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摘要：  文章對(duì)比傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED，分析無(wú)高頻開(kāi)關(guān)電源的線性高壓LED系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)目前市場(chǎng)上大量涌現(xiàn)的線性高壓驅(qū)動(dòng)芯片，描述了各種類型方案及其發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)未來(lái)高壓LED關(guān)鍵技術(shù)和市場(chǎng)前景做了詳細(xì)分析論述。

關(guān)鍵字：  線性高壓LED系統(tǒng)，  開(kāi)關(guān)電源，  高壓LED

文章對(duì)比傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED，分析無(wú)高頻開(kāi)關(guān)電源的線性高壓LED系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)目前市場(chǎng)上大量涌現(xiàn)的線性高壓驅(qū)動(dòng)芯片，描述了各種類型方案及其發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)未來(lái)高壓LED關(guān)鍵技術(shù)和市場(chǎng)前景做了詳細(xì)分析論述。

一. 高壓LED

“高壓LED”，一種是LED生產(chǎn)廠家提供串聯(lián)好的小功率LED，如圖1左圖所示，它只是集成LED的一種，而右圖所示的集成LED和前者的主要區(qū)別是，前者是全部串聯(lián)，后者是串并聯(lián)。集成LED的特點(diǎn)是在大晶片上采用開(kāi)槽的方法，將其切割成若干小LED，然后用絕緣層把這些溝槽填平，按照串并聯(lián)要求鋪設(shè)連接各個(gè)LED的導(dǎo)線。

圖1 高壓LED

無(wú)論哪種“高壓LED”，本文所討論的線性高壓LED驅(qū)動(dòng)方案，是較小電流(理論小于100mA)，較高電壓的LED驅(qū)動(dòng)方案。

圖2 LED負(fù)載特性

LED的負(fù)載特性如圖2所示，根據(jù)LED的負(fù)載特性，需要有一種可控恒流源來(lái)控制。經(jīng)過(guò)整流的工頻交流電電壓，如果將此電壓直接加到輸出LED上面，這樣的問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒流，即整個(gè)工頻周期內(nèi)通過(guò)LED電流不恒定。一. 無(wú)法實(shí)現(xiàn)亮度的控制。二. LED燈珠壽命大大縮短。

而高頻開(kāi)關(guān)電源，做CC(恒流)控制是一種常見(jiàn)的辦法。但性能提高的同時(shí)，成本大大提高。

在LED燈珠負(fù)載里串接有源或無(wú)源器件，使線路產(chǎn)生“恒流-變壓”效果，這樣在LED負(fù)載通過(guò)的就是恒定電流，而外接線路承受了變化的電壓。這就是類似LDO(Low Dropout Regulator低壓差線性穩(wěn)壓器)的工作原理。下面詳細(xì)介紹這種實(shí)現(xiàn)恒流的驅(qū)動(dòng)方式及其發(fā)展趨勢(shì)。

相比與高頻開(kāi)關(guān)電源，線性高壓方案的優(yōu)點(diǎn)主要有：一.省去了輸入電解電容、輸出電容，是一種無(wú)電解電容的線路。電解電容壽命是電源壽命的瓶頸，省去了電解電容，驅(qū)動(dòng)電源壽命就延長(zhǎng)了。 二. 電路工作在工頻線性模式，不是工作在高頻模式，省去了高頻電感，同時(shí)沒(méi)有EMI的問(wèn)題，省去了EMC電路。 三，省去了高頻電感等外圍元件，進(jìn)一步降低成本。

二. 四代HV LED驅(qū)動(dòng)方法

線性高壓LED驅(qū)動(dòng)方案發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了四代。

2.1 第一代 阻容控制方法

阻容降壓工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流，電容降壓實(shí)際上是利用容抗限流，而電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。如圖3所示，由于整流管的導(dǎo)通電阻只有幾歐姆，穩(wěn)壓管VS的動(dòng)態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負(fù)載電阻一般為100~200，而濾波電容一般為100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。若用R代表除C1以外所有元器件的等效電阻，可以畫出圖3下圖的交流等效電路。同時(shí)滿足了>R的條件，所以可以畫出電壓向量由于R甚小于，R上的壓降也遠(yuǎn)小于C1上的壓降，所以VC1與電源電壓V近似相等，即=V。根據(jù)電工原理可知：串聯(lián)電容的容抗為 ，以1uF、50Hz交流電為例，其容抗=3185歐姆，整流后的直流電流平均值Id，與交流電平均值I的關(guān)系為Id= 。

