智能型LED恒流源的設(shè)計(jì)

最近人工智能已經(jīng)傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，尤其是機(jī)器人更是被吹得神乎其神，好像是馬上能夠取代人類，甚至將來能夠控制和操縱人類，最后的世界變成機(jī)器人的世界。其實(shí)這類的傳聞都是從科幻小說里搬過來的，只能起到嘩眾取寵的作用。而有些設(shè)備，像在流水線里的機(jī)器手，還只能完全按照規(guī)定的程序工作，并不能自動(dòng)地跟上環(huán)境的變化而改變，只要環(huán)境有一點(diǎn)變化，它的工作就會(huì)出錯(cuò)，因而不能算成智能設(shè)備，更不能稱為機(jī)器人。真正對我們具有實(shí)際意義的，還是從我們的現(xiàn)實(shí)工作中盡量采用智能技術(shù)來解決實(shí)際問題。

智能技術(shù)的核心就是自適應(yīng)。凡是能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整有關(guān)設(shè)備的工作，以得到最佳結(jié)果的技術(shù)就是自適應(yīng)。采用自適應(yīng)以后就可以改變傳統(tǒng)的技術(shù)，從而得到意想不到的結(jié)果。

智能型LED恒流源就是一個(gè)實(shí)例。

1.經(jīng)典的線性恒流源

我們知道所有的電源都可以分為恒壓電源和恒流電源兩種，恒壓電源就是輸出電壓穩(wěn)定，不隨輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，而恒流電源則是輸出的電流恒定，不隨輸入電壓和負(fù)載的變化而變化。LED因?yàn)槭且环N半導(dǎo)體二極管，它的伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)，如果采用恒壓電源供電，就會(huì)使其電流越來越大而燒毀，所以必須采用恒流電源供電。而其實(shí)現(xiàn)方法，也有兩種，一種是開關(guān)型，另一種是線性型。開關(guān)型的優(yōu)點(diǎn)是效率比較高（90%左右），缺點(diǎn)是元件數(shù)較多，可靠性低，體積大，成本高，而線性恒流源正好相反，元件數(shù)很少，可靠性高，體積很小，成本很低，缺點(diǎn)是效率很低，只有85%左右。

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2.線性恒流源的效率

在市電電壓為220V時(shí)，它的效率只有85%。

但是，在輸入電壓越低的時(shí)候，效率就高，那么有沒有可能讓這種線性恒流源在220V的時(shí)候效率也很高呢？

這需要我們來詳細(xì)地研究線性恒流源的電路構(gòu)成和性能。

3.采用普通恒流二極管的線性恒流源

實(shí)際上現(xiàn)在有很多不同恒流值的恒流二極管可供選用，所以也不需要采用并聯(lián)的方法來得到所需的恒流值了。所以只要采用一個(gè)恒流值相當(dāng)?shù)暮懔鞫O管和所有LED相串聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)對LED的恒流供電，可見它的電路是十分簡單的！

它的工作原理可以從它的伏安特性中看出：

它可以在Vk一直到POV很大的輸入直流電壓范圍內(nèi)都保持電流恒定。而Vk的絕對值低于3V，假定整流后的直流電壓為300V，恒流值為0.1A，那么總功率為30W，如果LED串的總電壓也正好接近300V，而使恒流二極管工作于Vk點(diǎn)，那么它消耗的功率就只有0.3W，其效率為（30-0.3）/30=99%。

但是當(dāng)輸入電壓增加的時(shí)候，恒流二極管就必須承擔(dān)起消耗這些多余電壓的功能，它的工作點(diǎn)就右移，而功耗就逐漸增大，整體的效率也就逐漸降低，表現(xiàn)為其效率的線性下降。

由此可知，采用恒流二極管的低效率特性是天生的，所有恒流二極管都必須采用帶有很大散熱片的管殼封裝，看上去似乎無法避免的。

這也是一般教科書里就是那么說的。

4.采用自適應(yīng)方法來提高線性恒流源的效率為了提高線性恒流源的效率必須想出完全不同的途徑。

因?yàn)槲覀兊膽?yīng)用是對LED的供電，LED就是我們的線性恒流源的負(fù)載。它的數(shù)目就必須滿足整流后的電壓輸出，例如，假定整流后的電壓是300V，每顆LED的正向電壓為3V，那么就需要100顆LED相串聯(lián)。當(dāng)市電電壓增加時(shí)，整流后的電壓也增加，但是LED是由恒流源供電的，所以它的正向電壓不會(huì)變，所增加的整流后電壓就必須由恒流二極管來承擔(dān)，這樣整體效率就必然降低。

