无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量
led灯珠作为一个半导体器件，其寿命长达50，000小时以上。而led照明驱动方案中普遍用到电解电容，其寿命则仅为5，000~10，000小时。这样电解电容的短寿命与led灯珠的长寿命之间有一个巨大的差距，削弱了led的优势。因而无电解电容led驱动解决方案受到市场青睐。
美芯晟科技推出了基于mt7920的无电解电容led驱动解决方案(见图1)。在该方案中，在全桥堆之后，采用容值较小的cbb高压陶瓷电容或薄膜电容取代了高压电解电容，去掉了电解电容，同时也提高了功率因子(pfc，在85vac~265vac范围可以全程高于0.9)。而输出电容c8和c9可以用陶瓷电容替代电解电容。从而实现了完全无电解电容。
图1、基于mt7920的隔离led驱动方案。
* 当输出电容c8、c9采用470?f电解电容，驱动6颗led时，测量结果如下：
输入电压vin = 220vac，输入功率pin = 7.54w
输出电压vo = 19.33v (万用表读数)
输出电流io = 327ma (万用表读数)
输出功率po = vo * io = 6.32w
效率η = 6.32/7.54 = 83.8%
采用电解电容时的输出电压，电流的波形如图2所示。从波形图上可以看出，输出电压、电流均存在一定的纹波。这在单级pfc恒流驱动方案中不可避免的，加大输出电容c8、c9，可以进一步减小输出纹波。同时我们注意到示波器上电流、电压的平均值与万用表的读数基本相同。也即是万用表所测量到的直流电压、电流值为平均值。
图2、输出采用电解电容(470?f x 2)时的电流、电压波形。
(ch1=蓝色：输出电压; ch4=绿色：输出电流; 数学运算=红色：ch1*ch4)
进一步，在示波器上，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值6.34w也基本与用平均电压与平均电流相乘所计算的功率相同。
* 当输出电容c8、c9采用22?f陶瓷电容，驱动6颗led时，测量结果如下：
输入电压vin = 220vac，输入功率pin = 8.10w
输出电压vo = 19.07v (万用表读数)
输出电流io = 334ma (万用表读数)
输出功率po = vo * io = 6.37w
效率η = 6.37/8.10 = 78.6%
采用陶瓷电容时输出电压、电流的波形如图3所示。与用电解电容时相比，输入功率增加了约0.56w(8.10w – 7.54w)，而输出功率按万用表读数计算基本不变(6.37w vs. 6.32w)，从而导致效率降低了5%。情况真的如此吗?0.5w的功率跑哪里去了?
图3、输出采用陶瓷电容(22?f x 2)时的电流、电压波形。
(ch1=蓝色：输出电压; ch4=绿色：输出电流; 数学运算=红色：ch1*ch4)
在图3中，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值为6.86w，而不是用平均电压与平均电流计算得到的6.37w，二者相差0.49w，正好补上了输入端增加的0.56w。新的效率应该是η = 6.37/8.10 =84.7%。因此效率是没有下降的。
为什么在无电解电容(采用陶瓷电容)方案中，输出功率的计算会有如此的不同?原因在于陶瓷电容的容值较小，导致输出电流的纹波巨大，电流的最低值甚至已经触底为零值了。此时，输出电流的纹波已经大于其直流平均值了，也即是输出电流已经是一个交流电流了。再采用平均电流来计算输出功率就不合适了。
正确的输出功率计算方法是：po = vo_rms * io_rms * pf。式中vo_rms和io_rms分别为输出电压和电流的均方根值，pf为功率因子。图4是输出为陶瓷电容时，输出电压及电流的波形及均方根值。与图3比较可以发现，对于交流电流来说，平均值与均方根值不再相等了。
图4、输出采用陶瓷电容(22?f x 2)时的电流、电压波形。(print)
(ch1=蓝色：输出电压; ch4=绿色：输出电流; 数学运算=红色：ch1*ch4)
但是功率因子pf不太容易测量，用上述的公式在操作上有一定的难度，而采用瞬时功率(瞬时电压乘以瞬时电流)的平均值来计算输出功率就比较容易，这个操作可以在示波器上很容易地实现。在用电解电容的方案中，由于电解电容的容值比较大，输出电流的直流值远大于纹波值，其平均值与均方根值基本相等，用平均电流来计算输出功率就不会引入太大的误差。
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图1、基于mt7920的隔离led驱动方案。
* 当输出电容c8、c9采用470?f电解电容，驱动6颗led时，测量结果如下：
输入电压vin = 220vac，输入功率pin = 7.54w
输出电压vo = 19.33v (万用表读数)
输出电流io = 327ma (万用表读数)
输出功率po = vo * io = 6.32w
效率η = 6.32/7.54 = 83.8%
采用电解电容时的输出电压，电流的波形如图2所示。从波形图上可以看出，输出电压、电流均存在一定的纹波。这在单级pfc恒流驱动方案中不可避免的，加大输出电容c8、c9，可以进一步减小输出纹波。同时我们注意到示波器上电流、电压的平均值与万用表的读数基本相同。也即是万用表所测量到的直流电压、电流值为平均值。
图2、输出采用电解电容(470?f x 2)时的电流、电压波形。
(ch1=蓝色：输出电压; ch4=绿色：输出电流; 数学运算=红色：ch1*ch4)
进一步，在示波器上，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值6.34w也基本与用平均电压与平均电流相乘所计算的功率相同。
* 当输出电容c8、c9采用22?f陶瓷电容，驱动6颗led时，测量结果如下：
输入电压vin = 220vac，输入功率pin = 8.10w
输出电压vo = 19.07v (万用表读数)
输出电流io = 334ma (万用表读数)
输出功率po = vo * io = 6.37w
效率η = 6.37/8.10 = 78.6%
采用陶瓷电容时输出电压、电流的波形如图3所示。与用电解电容时相比，输入功率增加了约0.56w(8.10w – 7.54w)，而输出功率按万用表读数计算基本不变(6.37w vs. 6.32w)，从而导致效率降低了5%。情况真的如此吗?0.5w的功率跑哪里去了?
图3、输出采用陶瓷电容(22?f x 2)时的电流、电压波形。
(ch1=蓝色：输出电压; ch4=绿色：输出电流; 数学运算=红色：ch1*ch4)
在图3中，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值为6.86w，而不是用平均电压与平均电流计算得到的6.37w，二者相差0.49w，正好补上了输入端增加的0.56w。新的效率应该是η = 6.37/8.10 =84.7%。因此效率是没有下降的。
为什么在无电解电容(采用陶瓷电容)方案中，输出功率的计算会有如此的不同?原因在于陶瓷电容的容值较小，导致输出电流的纹波巨大，电流的最低值甚至已经触底为零值了。此时，输出电流的纹波已经大于其直流平均值了，也即是输出电流已经是一个交流电流了。再采用平均电流来计算输出功率就不合适了。
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图4、输出采用陶瓷电容(22?f x 2)时的电流、电压波形。(print)
(ch1=蓝色：输出电压; ch4=绿色：输出电流; 数学运算=红色：ch1*ch4)
但是功率因子pf不太容易测量，用上述的公式在操作上有一定的难度，而采用瞬时功率(瞬时电压乘以瞬时电流)的平均值来计算输出功率就比较容易，这个操作可以在示波器上很容易地实现。在用电解电容的方案中，由于电解电容的容值比较大，输出电流的直流值远大于纹波值，其平均值与均方根值基本相等，用平均电流来计算输出功率就不会引入太大的误差。
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