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大功率LED驱动电源引入固态电容器的寿命倍增方案
发布者:罗伟 来源: 发布时间:2016/8/5 13:58:37

                                                        【专家简介】罗  伟
    16年电解电容器行业经验,曾先后从事生产技术管理、品质管理、技术研发管理、市场营销管理等方面的工作
主导完成LED驱动专用长寿命铝电解电容器、小型化长寿命铝电解电容器、耐低温高压铝电解电容器、导电高分子固态电容器的研发工作。

 

 

 一、行业背景

  大功率LED有“绿色照明光源”之称,具有体积小、安全、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性,必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯成为21世纪的新—代光源。
  大功率LED驱动电源应用主要包括:路灯、隧道灯、景观照明和部分大功率商业照明,其覆盖功率为12W~300W。
  随着LED照明的渗透率不断提升,未来市场巨大。大功率LED已开始从特殊应用走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯等全新市场。大功率LED照明产业将在未来3~5年内实现跨越式发展,颠覆传统照明产业格局。
                            根据GIL市场调查统计数据

                      注:2012年的产量与需求量为中国照明协会预计数据。

        市场上的大功率LED驱动电源供给仍远不能满足日益增长的需求。由于国内大功率LED驱动电源市场的发展历史较短,且进入该市场的技术门槛高,能够供应合格的高可靠大功率LED 驱动电源的厂家更少。
  目前大功率LED驱动电源已成为LED路灯推广的瓶颈,也是制约LED照明产业发展的关键因素之一。快速增长的下游需求和高额的利润空间使得部分传统电源制造商也加快了进入大功率LED 驱动电源领域的步伐,但由于其在技术和工艺上的特殊性,使得部分大功率LED驱动电源暴露出了较多的问题。主要包括:可靠性低,不良率高,导致维护成本高;效率低,不节能,违背国家推行的节能减排政策;因设计缺陷和材料选用不当,导致效率低、损耗大而发热、温度升高进而引起寿命缩短;防水性能差,易进水致使电源短路失效;防雷性能差或无防雷装置,LED路灯经常会因雷雨天气等恶劣环境,遭雷击后而批量失效;电网电压一般夜间不稳定,如输入电压范围窄,会导致电源烧坏;电磁兼容性差;低温无法正常工作等。

 

 图2  大功率LED灯市场规模

 

二、制约大功率LED灯寿命的关键因素

  首先,我们从影响大功率LED驱动电源的寿命关键元器件进行调查分析,不难发现铝电解电容器是其寿命的短板。以下是常规大功率LED驱动电源电路,LED驱动电源输入滤波电容通常使用的是250-450V,由于高压电解液本身是不含水的,所以相对比较容易做到长寿命,图中CX电容用于IC供电,CY属于输出平滑滤波。这两个重要位置电解电容器的特点是:1.CX电容由于容量及耐压不需要多大,担负着IC驱动的作用,一旦容量不足或失效,将引起IC无法启动,从而导致整个电路无输出。值得注意的是LED驱动电路中IC、三极管、变压器是主要的发热源,通常该电解电容安装又离IC特别的近,通过测试发现该电容温度较其它电解电容高出7-10℃,会降低电容近一倍的使用寿命,与LED驱动电源其它元件寿命极不匹配,严重制约着LED灯的寿命。
     2.输出CY电容:为获得稳定的输出电流,输出滤波电容的容量特别大,而且是在高频率下工作,这对电容的最大考验就是在高频下的等效串联电阻即ESR要特别低,以减少电解电容的发热量,使输出电流更加平滑。由于电解电容长期使用时,其内部在产生化学反应,由于水合作用使得阴阳铝箔合成容量降低,电容量逐渐衰竭。随着输出电容容量的衰减,输出的纹波电流就会逐步变大,当过大的纹波电流施加到LED灯上,直接会影响LED灯的温升和光衰,甚至出现闪烁,对长寿命的LED灯来说则是致命的伤害!

