電源設計小貼士 36：使用高壓 LED 提高燈泡效率

使用 LED 作為光源的燈泡來替代螺紋旋入式白熾燈泡有很多好處。一般而言，我們將小號（5-9）的LED 串聯起來，使用一個電源將線電壓轉換為低電壓（通常為數十伏），這時的電流約為 350 到 700mA。在確定如何最好地讓用戶同線電壓隔離的過程中，我們需要深思熟慮、權衡利弊。我們可以在電源中實現隔離，也可以在 LED 安裝過程中進行這種隔離。在一些低功耗設計中，LED 物理隔離是一種常用方法，因為它允許使用成本更低的非隔離式電源。圖 1 顯示了一種典型的 LED 燈替代方法。本舉例中的電源為非隔離式電源，其意味著實現用戶高壓保護的隔離被嵌入到了封裝而非電源中。很明顯，電源的空間極其小，從而對封裝構成了挑戰。另外，電源被隱埋到封裝內部，從而阻礙了散熱，影響了效率。

圖 1 燈泡替換使電源空間變得極小

圖 2 顯示了一個通過 120 伏 AC 電源為 LED 供電的非隔離式電路。它包含一個為降壓功率級供電的整流橋。該降壓調節器是一個“倒置版”，其電源開關 Q2 處在回路中，而環流二極管 D3 連接至電源。在電源開關導通期間，通過一個源電阻對電流進行調節。盡管這樣做的效率相當高（80%-90%），但是這種電路存在幾個限制效率的缺點。導通時，電源開關必須承載全部輸出電流，而在電源開關關閉時，輸出電流流過環流二極管。另外，電流檢測電阻器 R8 和 R10 的電壓約為 1 伏。相比 15 到 30 伏的 LED 電壓，所有這三個壓降都很大，并且會對電源效率構成限制。更為重要的是，這些損耗會促進燈泡溫升。LED 的發光能力會慢慢減小，而這種能力與LED的工作溫度密切相關。例如，70oC 條件下，LED 光輸出減少30%的時間超出了 50000 小時，而在 80oC 條件下，這一時間僅為 30000 小時。由于燈泡都安裝在一些“筒”中，而這些“筒”往往會阻礙散熱，不利于對流冷卻，因此發熱問題被進一步復雜化。

圖 2 降壓調節器實現一個簡單的離線LED驅動器

LED 制造廠商通過將數支 LED 串聯在一塊公用基板上，制造出更高電壓的發光體。這些高壓發光體帶來亦或是更低的成本亦或是更高的電源效率。使用這些高壓產品，我們只需使用一組整流器和一個穩流電阻器，從而實現更低成本的電源方法。盡管這種電源可以產生相當好的功率因數，但效率很低，原因是輸入電壓的很大一部分都被用在了穩流電阻器上，導致 30%-50% 的 LED 功率損耗。但是，它可以用于一些小體積的低功耗應用中。然而，在一些高功耗應用中，低效率讓其無用武之地。圖3顯示了另一種替代方法：其使用一個升壓電源。該電路的大部分都與上述方法相同。但是，開關、二極管和電流檢測損耗要小得多，帶來高達 90% 到 95% 的效率。另外，該電路還擁有 97% 的良好功率因數。

圖 3 利用升壓電源提高 LED 驅動器效率
圖 4 為圖 1-2 示意圖所描述電源的照片。即使這種電源產生的輸出功率大致相同，但也存在一些影響電源尺寸的明顯差異。升壓電源的電感器尺寸明顯更小，因為其蓄能要求更低。相比升壓電源，降壓電源有一個更大的電阻器。該電阻器為一個仿真負載電阻器（圖 2 所示 R20），用于決定調光器何時開啟硅控整流器 (SCR)。需要這樣做的原因是，調光器在三端雙向可控硅開關組件旁邊有一個電磁干擾 (EMI) 抑制電容器，其在無負載情況下的電壓相對電源要高。這樣便擾亂了電源，導致出現不穩定調光。使用升壓電源時卻不需要這樣做，因為 LED 通過升壓電感器連接至輸入，為其提供足夠負載，因此上述問題便不是問題。圖中未顯示電路板的背面，但正如示意圖所示，降壓電源有更多低電平電路。所以，升壓電源擁有更低的功耗，這一點在諸如 LED 燈泡更換等空間限制型應用中極為重要。

圖 4 升壓電源體積更小、效率更高

總之，高壓 LED 因其具有功耗低、溫升小的特點，可幫助增加旋入式 LED 燈泡的使用壽命。它是通過使用升壓電源替代降壓電源，從而提高電源效率來實現的。升壓電源的損耗約為降壓調節器的一半。另外，升壓電源的組件更少，功率因數更好，體積更小，并且利用三端雙向可控硅開關組件實現調光更容易。