前言
LED是一种寿命极长的电光源,使用寿命可以达到10万小时(约140个月,或者说连续使用11年半!),一般的荧光灯的寿命一般应用不会超过1万小时。LED的另一个特点是光效高,实用化的大功率LED的光效已经超过T8荧光灯管。实际的LED灯的实际寿命并不高。在实际应用中,LED灯的实际使用寿命并不高,甚至有的不到一年就损坏了。
是什么原因造成LED等的过早损坏?原因在于LED驱动电路的可靠性不高,驱动性能不好。抛开驱动性能不好的因素,LED灯寿命短的根本原因就是驱动电路中的电子原件寿命远远低于LED的寿命。是哪个元件的寿命最短?电解电容器!
电解电容器的寿命
在LED驱动电路中,特别是交流市电驱动LED灯时,LED驱动电路必须要有输入整流滤波电路和输出整流滤波电路。输入整流滤波电路需要相对和大的电容量才能将整流输出电压平滑到允许范围。输出整流滤波电路也需要足够的电容量来维持电路的稳定性和输出电流的平滑。
最经济的大电容量电容器唯电解电容器是最佳选择。电解电容器最大的优点是经济性好,而最大的弱点是寿命短。
10年前的铝电解电容器一般为105℃/200小时。这就是说在105℃的温度条件下的使用寿命只有84天!即使降低到85℃,使用寿命也仅仅为332天,还不到一年!继续降低到75℃,寿命也不会超过两年。
相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说,铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。
解决问题的方法
无电解电容器的LED驱动技术
如果用十年前的铝解电容器技术的观点看,铝电解电容器是无法胜任LED等寿命的。解决方法一般为无铝电解电容器技术,这就是前些年风行的五铝电解电容器LED驱动技术的根本原因。但是不能不是的问题是,采用无铝电解电容器的后果是LED驱动电路的性能下降,间接的导致LED寿命的严重不足。
无电解电容器方案存在的问题
首先,无电解电容器方案使得市电整流输出电压纹波加大,如果不加以处理就会导致LED输出电压纹波的增加。如果LED工作在满功率状态,就可能出现市电频率下的周期性过电流(或过功率)
图中可以看到,大功率LED工作电流在0.7A时对应的正向电压约为3.4V,如果LED端电压波动0.2V,流过LED的电流将超过0.95A,对于0.7A的大功率LED,这绝对是一个过功率。最终结果会导致寿命的缩短。
如果工作电流选择最大额定电流的一半时,尽管不会出现过功率,但是会引起损耗的加大,而且会产生比较大的LED电流变化,会导致如50Hz电感镇流器驱动荧光灯那样的闪烁,甚至会更严重。
市电整流滤波电容器的问题
无铝电解电容器LED驱动始终避免不了的问题是:平滑电源侧整流输出电压需要足够的电容量,而采用薄膜电容器会明显增加成本,增加体积,不得已而选择低电容量,这又会输得整流输出电压纹波电压变大,特别是像PI的产品,当电容量低于1μF/W就会在变换器输出产生比较高幅值的纹波电压,会使得LED闪烁。
输除整流滤波电容器的电容量选择过低可能会产生反激式变换器的自激,因此不希望输出整流滤波电容器过低的电容量,但是非铝电解电容器的价格又太高。
输出整流滤波电容量对LED驱动的影响
如果LED驱动电路是反激式变换器,为了实现稳定,需要足够的电容量。如果电容量不够会引起电路的寄生振荡,使得LED严重闪烁。
控制IC电源旁路电容器的影响
控制IC电源旁路电容器不仅需要足够的电容量,还要具有良好的电源旁路性能,如果电容量过小就会引起控制IC电源电压的波动,从而引起输出电压的波动,导致LED的闪烁。
一、改进电解电容器的性能和寿命是解决LED驱动寿命的最简捷、最经济的方法
从成本和寿命两方面综合考虑,如果能做出长寿命电解电容器,使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同,那么,电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。
低压电解电容器是问题的关键。
相对而言低压电解电容器获得105℃1万小时的寿命要比105℃1万小时寿命的高压电解电容器难得多。最主要的原因是低压电解电容器需要极低的ESR,而极低的ESR需要大幅度提高电解液的导电率,而大幅度提高电解液电导率的最简单的办法就是提高电解液的含水量。所带来的问题就是“水合”反应的过早出现而导致电解电容器的早期失效。
国外超长寿命铝电解电容器的水平
在LED驱动工程师研究无铝电解电容器LED驱动技术的同时。随着铝电解电容器材料和制造技术的提高,铝电解电容器制造商在努力克服铝电解电容器寿命的问题。铝电解电容器在105℃温度下率先突破1万小时的铝电解电容器制造商是RUBYCON。
最难突破的难点是低压铝电解电容器,原因是低压铝电解电容器需要很低甚至极低的ESR,而要想获得极低的ESR,通常的技术就是提高电解液的含水量,所带来的问题就是因“水合”反应而导致铝电解电容器的早期失效,违背了超长寿命的技术要求。RUBYCON对这个问题非常重视,在不断的探索后推出了比较低含水率电解液的105℃/1万小时寿命的低压铝电解电容器。