昵零,無發燒；飽和區(ON)有LM,但電壓 L 也很小，也不發燒。驅動損耗？電力電子開關管的驅動信號功率對于雙極型晶體管而言，驅動功率較大的內因是大電流開關工作狀態時的電流放大倍數，遠小于參數表格中小信號放大倍數，所以基極驅動電流較大。其中導通損耗j-八 u 小dt雙極型P：廣!#加,加場效應及IGBT管AP：廣*啰由如果工作頻率固定，還可以用諧振驅動”，利用諧振回路 LC 的品質因數 Q,具有放大的作用，能夠最大限度降低驅動信號功率。但如果不是固定頻率則不可以用揩振驅動，這時可以使用源極開關驅動”方式來實現

9、微功耗驅動。例如：QX9910 等都是優秀的微功耗驅動 IC,一下子把上述Pk和 A 產大幅度降低了。開關損耗硬開關過程；從 OFF?ON 或從 ON?OFF,實際上開關管工作點都掠過放大區”才到達截止區 OFF 或者到達飽和區 ON,就在掠過”開關區的短時間內， 是存在開關損耗的；小=1(ids)-(uds)*ds軟開關過程；上述表達式中，或任為一零，其乘積必為零，這就是軟開關”的物理內涵。有兩個原則作為設計技巧使用：電子開關串聯電感”，由于電感電流不可以突變，電子開關必然是 ZCS 零電流導通軟開關；電子開關并聯電容”，由于電容電壓不可以突變，電子開關必然是 ZVS 零電壓截止軟開關。鐵損

10、與銅損開關電源的鐵損，是磁性材料二/(El 磁化回線所包圍的面積，正比例于鐵損，磁性材料內部磁疇”發生的磁滯損耗”及渦流損耗”，所以選擇磁性材料的磁化回線所包圍的面積愈小愈好，愈接近于矩形的小面積矩形磁化回線”愈好。開關電源的銅損，來自導線的直流電阻損耗，以及高頻趨膚效應”的高頻損耗，所以用多股絕緣的導線(又稱李茲線)銅單根導線繞組，可以有效降低高頻損耗。過去設計硅鋼片的大型工頻電力變壓器，需考慮體積、重量和性價比。有一個經驗之談，就是選擇各參數優化到鐵損等于損”時，工頻電力變壓器有較高的效率、較小的體積、較輕的重量和較好的價比。注意，那只是對 50HZ/60HZ 工頻交流電源而言，且是硅鋼片

11、磁性材料的；而對于超過 20KHZ 的高頻開關電源的電力電子變壓器，或者電力電子功率電感而言，可選的磁材多種多樣，可選導線也多種多樣，高頻波形與工頻正弦波形有較大差異。所以，就不要死守什么鐵損與銅損相等”的傳統說法了，能在一定成本和體積的條件下，盡量提高電功效率才是硬道理。電源拓撲不同的開關電源拓撲的電功效率是有差別的。相同的電源、負載，選擇非隔離式拓撲時電功效率高于隔離式。所以在安全條件許可的情況下，盡量選用非隔離式更有利于節能，除非訂貨指定才做隔離式拓撲產品。電源電壓愈接近負載電壓時，會有較高的電功效率。無論升壓或降壓，電壓變比愈大，電功效率愈差。所以，選合適的電源很重要。采用 BOOST

12、 升壓拓撲時電功效率比其他拓撲的電功效率要高；尤其是用無橋BOOST的 APFC更優異;10KW以上超大功率常用豈相無橋 BOOST的 APFC其電功效率接近于 1。當采用 BUCK 降壓拓撲時，由于電流波形畸變，導致電功效率變差。因此，可用掃頻儀分析找出諧波能量較大的若干個諧波頻率，用高頻諧 L-C-D 回路吸收一個或若干個頻率的諧波能量， 經整流把高頻能量轉化為直流能量回饋給直流母線，實現化害為利。既能降低 THD%,又提升電功效率 4。由 BOOST 及 BUCK 兩大基本拓撲， 可以轉化為其它多種各有特色的開關電源拓撲，拓撲愈簡單，其電功效率會比復雜拓撲效率愈高些。輸出電壓、功率對效率

13、的影響輸出電壓低、卒&出功率小的 LED 燈如何提高電功效率？（1）用電壓與 IC 相適應的直流電源來點亮小功率 LED 燈有較高的效率。例 1:用 2.7-6V 直流電源，經過 QX5238（或 QX5239）驅動 15 毫安（或 20 毫安）的三支路或四支路 LED 燈，其電源電壓僅高于 LED 燈電源 50 毫伏時，有很高電功效率（超過 0.98）且各并聯支路電流精度優于氣!例 2:用太陽能光伏電池，白天給可充電電池（或超級電容）充電貯能，晚上自動點亮 1-10 個 20 毫安小電流 LED 草坪燈的專用芯片 QX5232,其電功率優于 0.9o例 3:輸入直流電源 2-7V,可選擇輸出

