智能型LED恒流源的设计

最近人工智能已经传得沸沸扬扬，尤其是机器人更是被吹得神乎其神，好像是马上能够取代人类，甚至将来能够控制和操纵人类，最后的世界变成机器人的世界。其实这类的传闻都是从科幻小说里搬过来的，只能起到哗众取宠的作用。而有些设备，像在流水线里的机器手，还只能完全按照规定的程序工作，并不能自动地跟上环境的变化而改变，只要环境有一点变化，它的工作就会出错，因而不能算成智能设备，更不能称为机器人。真正对我们具有实际意义的，还是从我们的现实工作中尽量采用智能技术来解决实际问题。

智能技术的核心就是自适应。凡是能够根据环境的变化自动调整有关设备的工作，以得到最佳结果的技术就是自适应。采用自适应以后就可以改变传统的技术，从而得到意想不到的结果。

智能型LED恒流源就是一个实例。

1.经典的线性恒流源

我们知道所有的电源都可以分为恒压电源和恒流电源两种，恒压电源就是输出电压稳定，不随输入电压和负载的变化而变化，而恒流电源则是输出的电流恒定，不随输入电压和负载的变化而变化。LED因为是一种半导体二极管，它的伏安特性具有负温度系数，如果采用恒压电源供电，就会使其电流越来越大而烧毁，所以必须采用恒流电源供电。而其实现方法，也有两种，一种是开关型，另一种是线性型。开关型的优点是效率比较高（90%左右），缺点是元件数较多，可靠性低，体积大，成本高，而线性恒流源正好相反，元件数很少，可靠性高，体积很小，成本很低，缺点是效率很低，只有85%左右。

 

2.线性恒流源的效率

在市电电压为220V时，它的效率只有85%。

但是，在输入电压越低的时候，效率就高，那么有没有可能让这种线性恒流源在220V的时候效率也很高呢？

这需要我们来详细地研究线性恒流源的电路构成和性能。

3.采用普通恒流二极管的线性恒流源

实际上现在有很多不同恒流值的恒流二极管可供选用，所以也不需要采用并联的方法来得到所需的恒流值了。所以只要采用一个恒流值相当的恒流二极管和所有LED相串联就可以实现对LED的恒流供电，可见它的电路是十分简单的！

它的工作原理可以从它的伏安特性中看出：

它可以在Vk一直到POV很大的输入直流电压范围内都保持电流恒定。而Vk的绝对值低于3V，假定整流后的直流电压为300V，恒流值为0.1A，那么总功率为30W，如果LED串的总电压也正好接近300V，而使恒流二极管工作于Vk点，那么它消耗的功率就只有0.3W，其效率为（30-0.3）/30=99%。

但是当输入电压增加的时候，恒流二极管就必须承担起消耗这些多余电压的功能，它的工作点就右移，而功耗就逐渐增大，整体的效率也就逐渐降低，表现为其效率的线性下降。

由此可知，采用恒流二极管的低效率特性是天生的，所有恒流二极管都必须采用带有很大散热片的管壳封装，看上去似乎无法避免的。

这也是一般教科书里就是那么说的。

4.采用自适应方法来提高线性恒流源的效率为了提高线性恒流源的效率必须想出完全不同的途径。

因为我们的应用是对LED的供电，LED就是我们的线性恒流源的负载。它的数目就必须满足整流后的电压输出，例如，假定整流后的电压是300V，每颗LED的正向电压为3V，那么就需要100颗LED相串联。当市电电压增加时，整流后的电压也增加，但是LED是由恒流源供电的，所以它的正向电压不会变，所增加的整流后电压就必须由恒流二极管来承担，这样整体效率就必然降低。

那么有没有办法不要让恒流二极管来承担这个整流后电压的升高呢？

最好的解决方法就是自适应地改变LED的数目。当市电电压升高时，就增加LED的个数，当市电电压降低时，就减少LED的数目，这可以很容易采用一种自适应的数字式开关电路来实现。它的原理图如下所示。

其中方块中的这部分LED就是可以自适应地接入到主串LED中，也可以从主串中自适应地断开。接入或断开的个数由输入电压变化的大小而决定。它能感知输入电压的变化，并由此来决定LED数目的变化，所以它是自适应的，也可以说是智能的。

现在这种能够自动开关的芯片已经由深圳埃菲莱公司开发成功，命名为AICS，意即Adaptive-Intelligence-Current-Source，也就是自适应-智能-电流-源。

5.智能型LED恒流源的性能

5.1对输入电压的自适应

5.2对温度的自适应

当环境温度变化时，恒流二极管的功耗也会加大，例如当环境温度升高时，由于LED伏安特性的负温度系数，它的正向电压也会降低，这时候LED串的总电压就会低于整流后电压，于是恒流二极管的压降就会升高，功耗就会加大。这个智能的恒流源就会增加LED串中的LED数目，使得其总电压升高，而使这个总电压和整流后电压仍然保持匹配从而保持高效率，其实测结果如下：

由图中可以看到，当环境温度从35度升高到85度时，整个效率随输入电压变化曲线几乎完全一样，始终保持在98%以上（包括了整流器的效率在内）。

5.3对不同正向电压的LED的自适应

这种智能型LED恒流源还有一个自适应的功能，就是对不同正向电压的LED的自适应。在同一个LED串中，可以采用具有不同正向电压的LED，混编以后，自适应智能LED恒流源仍然可以自动地切换LED数，以保证其总效率在99%。最近这个专利已经得到美国专利局的授权。

5.4改变LED的数目而不改变其光通量

如果只是改变LED的数目，由于恒流源的电流没有改变，就会改变总的光通量。在智能型LED恒流源的整体设计中也考虑到这个问题，在改变LED数目的同时还自适应地改变恒流源的电流值，使得其总功率和总光通量不变。其结果如下：

6.光电一体化的光引擎

这种智能型LED恒流源彻底打破了教科书里描述的线性恒流源效率很低的常规认识，而破天荒地实现了99%的效率。从而可以实现把恒流源和光源放在同一块铝基板上，而做成光电一体化的光引擎。因为它本身的功耗极低，所以把它放到光源的铝基板上不会增加LED的结温。深圳埃菲莱公司采用这种智能型恒流源已经生产了一系列不同功率的光引擎：

7.结束语

这种智能型的LED恒流源的效率高达99%，这等于是说实现了一种不耗电的恒流源。通常LED恒流源的效率为85-90%，也就是说采用这种智能型的恒流源以后就可以进一步节能10-15%。其意义是十分重大的！

中国的照明用电量为总用电量的14.5%，2014年总发电量为56496亿度电，即照明用电量为8191.9亿度电。采用埃菲莱的光引擎以后至少可以节约10%的能量，也就是819.2亿度电，而三峡发电站的年发电量为847亿度电，所以也就能够节约出一个三峡发电站来。而全球照明用电量占总用电量的19%，2014全球总发电量为238670亿度电，所以照明用电量为45350亿度电，采用埃菲莱的光引擎以后就可以节约4535亿度电，相当于5.5个三峡电站的发电量！
来源：茅于海