7135+PWM调光与电阻调光的效率分析 （技术贴，不喜勿进）

hanarmy

先说结论：用尾部开关电阻的低亮档效率大于7135+PWM实现的低亮档效率

这个结论明显有违常识，我也是在一个偶然的机会注意到的，下面的分析大家看看对不对。

为简化分析，做以下假设。
1. LED的输出与驱动电流成正比
2. 锂电的容量与放电电流无关

如果满输出是1A，以10%档为例，PWM的占空比这时为10%，运行一个小时的放电量是1A x 1H x 10% = 0.1AH；用电阻调光时，放电电流是0.1A，运行一个小时的放电量也是0.1AH，和PWM的效率相同。根本上讲，这是因为两种方式都把电池电压高于Vf的部分浪费掉了。

再回头看上面的假设，实际上:
1. LED在低电流下发光效率更高。以CREE为例，100MA以下时的效率是1A时的两倍左右。就是说，用电阻调光时，驱动电流只要50MA就够了。
2. 锂电在100MA放电时，比1A放电能放出更多的电量。

所以，电阻调光的低亮档效率整体要高于PWM。当然，PWM可以方便地实现多档位与特殊功能，亮度输出更恒定（虽然是方波，但波幅较恒定，而用电阻调光时，7135已经工作在直驱状态了）。这些是电阻调光无法比拟的。但如果只需要高低两档，电阻调光并不太差。

其实PWM是不错的调光方式。东成给我做了一个有1%档的7135板，配18650，亮度足够在晚上看地图和一般照明，可以连续点亮两个星期，露营时非常有用。

xiewg

先说清楚效率的定义吧，讨论电路效率，和光效扯不上联系。

电路效率=输出功率/输入功率，按这个模式再算一遍看看？

hanarmy

如果只看电路，效率相同:

如果满输出是1A，以10%档为例，PWM的占空比这时为10%，运行一个小时的放电量是1A x 1H x 10% = 0.1AH；用电阻调光时，放电电流是0.1A，运行一个小时的放电量也是0.1AH，和PWM的效率相同。根本上讲，这是因为两种方式都把电池电压高于Vf的部分浪费掉了。

编辑：我这么说，还是在比较相同光输出下的输入功率，呵呵，一时糊涂，不好意思。单从电路效率来说，PWM比电阻好是毋庸置疑的，不需要讨论。

[ 本帖最后由 hanarmy 于 2007-10-1 06:32 编辑 ]

GREE

怎么是都把高于Vf的部分浪费掉了呢？也以10%为例，PWM调光时，导通状态下，V即是7135的输出电压，这里称V1，关闭状态下，V为0伏，导通状态占总周期的10%。电阻调光时，设通过限流电阻后，输入调光电阻的输入电压同为V1，则输出电压V2，V1-V2由调光电阻承担，V1-V2乘以工作电流，以发热形式消耗在调光电阻上。粗略算一下，以电流从1A调到0.15A计，这个V1-V2至少有0.6V，在0.15A下，电阻消耗了0.09W。而PWM调光没有这个消耗。

hanarmy

这里的效率我指的是整个系统的效率。请大家不要只看电路的输出输入功率比，那就太简单，没什么可讨论的了，对实践的指导意义也不大。这个系统就是：
锂电 - 7135 - 调光电路（PWM或电阻）- LED

hanarmy

原帖由 GREE 于 2007-10-1 02:09 发表

                               
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怎么是都把高于Vf的部分浪费掉了呢？也以10%为例，PWM调光时，导通状态下，V即是7135的输出电压，这里称V1，关闭状态下，V为0伏，导通状态占总周期的10%。电阻调光时，设通过限流电阻后，输入调光电阻的输入电压同为V1，则输出电压V2，V1-V2 ...