14、電流 0.1-0.4A,不加接任何外接元件，用于礦燈或手電筒的專用芯片 QX7135 是最簡單的了，電功效率也優于 0.9例 4:適用于 12-24V 直流電源， 用 BOOST?BUCK 自動升降壓拓撲點亮 1-10W 大功率 LED 燈的低壓專用芯片 QX5241,也是電功效率較高的范例。（2）用工頻 50HZ/60HZ、電壓 80-270V 交流電源的 LED 燈如何提高電功效例 5:最簡單的電容恒流交流 LED 燈是兩只（或兩用）LED 燈彼此反向并聯，用入一只限流電容，再用入一只負溫度系數的熱敏電阻（NCT）限制開燈峰值電流，交流電源正半波點亮其中一只（或一串）LED 燈，交流電源負

15、半波點亮反向并聯的另一只（或一串）LED 燈，閃爍頻率 100Hz 須選用較長余輝時間的熒光粉配方的 LED,可以做到人眼可以接受的微量閃爍。接通電源點燈瞬間，負溫度系數電阻 NCT 有較高阻值，限制起動電流，隨后 NCT 電阻發熱升溫，NCT 電阻值大幅度下降，整燈電功效率比較高。例 6:用 20KHZ 廉價節能燈電子鎮流器改造成為高頻電力電子變壓器”，降壓供電取代上述的限流電容及 NCT 電阻，仍用反向并聯”兩只（或兩用）LED 來實現高頻交流 LED 燈，因沒有低壓整流二極管的損耗問題，電功效率也較高，且完全看不出閃爍。兩只（或兩用）彼此反向并聯的 LED 燈，每只（或每用）LED 只工

16、作高頻半波，所以 LED 的熱量問題較易解決。 只是 LED 顆粒多了一倍， 成本會高一些， 但隨著 LED單價迅速下滑，今后可能是可接受性能價格比優選方案之例 7:用便宜的低壓低內阻場效應管同步整流來取代 LED 燈供電的整流二極管，是提升輸出電壓低輸出功率小的 LED 燈電功效率的有效方法之一。例 8:用源極驅動的低損耗 IC（QX9910）非隔離式 LED 燈，電功效率超過 0.9 可以實現。詳見后文范例。四、LED 燈的功率因數 PF 值問題美國能源之星 2009-11 公告的 LED 燈泡標準中， 一個巨大的進步是對 PF 值持十分寬容的態度：5W 以下 LED 燈的 PF 值不作任

17、何要求，5W 或以上的 LED 燈的功率因數只要求 0.7 就達標了。 這不同于人們習慣節能熒光燈 PF 愈高愈好， 究其原因是熒光燈特性是負電阻，熒光燈低氣壓電弧引發嚴重的 EMC 電磁干擾問題;而 LED 燈是正電阻器件，LED 本身沒有產生 EMC 電磁干擾的問題。這樣規定的目的是用最低成本來最大量化推銷 LED 燈取代白熾燈實現全社會節能宗旨。LED 元件本身沒有 EMC 電磁干擾問題，產生 EMC 的原因是為 LED 燈電流恒流而加的電力電子開關電源，每一次導通（ON）-每一次截止（OFF）的過渡過程及過程，引發 EMC 問題，才有 PF 功率因數敏感問題。對于小功率的 LED 燈完

18、全可以用交流整流端填谷電路”來實現高可靠性無電解電容 LED 燈，取代有兩個電解電容三個二極管和一個電阻的直流填谷電路”，為的是提升可靠性，使 LED 電源的壽命配得上 LED 本身的長壽命。對于要求功率較大、適應全電壓（80-270V）的 LED 燈，用有源功率因數補償（APFC）電路是有必要的，這時全電壓（80-270V）時的功率因數 PF0.90 是可以實現的。如果想進一步提升大功率 LED 燈的電功效率，可以用無橋 APFC 就能實現提升五、電功效率”與能效電功效率只是輸出給 LED 的功率與電源輸入功率之比，并不涉及 LED 發光的多少。有的人誤以為就是能效”，能效問題是涉及 LED

19、 發光的問題。用能效數據對比，作為客觀判定哪個方案更節能的可比數據，并由此引發出LED 電流的三大流派。即直流 LED 燈、交流 LED 燈和脈沖 LED 燈。范例之一：高效率穩壓恒流的 16WLED 燈T8熒光燈管 270顆 20毫安 LED,PCB均勻分布六支路并聯， 每支路用 45只 LED,見下圖一所示；實測數據見表一所列。圖一高效率穩壓恒流的 16WLED 燈IELI工F50taAVIN2M2%2102152202252302352M0.07310.0781007830.07030.07820078100702 0.07B30.0JS6PIN15,6215.0116.4416.841