圖3 阻容降壓驅(qū)動(dòng)高壓LED示意

阻容降壓線路極簡(jiǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是低成本。缺點(diǎn)如下：1. 恒流不準(zhǔn)，輸入電壓波動(dòng)時(shí)，電流隨之波動(dòng)。2. PF值低，從輸入端看，負(fù)載呈容性。 3. 電容耐受高壓，選型較困難，壽命較短。

2.2 第二代 單開(kāi)關(guān)線性控制方法

恒流二級(jí)管(CRD， Current Regulative Diode)、恒流三極管(CCT， Constant Current Transistor)以及MOSFET(壓控恒流源)，按照控制方式來(lái)說(shuō)，也是單開(kāi)關(guān)控制方法。恒流二極管不同于普通的二極管，它的的負(fù)載曲線有一段較長(zhǎng)的“恒流-變壓”區(qū)，類似三極管的可變電阻區(qū)，如圖4所示：

圖4 恒流二極管I-V曲線

恒流三極管比恒流二極管多一個(gè)控制管腳，特點(diǎn)是輸出的恒流可以利用調(diào)整端加外部元器件進(jìn)行調(diào)整，較適合做LED調(diào)光電路。另外一個(gè)特點(diǎn)是，若不使用調(diào)整電流時(shí)，它和CRD的性能及使用完全相同，工作曲線如下：

圖5 恒流三極管I-V曲線

MOSFET和恒流三極管的區(qū)別是：前者是壓控電流源，后者是電流控制電流源。

LED燈珠負(fù)載中串接單個(gè)MOSFET，其工作在可變電阻區(qū)，檢測(cè)輸入交流電壓幅值，按比例控制MOSFET門極，從而控制MOSFET漏極到源極壓降，這樣使多個(gè)串聯(lián)LED燈珠的壓降保持恒定，就保證了在一個(gè)半波導(dǎo)通的周期內(nèi)LED的恒流。比較典型的是占空比半導(dǎo)體公司的高壓工藝芯片DU1501，單芯片內(nèi)集成控制器和高壓MOSFET，是第二代單開(kāi)關(guān)控制的經(jīng)典簡(jiǎn)化方案。

相比與第一代阻容降壓方式，以上控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：一. LED燈珠電流恒定，燈珠壽命增長(zhǎng)。二. LED燈珠電流可控，亮度可控。

這樣的線路非常簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯。如圖2所示，每顆LED燈珠兩端必須有足夠的正向壓降才能夠?qū)?，也就是說(shuō)，多個(gè)LED串聯(lián)的高壓LED，必須有足夠的正向壓降才會(huì)導(dǎo)通。以60個(gè)LED燈珠串聯(lián)為例，正常工作大約總壓降是180V，而使其導(dǎo)通需要VF=60*2.5V=150V的壓降。這就意味著，當(dāng)整流以后的半波壓降低于150V時(shí)，LED燈珠串是不亮的。整個(gè)線路“暗燈時(shí)間”(后文統(tǒng)一稱為死區(qū))較長(zhǎng)，按工頻倍頻周期(100Hz或120Hz)交疊出現(xiàn)。

人眼的重要特性是視覺(jué)惰性，即光一旦在視網(wǎng)膜成像，視覺(jué)對(duì)此光像的感覺(jué)會(huì)維持一個(gè)有限時(shí)間值，這種生理現(xiàn)象叫做視覺(jué)暫留性。對(duì)中等亮度光刺激，視覺(jué)暫留時(shí)間約為0.05至0.2秒，這就是為什么50Hz電腦屏幕刷新頻率人眼無(wú)法感到閃爍而相機(jī)可以捕捉到。所以，工頻倍頻也就是100Hz~120Hz的閃爍人眼是無(wú)法感覺(jué)到的。但長(zhǎng)期、劇烈的閃爍依然可能危害到健康。所以線性高壓驅(qū)動(dòng)繼續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，是要減少乃至消除這種閃爍。第三代分段式開(kāi)關(guān)線性控制方法應(yīng)運(yùn)而生。