那么有沒有辦法不要讓恒流二極管來承擔(dān)這個(gè)整流后電壓的升高呢？

最好的解決方法就是自適應(yīng)地改變LED的數(shù)目。當(dāng)市電電壓升高時(shí)，就增加LED的個(gè)數(shù)，當(dāng)市電電壓降低時(shí)，就減少LED的數(shù)目，這可以很容易采用一種自適應(yīng)的數(shù)字式開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。它的原理圖如下所示。

其中方塊中的這部分LED就是可以自適應(yīng)地接入到主串LED中，也可以從主串中自適應(yīng)地?cái)嚅_。接入或斷開的個(gè)數(shù)由輸入電壓變化的大小而決定。它能感知輸入電壓的變化，并由此來決定LED數(shù)目的變化，所以它是自適應(yīng)的，也可以說是智能的。

現(xiàn)在這種能夠自動(dòng)開關(guān)的芯片已經(jīng)由深圳埃菲萊公司開發(fā)成功，命名為AICS，意即Adaptive-Intelligence-Current-Source，也就是自適應(yīng)-智能-電流-源。

5.智能型LED恒流源的性能

5.1對輸入電壓的自適應(yīng)

5.2對溫度的自適應(yīng)

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，恒流二極管的功耗也會(huì)加大，例如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于LED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)，它的正向電壓也會(huì)降低，這時(shí)候LED串的總電壓就會(huì)低于整流后電壓，于是恒流二極管的壓降就會(huì)升高，功耗就會(huì)加大。這個(gè)智能的恒流源就會(huì)增加LED串中的LED數(shù)目，使得其總電壓升高，而使這個(gè)總電壓和整流后電壓仍然保持匹配從而保持高效率，其實(shí)測結(jié)果如下：

由圖中可以看到，當(dāng)環(huán)境溫度從35度升高到85度時(shí)，整個(gè)效率隨輸入電壓變化曲線幾乎完全一樣，始終保持在98%以上（包括了整流器的效率在內(nèi)）。

5.3對不同正向電壓的LED的自適應(yīng)

這種智能型LED恒流源還有一個(gè)自適應(yīng)的功能，就是對不同正向電壓的LED的自適應(yīng)。在同一個(gè)LED串中，可以采用具有不同正向電壓的LED，混編以后，自適應(yīng)智能LED恒流源仍然可以自動(dòng)地切換LED數(shù)，以保證其總效率在99%。最近這個(gè)專利已經(jīng)得到美國專利局的授權(quán)。

5.4改變LED的數(shù)目而不改變其光通量

如果只是改變LED的數(shù)目，由于恒流源的電流沒有改變，就會(huì)改變總的光通量。在智能型LED恒流源的整體設(shè)計(jì)中也考慮到這個(gè)問題，在改變LED數(shù)目的同時(shí)還自適應(yīng)地改變恒流源的電流值，使得其總功率和總光通量不變。其結(jié)果如下：

6.光電一體化的光引擎

這種智能型LED恒流源徹底打破了教科書里描述的線性恒流源效率很低的常規(guī)認(rèn)識(shí)，而破天荒地實(shí)現(xiàn)了99%的效率。從而可以實(shí)現(xiàn)把恒流源和光源放在同一塊鋁基板上，而做成光電一體化的光引擎。因?yàn)樗旧淼墓臉O低，所以把它放到光源的鋁基板上不會(huì)增加LED的結(jié)溫。深圳埃菲萊公司采用這種智能型恒流源已經(jīng)生產(chǎn)了一系列不同功率的光引擎：

7.結(jié)束語

這種智能型的LED恒流源的效率高達(dá)99%，這等于是說實(shí)現(xiàn)了一種不耗電的恒流源。通常LED恒流源的效率為85-90%，也就是說采用這種智能型的恒流源以后就可以進(jìn)一步節(jié)能10-15%。其意義是十分重大的！

中國的照明用電量為總用電量的14.5%，2014年總發(fā)電量為56496億度電，即照明用電量為8191.9億度電。采用埃菲萊的光引擎以后至少可以節(jié)約10%的能量，也就是819.2億度電，而三峽發(fā)電站的年發(fā)電量為847億度電，所以也就能夠節(jié)約出一個(gè)三峽發(fā)電站來。而全球照明用電量占總用電量的19%，2014全球總發(fā)電量為238670億度電，所以照明用電量為45350億度電，采用埃菲萊的光引擎以后就可以節(jié)約4535億度電，相當(dāng)于5.5個(gè)三峽電站的發(fā)電量！
來源：茅于海