在驱动电流较小时，LED的VF也较低，即单位功率的光输出更高了。电阻分掉的电压，正是LED所不需要的，或者说，电阻消耗的能量，被LED光效的提高正好抵消了。所以，整个系统的效率不变。

天不我与

楼主可能忽略掉 2 件事了,
以PWM调光应该要把PWM电路的效率也计算进去,
另外也要考率到输入的电池电压是多少.
举例说明:
(1)当LED电流同为0.1A  LED电压同为 3.3V  使用18650 3.7V电池
    电阻调光效率= 0.1A*3.3V(输出功率)/0.1A*3.7V(输入功率)=89.2%
    (7135限流 IC的输出电流几乎相等于输入电流)
    假设 PWM 效率 85%
     此时的输入电流会变为  0.1A*3.3V(PWM输出功率)=3.7V*I(输入电流)*0.85
     I=0.33/(3.7*0.85)=0.1049A
     PWM调光效率=0.1A*3.3V(输出功率)/0.1049A*3.7V=85%--->低于电阻调光的 89.2%效率
     假设 PWM 效率 90%
     此时的输入电流会变为  0.1A*3.3V(PWM输出功率)=3.7V*I(输入电流)*0.9
     I=0.33/(3.7*0.9)=0.099A
     PWM调光效率=0.1A*3.3V(输出功率)/0.099A*3.7V=90%---->高于电阻调光的 89.2%效率  
(2)当LED电流同为0.1A  LED电压同为 3.3V  使用 2 颗 3V电池(7135 可承受 6V的电压)
    电阻调光效率= 0.1A*3.3V(输出功率)/0.1A*3V*2(输入功率)=55%
    假设 PWM 效率 85%
    此时的输入电流会变为  0.1A*3.3V(PWM输出功率)=3V*2*I(输入电流)*0.85
     I=0.33/(6*0.85)=0.0647A
    PWM调光效率=0.1A*3.3V(输出功率)/0.0647A*3V*2=85%----->远高于电阻调光效率的 55%

结论:
    1.低档时 电阻调光和PWM调光 何者效率高,必须考量到 PWM的效率.
    2.输入电压高时 电阻调光效率远低于 PWM调光效率.

另外楼主的观念也怪怪的
  #5 中提到  "这里的效率我指的是整个系统的效率。请大家不要只看电路的输出输入功率比，那就太简单，没什么可讨论的了."
  整个系统的效率不就是  输出功率/输入功率 .........楼主想的太复杂了吧!!!

天不我与

补充一下
楼主在 #1 的结论说到
1. LED在低电流下发光效率更高。以CREE为例，100MA以下时的效率是1A时的两倍左右。就是说，用电阻调光时，驱动电流只要50MA就够了。

完全搞不懂楼主再说啥.
LED在低电流下发光效率更高,这几乎是众所周知的,不管用啥方式调光都是一样的.

hanarmy

PWM本身的损耗（MPU, MOSFET)是很低的，我就算它是0，算是电阻调光让它了。

只看电路本身，当然PWM的效率是高的。但决定实际效果的，是系统的整体效率，即LED光输出与电池输出功率的比。确实挺复杂的，但这个颠覆性的结果让我不得不去想，想了一个星期才算想通。

hanarmy

原帖由 天不我与 于 2007-10-2 00:58 发表

                               
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补充一下
楼主在 #1 的结论说到
1. LED在低电流下发光效率更高。以CREE为例，100MA以下时的效率是1A时的两倍左右。就是说，用电阻调光时，驱动电流只要50MA就够了。

完全搞不懂楼主再说啥.
LED在低电流下发光效率更高,这 ...

PWM的作用就是让电路处于断续工作状态，LED仍然工作在1A电流下，只是不是连续工作。

谢谢参与，请继续。。。东成睡不着，也不来说说:Q 。。。还有各位电子高手，动脑子的机会来啦!!!