2.3 第三代分段式開(kāi)關(guān)線性控制方法

針對(duì)第一代單開(kāi)關(guān)控制的缺點(diǎn)，發(fā)展出了第三代分段式控制方法。這種控制方法原理是一個(gè)控制芯片檢測(cè)輸入交流電壓，來(lái)給幾個(gè)串接在LED負(fù)載的MOSFET提供門極信號(hào)，根據(jù)輸入交流電壓的高低，分段的開(kāi)通LED負(fù)載。

還是以60串為例子，將60串分成3個(gè)20串的組合，檢測(cè)交流輸入電壓值，分3段開(kāi)通，每段開(kāi)通20串。這就意味著，當(dāng)輸入交流電大于20*2.5V=50V時(shí)，LED燈珠串就開(kāi)始導(dǎo)通。死區(qū)時(shí)間大大減少。同時(shí)，分段開(kāi)通使得每個(gè)MOSFET承擔(dān)的線性區(qū)壓降降低，從而使效率升高。

相比與第一代、第二代控制方法，分段式控制使PF值有了提高，電路整體效率也有了提高。外置MOSFET，在配置不同的負(fù)載時(shí)電流選擇比較靈活，通過(guò)接不同Rdson的MOSFET，來(lái)對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載。但外置MOSFET封裝成本將是制約成本因素，靈活配置不同負(fù)載可以通過(guò)后文第四代優(yōu)化分段的并聯(lián)方式完成。

從輸入交流電網(wǎng)看進(jìn)去，這種分段開(kāi)通的線路，電流不但相位跟隨正弦電壓波形，形狀也相近，可以認(rèn)為是一種接近純阻性的負(fù)載，所以：1. PF值很高。2. 可控硅調(diào)光兼容性好(因?yàn)閭鹘y(tǒng)的可控硅調(diào)光，是針對(duì)純阻性負(fù)載的白熾燈設(shè)計(jì)的，PF值很高意味著負(fù)載呈純阻性，可控硅調(diào)光兼容性必然很好)。3.相比第二代，效率有提高。

第三代分段式開(kāi)關(guān)線性控制方法，在第二代的基礎(chǔ)上，邁出了一大步，但還存在以下問(wèn)題：1. 死區(qū)邊緣的高尖峰。結(jié)果是影響PF值并引入高次諧波。2.外置MOSFET，多個(gè)MOSFET的封裝成本制約了整體成本。3.沒(méi)有足夠的智能化保護(hù)和附加功能。

2.4 第四代優(yōu)化分段式開(kāi)關(guān)線性控制方法

線性高壓技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，進(jìn)入第四代優(yōu)化分段式控制階段。第四代分段式開(kāi)關(guān)線性控制，是在第三代的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。市場(chǎng)對(duì)第四代控制電路提出了以下具體要求：

1. 效率>0.9

2. PF>0.95

3. 90%以上可控硅調(diào)光器兼容性

4. 開(kāi)關(guān)調(diào)光功能

5. 內(nèi)置線性溫度補(bǔ)償和過(guò)溫保護(hù)

6. 更低系統(tǒng)成本

占空比半導(dǎo)體公司針對(duì)第四代分段式開(kāi)關(guān)線性控制要求，推出了四款產(chǎn)品：

DU1703 三段線性LED驅(qū)動(dòng)芯片

DU1733 三段線性可開(kāi)關(guān)調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)芯片

DU1804 四段線性LED驅(qū)動(dòng)芯片

DU1834 四段線性可開(kāi)關(guān)調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)芯片

圖6 第四代線性高壓驅(qū)動(dòng)代表DU1703溫度補(bǔ)償

圖6顯示的是DU1703內(nèi)置的電流溫度補(bǔ)償功能。當(dāng)芯片結(jié)溫上升到105度，輸出電流參考從100%下降到30%，這不是簡(jiǎn)單的溫度保護(hù)，而是一種補(bǔ)償式溫度保護(hù)功能。在實(shí)際使用中會(huì)大大提高電路的可靠性。

圖7 DU1703增大電流，并聯(lián)應(yīng)用

針對(duì)較大電流的應(yīng)用，可以將DU1703做成如圖7的并聯(lián)。

圖8 DU1703串聯(lián)應(yīng)用

DU1703(三段式)可以按照?qǐng)D8的接法做串聯(lián)控制，若要做更精細(xì)的控制，可以和DU1804(四段式)組合，分4段、5段、6段，甚至更多。更多的分段，意味著更高的PF和更高的效率，當(dāng)然，成本也相應(yīng)增加。