                                       图3 常规大功率LED驱动电源电路

     那么如何解决LED驱动电源寿命问题呢?答案是必须先大幅提升铝电解电容器的耐高温及寿命,我们认为固态电容器是大功率LED驱动电源的最佳选择!固态电容器的优点有哪些呢?以下作简单的介绍。

三、固态电容器介绍
    1.固态电容与液态电容的结构及形态对比:

                        

                          图4 固态电容与液态电容的结构及形态对比

    2.固态电容与液态电容特性测试对比:

图5 固态电容与液态电容特性测试对比1(mΩ)


图6 固态电容与液态电容特性测试对比(%)


图7 电解电容器容量-频率特性(μF)

      3、固态电容器与液态电容器寿命对比:当工作温度每降低20℃,产品的使用寿命增加10倍。(液态铝是4倍)

                  

                                图8 固态电容器与液态电容器寿命对比(hr)

     4.固态电容器寿命试验数据:
     试验条件:施加额定工作电压,将产品置于105℃烤箱中进行高温负荷试验,在各阶段取出常温条件下放置24hr后进行特性测试
     规格:CF  33μF/25V  Φ8mm×8mm
      a、从容量变化趋势可以看出固态电容在105℃高温下经过3000hr高温负荷试验,其容量变化率极小;
      b、DF、LC及ESR同理,在经过高温负荷试验过程中几乎没有什么变化。

图9 固态电容在105℃高温下的容量变化率(μF)

图10 固态电容在105℃高温下的损耗角正切变化(%)

图11 固态电容在105℃高温下的阻抗变化(mΩ)

图12 固态电容在105℃高温下的漏电流变化(mA)

四、选用固态电容替代液态电容的注意事项
  1.耐电压的选择
  由于普通铝电解电容的电压的误差较大,生产厂家在耐压选取方面设计时会留有很大的余量。例如:38V左右电源输出部分常用50V铝电解电容,54V左右电源常用63V,85V左右选用100V。这是设计工程师选择电源时为了保险的缘故采用的一般规律,所以在实际产品上,我们会发现电解电容的耐压远远大于电路的实际电压。所以普通铝电解电容的实际耐压值只作为参考。如果选用固体电容,只要电路电压低于固体电容额定工作耐压即可,不需要考虑余量,因为在设计固态电容时,工程师已经根据常用电源电压留好15-25%的余量。
  2.容量的选择
  电容容量的选择是根据电路中的电流(即功耗)来确定的,如LED灯驱动电源输出平滑滤波电容,为获得稳定平滑的输出电流,所选取的电容容量通常都较大。同样由于电解电容的容量误差大和老化后容量减小较大,在容量选择上也会留有很大的余量。固体电容容量几乎不会减小,不用考虑老化后容量减小的问题,由于阻抗明显低于铝电解电容,所以在容量选择上固体电容有很大的空间,根据经验一般可选择为铝电解容量的三分之一或者更低。
  3.成本考虑
  当替换选择电解电容时,在体积允许的情况下,按照与原使用型号的容量耐压贴近的,高压替换低压,高容量替换低容量,都是正确的认识,但在固态电容的选择上,是不能按照这样传统的替换概念的,由于材料及工艺不同,在同等耐压及容量情况下,电解电容和固体电容对比,固体电容的体积要大出电解电容一倍以上.由于固体电容材料价格较铝电解电容的材料价格贵出很多,越大的越贵,固体已经很贵了,没有必要做得那么大。更重要的是由于固体电容优秀的性能决定了小容量即可胜任更恶劣工作环境,这对缩小电路体积奠定了基础。

      4.使用寿命
  纯固态材料决定了其寿命更长,误差更小,其出厂时的参数在连续工作数万小时后,仍可维持不变。但一般铝电解电容在工作两千小时后,电解液将慢慢出现干涸现象,容量变小,随着时间推移,电路系统将变得不稳定,如运行变慢死机等等。固体电容强调的是低ESR,高温时性能不变。所以更换固体电容后,在老化及使用过程中容量基本不变,电压也基本不会下降,使用寿命更长。
  五、总结
  我们认为大功率LED驱动电源寿命倍增的方案是解决电路中寿命短板的元器件――铝电解电容器,成倍的提升电解电容器的寿命!固态电容引入大功率LED驱动电源,必将是LED驱动电源的趋势所在!
  以下例举固态电容替换常规铝电解电容对比:

图13 固态电容替换常规铝电解电容对比

 


 

 


 


 




 

 

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