最近,业内对LED的驱动方案的发展方向有不少讨论,关于光引擎,即高压线性驱动,颇有一些争论。以下是我对此的理解,发表出来,希望对行业健康发展有所帮助。
我本人的专业是电力电子,虽然对半导体技术几乎一无所知,但本文所讨论的主要是关于基本自然科学规律,基本不涉及具体的技术。意思是,即使你发展了第三代、第五代、第N代技术,这个判断都不会改变,除非人的要求发生变化,或者自然科学基础发生变化。无论你的力气有多大,你都不可能拽着自己的头发把别人拉起来,或者拽着自己的头发把自己拉起来。
频闪有害吗?
关于这个问题,建议参考LED LIGHTING FLICKER AND POTENTIAL HEALTH CONCERNS:IEEE STANDARD PAR1789 UPDATE,以及附录里列出的多篇文章。如果连IEEE的文章都不屑参考的话,那下面的文字也不必浪费时间看了。这里简单叙述几点结论。正弦波调制的光(这里指的是纹波系数70%,如果频率在3-70Hz,可能诱发癫痫。如果频率在100-120Hz,则会诱发头疼。100或者120距离70显然不太远,所以头疼这个结果很自然。即使不是头疼,也会是其他负面影响。这些研究主要基于荧光灯系统,但研究表明,led的负面效果更明显。这不是一个机构的研究结果,是很多机构的研究结果。至于中文的有关文章,网上一查一大把。虽然多数是观点转载,但不会都是空穴来风。
这个判断未必会立即影响法规。香烟有害健康,但直到最近,政府才限制吸烟,尚未禁烟。道理是一样的。注:频闪不只是有或无的问题,还有个程度问题,可用输出电流纹波系数来衡量,即峰值与谷值之差的一半,与平均值之比。
所谓光引擎能消除频闪吗?
当然可以。但有个前提,必须是低功率因数(或者说高谐波)。这就是一个能量守恒定律问题。如果判断一个用电器是高功率因数(即低谐波),其判据就是输入电流波形和电压波形形状相同且相位相同,即能量是正弦形式进入用电器。根据能量守恒定律,在没有储能元件的条件下,则发出的光在每个瞬间和输入功率就是大致成比例的,也就是说,出来的光必是正弦波100%调制的光(纹波系数为约70%)。荧光粉能储能还是储光?透镜呢?能量就那么几种储存方式,这跟技术高低没有关系。能改变基本物理原理的人,不会在这个圈子混了。
要消除频闪,就要加储能元件,电容或者电感。在没有开关电源的条件下,加了电容或电感,功率因数不可能很高。这不是照明行业电子工程师的难题,这是电力电子全行业工程师几十年也无法改变的现实。能改变电力电子基本原理的人,也没必要在照明行业混了。明智的做法是采取一个折中方案,即减轻纹波系数,功率因数也不太低。其实没什么新的手段,无非是本行业已经用了一二十年的填谷电路及其衍生品种。这个做法需要用到电解电容,而这点又是这类产品推动者批评开关电源的一个重要着力点。同前面的频闪问题一样,无论你投入多少资源,无论多少人点赞,这个规律都不会改变。故这类产品不宜发展功率较大的、对谐波控制较严的品种。当然,如果不在乎频闪,或者不在乎谐波,那就任性吧。
综上所述,这类产品要么让人头疼(不是心理头疼哦),要么让电网头疼,要么都疼但程度轻一些。电感式荧光灯照明的时代已经基本过去了,为什么要倒回去呢?
效率(灯珠利用率)真的高吗?
这类设计中,灯珠利用率一直被诟病。意思是灯珠利用率不一样。据说现在通过串并联的不停的变化,能使所有灯珠保持在同样的工作状态。很佩服相关工程师能完成如此复杂的设计。但是,在高功率因数的设计中,即使这件几乎不可能完全达到的状态真的达到了,灯珠的利用率仍然有问题!灯珠里的电流按正弦规律变化,有三分之一的时间电流小于最大值的一半,意味着这段时间全体灯珠的利用率都相当低!为了弥补这点,要么在灯珠光效和寿命上付出代价,要么在灯珠成本上付出代价。长跑运动员不可能采用有节奏的忽快忽慢的方式,道理很相似。这样会在一定程度上抵消驱动电源带来的成本优势。当然,如今灯珠的成本越来越低,这个缺点的影响也会变小。
还有一些小问题,如连线过多导致某些应用很难实现,电压波动造成闪烁或效率变差,抗雷击能力差,混合安装导致LED温度高等。不过这些都是具体的技术细节问题,通过足够多的努力估计可以改善,值不值得就是另一回事了。
如果有一天这种产品真的占领了主流市场,与其说是驱动电源厂商的悲剧,不如说是广大用户的悲剧。
这个产品能做到今天这个水平已经很让人佩服了。说个可能招人笑话的疑问,这些公司这么高的IC设计水平,为什么不去做半桥驱动器这种产品呢?仅仅一对高低压驱动已经卖一元多了,这个光引擎里面好多对还带着NMOS\PMOS,好像还有MCU控制,价格才几元钱。
以下是几个相关的话题。
开关电源不可靠的吗?电解电容是祸根吗?
街边烧烤摊吃坏了肚子,就说人家全聚德烤鸭不能吃,谁会同意这个结论?就算在全聚德吃坏了肚子,估计也没人认为烤鸭不能吃。电子产品有无数种,从来没听说过哪个电子产品质量差是因为电源或者电解电容,似乎只有照明行业有这个说法。有些产品的温度是比较高,电解电容的寿命也确实和温度关系很大。但如果正确处理,轻松过万小时。现在动辄几百小时坏了,根本是设计生产者的水平问题。
照相机能评价频闪吗?
不能。照相机只能证明有,不能证明无。很多相机能自动调整扫描频率,消除频闪效果。如果将这种相机突然对准目标,短时间内或许能看到。即使能看到,相机也不能定量评估纹波系数和频闪频率。如果有害的标准是120hz70%纹波系数,那么离这两个数据越远就约安全。如100hz15%纹波系数,或者200hz50%纹波系数。而照相机无法给出这个量值。我们采取的方法是观察输送给LED的电流。实在要直接测光来量化评估的话,估计只能用光敏器件配示波器来观察。
单级PFC反激式恒流源也有频闪,是否有问题?
这种拓扑虽然也有频闪,但是程度比较轻。定量的说,其100hz或120hz纹波系数约为10-30%之间。过分省成本的产品的纹波系数较大,有的甚至会超过50%。高功率因数的高压线性电源的这个值接近70%。所谓无频闪电路一般小于2%甚至1%。如今市面上常见的某些PWM调光产品,其纹波系数高达百分之数百,虽然频率较高,但负面后果仍很严重,在这里就不赘述了。