光明行

呵呵，终于有贴说这种类PWM电路效率了。先支持一下楼主。

俺看楼顶的贴计算大致没什么问题。

实际上这类7135+控制电路并不是真正的PWM电路。

7楼的
“(2)当LED电流同为0.1A  LED电压同为 3.3V  使用 2 颗 3V电池(7135 可承受 6V的电压)
    电阻调光效率= 0.1A*3.3V(输出功率)/0.1A*3V*2(输入功率)=55%
    假设 PWM 效率 85%
    此时的输入电流会变为  0.1A*3.3V(PWM输出功率)=3V*2*I(输入电流)*0.85
     I=0.33/(6*0.85)=0.0647A
    PWM调光效率=0.1A*3.3V(输出功率)/0.0647A*3V*2=85%----->远高于电阻调光效率的 55%

这个计算有明显错误，以致最终结论也是错的。


俺先在第一页占个地方。

hanarmy

谢谢支持。其他各路高手怎么都不说话呢？

这种电路是PWM应该没有疑问吧？

hayas

对，是PWM电路。

电压较高时，PWM电路效率要高于电阻，这个不错的。因为PWM的瞬间电流大，所以VF也较高。所以效率高。
但是，以较大的电流驱动LED，光效会降低。 因此，直接断定哪个效率更高还要经过测试或者严密的计算。

我在PWM输出端并联一个47UF的钽电容来改善PWM的光效问题，有很好的效果。
为了验证效果，我把这个电容通过一个开关并联在电路上，当拨动开关，让电容接入电路时，LED亮度明显增加。

有兴趣的朋友可以试试。

（有个问题是，电容不可过大，太大会导致调光不能工作）

xiewg

既然要算总体的效率，必须要给出完整的LED的伏安特性曲线。光输出对LED来说是直接依赖于电流的大小，假设对于1A/200LM/3.7V 350mA/80LM/3.3V这样一个LED来说，用单个锂电，达到80LM输出

1。电阻调光：需要输入的电功率是4.2vx0.35A

2。PWM调光的效率：这个就有点复杂，假设原来1A恒流，那么输出200LM, 只需要80LM,那么需要40%的占空比，简单一点计算，不记PWM本身的效率，那么实际输入的电功率4.2Vx1Ax40%


这样来看，区别就很明显了，由于LED光效的非线性，所以在低亮时，直接用小电流驱动，要比PWM驱动效率高，这个分析只对线性恒流+PWM调光有效，如果是DC-DC电路+PWM调光的话，情况可能就有不一样了。


又：还是复杂化了。。。

可以看成2个部分，恒流电路+调光部分。如果单纯比较调光部分而言，只要看LED的伏安/光效特性就能明白了。

[ 本帖最后由 xiewg 于 2007-10-5 10:06 编辑 ]

hanarmy

输出端并联电容，咱们想到一起去了。上月从东成那买了些47UF的钽电容，就想试这个的，只是一直没时间。

hanarmy

:handshake :handshake

hanarmy

我仿佛看到越狱第一反角露出了亲切的笑容，感动中。。。:loveliness:

nigejin

明显pwm效率高.电阻调光是把高出电压全部通过电阻压降消耗掉;pwm开关状态,没有消耗掉无谓的能量,就是mos管压降跟电路损耗,都是很小的.明显pwm好,只是相对复杂成本较高了,不过好像有类似7135单片pwm片子,做起来也不难,电容就不好放了,站空间

hanarmy

这位朋友好像没有仔细看上面的分析？

hanarmy

原帖由 xiewg 于 2007-10-5 09:14 发表

                               
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这样来看，区别就很明显了，由于LED光效的非线性，所以在低亮时，直接用小电流驱动，要比PWM驱动效率高，这个分析只对线性恒流+PWM调光有效，如果是DC-DC电路+PWM调光的话，情况可能就有不一样了。

单锂时，DC-DC比7135效率的提高非常有限，并且由于电感的存在，在PWM下的效率甚至可能不如7135.

通过上面的分析，下面的结论就水到渠成了：

用7135恒流（在这里其实更象限流），加上可变电阻实现的无极调光，效率上高于PWM调光。
可变电阻用旋转式，通过旋转灯头或尾盖无极调光，配合O圈可以方便地实现防水。电阻可以用线绕式，或其他精确可靠的型号。