一種無電解電容LED驅(qū)動(dòng)方案中輸出功率的測量
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LED燈珠作為一個(gè)半導(dǎo)體器件，其壽命長達(dá)50，000小時(shí)以上。而LED照明驅(qū)動(dòng)方案中普遍用到電解電容，其壽命則僅為5，000~10，000小時(shí)。這樣電解電容的短壽命與LED燈珠的長壽命之間有一個(gè)巨大的差距，削弱了LED的優(yōu)勢。因而無電解電容LED驅(qū)動(dòng)解決方案受到市場青睞。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/179026.htm美芯晟科技推出了基于MT7920的無電解電容LED驅(qū)動(dòng)解決方案（見圖1）。在該方案中，在全橋堆之后，采用容值較小的CBB高壓陶瓷電容或薄膜電容取代了高壓電解電容，去掉了電解電容，同時(shí)也提高了功率因子（PFC，在85VAC~265VAC范圍可以全程高于0.9）。而輸出電容C8和C9可以用陶瓷電容替代電解電容。從而實(shí)現(xiàn)了完全無電解電容。
圖1、基于MT7920的隔離LED驅(qū)動(dòng)方案。
當(dāng)輸出電容C8、C9采用470uF電解電容，驅(qū)動(dòng)6顆LED時(shí)，測量結(jié)果如下：
輸入電壓Vin = 220VAC，輸入功率Pin = 7.54W
輸出電壓Vo = 19.33V （萬用表讀數(shù)）
輸出電流Io = 327mA （萬用表讀數(shù)）
輸出功率Po = Vo * Io = 6.32W
效率η = 6.32/7.54 = 83.8%
采用電解電容時(shí)的輸出電壓，電流的波形如圖2所示。從波形圖上可以看出，輸出電壓、電流均存在一定的紋波。這在單級PFC恒流驅(qū)動(dòng)方案中不可避免的，加大輸出電容C8、C9，可以進(jìn)一步減小輸出紋波。同時(shí)我們注意到示波器上電流、電壓的平均值與萬用表的讀數(shù)基本相同。也即是萬用表所測量到的直流電壓、電流值為平均值。
圖2、輸出采用電解電容（470uF X 2）時(shí)的電流、電壓波形
?。–h1=藍(lán)色：輸出電壓； Ch4=綠色：輸出電流； 數(shù)學(xué)運(yùn)算=紅色：Ch1*Ch4）
進(jìn)一步，在示波器上，用輸出電壓與輸出電流相乘所得的瞬時(shí)功率曲線的平均值6.34W也基本與用平均電壓與平均電流相乘所計(jì)算的功率相同。
當(dāng)輸出電容C8、C9采用22？F陶瓷電容，驅(qū)動(dòng)6顆LED時(shí)，測量結(jié)果如下：
輸入電壓Vin = 220VAC，輸入功率Pin = 8.10W
輸出電壓Vo = 19.07V （萬用表讀數(shù)）
輸出電流Io = 334mA （萬用表讀數(shù)）
輸出功率Po = Vo * Io = 6.37W
效率η = 6.37/8.10 = 78.6%
采用陶瓷電容時(shí)輸出電壓、電流的波形如圖3所示。與用電解電容時(shí)相比，輸入功率增加了約0.56W（8.10W – 7.54W），而輸出功率按萬用表讀數(shù)計(jì)算基本不變（6.37W vs. 6.32W），從而導(dǎo)致效率降低了5%。情況真的如此嗎？0.5W的功率跑哪里去了？
圖3、輸出采用陶瓷電容（22uF X 2）時(shí)的電流、電壓波形。
?。–h1=藍(lán)色：輸出電壓； Ch4=綠色：輸出電流； 數(shù)學(xué)運(yùn)算=紅色：Ch1*Ch4）
在圖3中，用輸出電壓與輸出電流相乘所得的瞬時(shí)功率曲線的平均值為6.86W，而不是用平均電壓與平均電流計(jì)算得到的6.37W，二者相差0.49W，正好補(bǔ)上了輸入端增加的0.56W。新的效率應(yīng)該是η = 6.37/8.10 =84.7%。因此效率是沒有下降的。
為什么在無電解電容（采用陶瓷電容）方案中，輸出功率的計(jì)算會(huì)有如此的不同？原因在于陶瓷電容的容值較小，導(dǎo)致輸出電流的紋波巨大，電流的最低值甚至已經(jīng)觸底為零值了。此時(shí)，輸出電流的紋波已經(jīng)大于其直流平均值了，也即是輸出電流已經(jīng)是一個(gè)交流電流了。再采用平均電流來計(jì)算輸出功率就不合適了。
正確的輸出功率計(jì)算方法是：Po = Vo_rms * Io_rms * PF。式中Vo_rms和Io_rms分別為輸出電壓和電流的均方根值，PF為功率因子。圖4是輸出為陶瓷電容時(shí)，輸出電壓及電流的波形及均方根值。與圖3比較可以發(fā)現(xiàn)，對于交流電流來說，平均值與均方根值不再相等了。
圖4、輸出采用陶瓷電容（22uF X 2）時(shí)的電流、電壓波形。
?。–h1=藍(lán)色：輸出電壓； Ch4=綠色：輸出電流； 數(shù)學(xué)運(yùn)算=紅色：Ch1*Ch4）
但是功率因子PF不太容易測量，用上述的公式在操作上有一定的難度，而采用瞬時(shí)功率（瞬時(shí)電壓乘以瞬時(shí)電流）的平均值來計(jì)算輸出功率就比較容易，這個(gè)操作可以在示波器上很容易地實(shí)現(xiàn)。在用電解電容的方案中，由于電解電容的容值比較大，輸出電流的直流值遠(yuǎn)大于紋波值，其平均值與均方根值基本相等，用平均電流來計(jì)算輸出功率就不會(huì)引入太大的誤差。
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