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第二講:MLCC完全替代LED電源中電解電容的可行性分析

發(fā)布時(shí)間:2011-11-24 來源:CNT Networks

中心議題:

  • 電解電容與MLCC的特性比較
  • LED燈具頻閃導(dǎo)致日本一位官員暈倒
  • 在日本,MLCC替換電解電容的思路已經(jīng)鋪開


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日本注重LED燈具的壽命和舒適性。LED燈具頻閃曾經(jīng)讓一名日本市政廳官員暈倒。TDK專家將LED照明燈具里的MLCC替換為電解電容,并且做了頻閃測試。測試發(fā)現(xiàn),用MLCC去替換電解電容時(shí)不能同等容量進(jìn)行替換。日本一些領(lǐng)先廠商已經(jīng)開發(fā)出全部使用MLCC的LED燈具,這種替換思路已經(jīng)在日本獲得廣泛認(rèn)同。

眾所周知,日本今年發(fā)生了很多事情,大海嘯和日本地震,引起日本主要電子供應(yīng)廠商交貨出現(xiàn)一些問題,另外一個(gè)是日本限電的因素,由于他們的產(chǎn)線不能按照預(yù)期去營運(yùn),所以日本廠商的電子貨品出現(xiàn)一些交貨期的隱患。另外一個(gè)因素是日幣升值,間接引起日本電子元器件的價(jià)格偏高,所以在日本的電子元器件廠商成本管控方面壓力非常大。

LED照明主要分為兩大類:一是室內(nèi)照明,一是室外照明。室內(nèi)照明里有應(yīng)用在公共場所或者產(chǎn)線上大型的照明,它的使用環(huán)境非常惡劣。這種使用環(huán)境也間接導(dǎo)致使有壽命的隱患。二是室外照明,比較典型的是路燈照明。路燈照明長期在外部溫度下使用,特別是像北方溫差比較大的情況下,LED照明會受比較大的溫差影響,用在燈具里面的電解電容比較多。電解電容在高低溫下,性能表現(xiàn)較差,間接影響了它的壽命。目前在LED照明行業(yè)里,壽命方面仍存在一些隱患性的問題,短時(shí)間出現(xiàn)故障的問題也沒有得到徹底的解決。

以LED室內(nèi)燈為例,由于在密封環(huán)境下使用,所以它在使用過程中會出現(xiàn)電子自身發(fā)熱的現(xiàn)象,而且內(nèi)部環(huán)境的溫度也是非常高的。目前LED照明主流的電解電容在高溫下的表現(xiàn)不是很好。從這個(gè)隱患來考慮,TDK建議用MLCC去替代電解電容解決使用壽命上存在的隱患問題。TDK從1971開始生產(chǎn)MLCC,在日本本土有4間主工廠,主要做陶瓷電解電容核心的工序。TDK在日系的元器件廠商當(dāng)中,是唯一一家把前工序放在日本本土的企業(yè),說明TDK在品質(zhì)管控方面的要求也非常高。 

電解電容與MLCC的特性比較

電解電容有一個(gè)很大的特點(diǎn),就是ESR值比較高。如果ESR比較高,會以發(fā)熱的形式損耗掉,所以電解電容自身發(fā)熱是比較嚴(yán)重的。另外,它的紋波電流比較高,同樣會引起自身發(fā)熱非常嚴(yán)重。ESR加上紋波電流,自身發(fā)熱達(dá)到一定程度會加速電解液揮發(fā)的速度,容量也會衰減,整個(gè)呈現(xiàn)惡性循環(huán)的趨勢。

另外,助焊劑里面我們會使用鹵素元素,也會間接引起電壓的變化。MLCC跟電解電容一樣,也有它的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。MLCC最主要的特點(diǎn)是壽命比較長,另外它在高溫和低溫下的表現(xiàn)非常一致,它的特性在高溫和低溫下面不會有太大差異。

MLCC缺點(diǎn):
1. 跟同等容量的電解電容相比,MLCC單價(jià)會比較高;
2. MLCC有偏壓的特性,它的容量跟施加的電壓呈衰減的趨勢,
3. MLCC的容量范圍比較小,MLCC不可能像電解電容那樣隨隨便便就可以做到200萬、 300萬。