另外，開(kāi)關(guān)式調(diào)光，是第四代線性高壓技術(shù)的一種智能化的要求。要求利用普通墻壁開(kāi)關(guān)，在較快時(shí)間里動(dòng)作1次、2次、3次時(shí)，分別有30%、70%、100%的亮度，以上DU1733、DU1834集成的專利技術(shù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了此智能化要求。

三. 市場(chǎng)前景展望

隨著LED市場(chǎng)的爆發(fā)，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入紅海、競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。但完全犧牲性能，盲目追求惡性低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)于整個(gè)行業(yè)長(zhǎng)期健康發(fā)展極為不利。目前線性高壓LED方案，作為一種降成本方案，必然有它的生存、發(fā)展的空間。不管哪家芯片廠商提供的方案，客觀而論，原理上依然有一些問(wèn)題，需要應(yīng)對(duì)，例如：1. 無(wú)可避免的死區(qū)時(shí)間，帶來(lái)的工頻倍頻頻閃，是否對(duì)人眼有傷害? 2. 高壓LED串分段開(kāi)通，降低了LED燈珠使用率。 3. 電網(wǎng)大幅劇烈波動(dòng)時(shí)，效率依然無(wú)法保證。

某些筆者為了推廣產(chǎn)品，盲目掩蓋其缺點(diǎn)，極力夸大優(yōu)點(diǎn)，是一種不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。有公司提出“去電源化”的概念，認(rèn)為整燈失效，80%以上都是因?yàn)殡娫垂收?，因此電源是LED燈的瓶頸。筆者認(rèn)為，LED光源，作為一種通過(guò)電流控制亮度的負(fù)載，具有很強(qiáng)的可控制性，高頻開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED，不但不會(huì)退出歷史舞臺(tái)，反而會(huì)因?yàn)槠錁O方便的恒流可控性而深入發(fā)展，針對(duì)LED色溫、亮度控制等要求，向智能化方向發(fā)展。

同時(shí)，“去電源”的線性高壓LED方案，由于其線路及其簡(jiǎn)單，并且性能也逐漸提升，成本、可靠性的優(yōu)勢(shì)使其也會(huì)有很大的發(fā)展。日后中國(guó)的LED市場(chǎng)會(huì)有明顯的層次化劃分，針對(duì)消費(fèi)者的需要，高、中、低端都會(huì)有大量相應(yīng)產(chǎn)品涌現(xiàn)。無(wú)可否認(rèn)，目前的線性高壓LED驅(qū)動(dòng)方案還不是終極方案，但發(fā)展到第四代，相比與前三代，已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)步。高壓LED的發(fā)展，主要取決與高壓LED燈珠大量生產(chǎn)后，生產(chǎn)制造成本的大幅下降。一切的答案等待市場(chǎng)來(lái)揭曉!

參考文獻(xiàn)：

[1] 高壓LED的優(yōu)缺點(diǎn) 中國(guó)照明網(wǎng) 茅于海

[2] 恒流三極管2THLxxx系列 《電子世界》 2011年03期 方佩敏

作者簡(jiǎn)介：

李明峰，2003年浙江大學(xué)電力電子專業(yè)碩士畢業(yè)。曾就職于艾默生網(wǎng)絡(luò)能源、美國(guó)IR公司全球技術(shù)支持中心、BCD半導(dǎo)體。在IEEE及國(guó)內(nèi)核心電力電子期刊發(fā)表數(shù)十篇技術(shù)論文，近年來(lái)專注于LED照明市場(chǎng)趨勢(shì)研究及行業(yè)優(yōu)勢(shì)資源整合。

張占松：廣東省電源行業(yè)協(xié)會(huì)/學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。1960年畢業(yè)于華中理工大學(xué)工業(yè)企業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)。先后工作于中國(guó)科學(xué)院、科技學(xué)院工學(xué)院，現(xiàn)工作于廣東工業(yè)大學(xué)。編著有《高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源》、《開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)》、《電氣技師實(shí)用手冊(cè)》、《網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)原理與應(yīng)用》以及《電路和系統(tǒng)的仿真實(shí)踐》等著作。