20、7.2017.5717.99IS4013.H142.0140.01420142.0143.0143,01430143.0143.-01LED1A!0105GL1050.1050.1050.110011001100.1100115PlD14,5114.9114.9114,9115.7315.7315.7315731機45PLED/P|N0995Q9310907.686Q9140.0950.87508550.872表一 16 瓦 LED 燈實測數據從電路圖上看， 十分簡潔， 除了 270 顆小電流 LED 之外， 電路全部元器件共 17 只，材料表見表二所列。序號零件名稱圖上代號型號規格備注1集成

21、電路U1QX9910中國深圳泉芯公司2低電壓場效應管02AP2360U1驅動輔助開關3高壓場效應管Q15a600V5N6OBUCK主開關4超快速二極管D1SF36BUCK續流5貯;能電感L115MH/500MABUCK電感6電阻R1510K降壓電阻7穩壓管D212V2產生12M2電源8低壓電容C24.7nF/25VDC穩定12尺電源9高壓電容C122UF/400VDC濾波電容10整流睢堆BD10.5A/300VACAC-DC11電阻R23300啟動電阻12穩壓管D35VZ產生5V2電源13低壓電容C34.7UF/25VDC穩定5吹電源14二極管D41N5819保持5VE電源15電容C4470P

22、F息tOFF定時電客16電阻R3100KS1耦合與遮波17電阻R42.5n恒流取樣電陰表二圖一的材料表低耗電節能集成電路 QX9910 的工作電壓 5V,工作電流 0.5 毫安，所以須用低電壓低內阻的輔助開關管（AP2306 等低壓廉價小功率低內阻大電流場效應管）作為源極驅動的開關管以驅動定toff 斷開時間方式控制高壓主開關管（5A600V5N60 或 IRF840等高壓場效應管）的斷開，這種與眾不同的高電功效率的控制方式。工作原理簡述如下：（1）12V 低壓電源的產生為使集成電路工QX9910）正常工作，需要低壓 5V 穩壓電源工作，必須讓Qi：工作在常飽和導通（ON）狀態。于是須先讓.Q

23、L（5N60）主開關柵極常有穩定 12V 正偏壓，為此，用降壓電阻 Ri（510K）向穩壓管。？（12 丫 2）供電，用 6（4.7F）電容與并聯，得到 12Vz 低壓電源。令高壓電力電子主開關.QL處于常閉（ON）飽和導通狀態。（2）5V 低壓電源產生交 流 電 源 經 橋 堆 BD1 整 流 后 ， 直 流 電 源 正 端 經 L:?LED?QI：（ 常 閉ON）?DI?RF?DJ/C，在穩壓管 Dd 兩端得到低壓 5Vz 穩壓電源，供給集成電路,5 作為工作電源。集成電路田】的低功耗打嗝”工作狀態2 得到 5Vz 低壓電源，Ui 向 Qz 輔助開關提供 4.5V 以上的正偏壓，足以使低電

24、壓小功率大電流的 Q飽和導通（ON）狀態。Q?飽和導通，使 Q 匚也飽和導通、整個電路的能量。供電感 Li 充磁貯能的過程，就是 LED 電流上升的點亮過程。正是這個 LED電流經取樣電阻 R4（2.5 歐姆）得到信號，經電阻 R，濾波與耦合到.的第六腳（CS 端子），當口的電壓降超過 0.25V 時，5 令 Q；，截止，從而用輔助開關 Q?源極控制高壓主開關QL也截止。但電感 Li 的電流不可以突變，于是 L 貯存磁能經 LED-D【-Li 續流，這就是 LED燈電流從最大值向下衰減的維持發光過程。正是這個下降的 LED 電流，當不足以維持取樣電阻上的 0.25V 閥值時，于是下再次令 Q：重新導通，驅動主開關 Q 也重新導通。上述反復的過程，如同人的打嗝”相類似，改變第七腳（TOFF）外接電容 C1%就能改變打嗝”的周期，當 C：為零時 QX9910 最高工作頻率 2500KHz。iU-？Q1？.QL 極低功率損耗的開關工作狀況使流經 Li 的工作電流在數毫安至數安培電流范圍之內，可以精準恒定某一設定值，取樣電阻 R4的電阻值愈大，恒流電流愈小；反之，阻值愈小，Li 的可控恒定電流愈大。(4)恒流穩壓恒定 LED 燈功率從表一可見，在額定電壓 22020V、LED 燈電流在 0.110W.05A 范圍內變化，精準恒流 5%以內;