LED燈具頻閃導(dǎo)致日本一位官員暈倒

日本業(yè)界目前發(fā)生比較普遍的現(xiàn)象是,人們長期在房間里面工作時(shí)容易感到疲勞,后來發(fā)現(xiàn)原因是頻閃。如果電燈電力供應(yīng)不足會出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象,大約小于30%時(shí)人們?nèi)菀赘械狡诟小?br />
目前LED照明比較流行,日本政府市政廳把普通的節(jié)能燈全部換成LED照明,后來發(fā)生一件事,一個(gè)政府官員在工作當(dāng)中突然暈倒了,后來查明原因是跟LED頻閃現(xiàn)象有關(guān),LED頻閃會讓人引起疲勞感。為了解決這種現(xiàn)象,各個(gè)廠商也做了很多的努力,有一種回路叫PFC回路,像國內(nèi)的廠商已經(jīng)在用了,這個(gè)屬于PFC回路的填谷回路。在第一次整流過后,在第一次平滑的階段,如果電壓下去,電流會有一個(gè)中斷現(xiàn)象。如果有中斷現(xiàn)象,就會出現(xiàn)頻閃。

我們也是在實(shí)際的基礎(chǔ)上做了一個(gè)這樣的測試,把電解電容替換為MLCC來看一下它的頻閃效果會不會得到很好的解決。首先粉紅色的地方是輸入的電壓,黃色部分是填谷后電壓的曲線,藍(lán)色部分是在LED電流的一個(gè)表現(xiàn)。客戶在原來的設(shè)計(jì)里面,在這里用了4.7uf的電解電容。大家可以看一下它的電流曲線,雖然它呈現(xiàn)出一種波形,但中間沒有斷,所以這種設(shè)計(jì)不會有閃頻的現(xiàn)象。

我們也用MLCC做了一個(gè)替換來看一下它整體的表現(xiàn)。用MLCC替換電解電容的時(shí)候,像電壓跟容量怎么選,也是大家一直在考慮的問題,所以我們也做了一個(gè)測試,就是用比4.7uf小一個(gè)型號2.2uf做測試。測試以后發(fā)現(xiàn),黃色電壓部分就會下去。下去的話,這邊電流流過去就會出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象,這樣會出現(xiàn)頻閃。就是說用MLCC替代電解電容的時(shí)候,如果用小容量進(jìn)行替換就不能解決閃頻的現(xiàn)象。

我們接下來用大一點(diǎn)的容量,用10uf做試驗(yàn)。用10uf做了試驗(yàn)之后就是左下邊的圖,發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象可以得到解決。從結(jié)果來看,這個(gè)試驗(yàn)可以證明按照這個(gè)用途去用的話,其實(shí)用MLCC去替換電解電容是完全可以的。從這張圖上大家可以看到用MLCC去替換電解電容時(shí)就不能同等容量進(jìn)行替換,你要選一個(gè)容量稍微大的MLCC才可以進(jìn)行替換。如果大家做出口,如果往日本出口的話,日本是一個(gè)保證4萬小時(shí)壽命的國家。如果你用電解電容的話,根本沒辦法滿足他們燈泡要4萬小時(shí)的要求,所以大家普遍會考慮用MLCC去做。特別是是像這種室內(nèi)燈,電解電容本身體積就很大,如果是這種小基板的話,MLCC就非常有優(yōu)勢。 

在日本,MLCC替換電解電容的思路已經(jīng)鋪開

現(xiàn)在在日本電解電容的壽命隱患也成為一個(gè)很大的問題,日本一些尖端的LED廠商也在開發(fā)全部用MLCC去做燈泡。日本某一個(gè)前端廠商,已經(jīng)研發(fā)出這種電源,整個(gè)電源用的電容全部換成MLCC。(保密原因,圖片不能展示,僅僅是思路介紹)。在日本這種思路已經(jīng)完全鋪開,像一些尖端的廠商已經(jīng)在用MLCC去替換電解電容。

從三個(gè)方面考慮MLCC在LED照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是有可能性。接下來可能前端廠商走的這個(gè)路線比較多:從高壽命、小基板、薄型基板考慮,這種基板只有MLCC才可以貼上去。

在LED照明領(lǐng)域主要應(yīng)用的MLCC分三類:一是中耐壓產(chǎn)品,100V到630V的產(chǎn)品;二是 高溫對應(yīng)產(chǎn)品,150度對應(yīng)的;三是疊容(耐機(jī)械應(yīng)力,耐熱沖擊16V-630V)。疊容是旁邊用金屬支架支撐的電容,它在高溫下的性能非常高,在路燈上,比如交通燈、路燈應(yīng)用的比較多一點(diǎn)。

像這三類產(chǎn)品,在下面的文件中有容量表,還有選型的一些思路,歡迎下載!
http://m.forexsooq.com/whitepaper/download?id=775

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