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摘要：  文章簡介了無高頻開關(guān)電源的線性高壓LED驅(qū)動系統(tǒng)。通過比較傳統(tǒng)阻容降壓方案和線性高壓方案的優(yōu)缺點，基于高壓LED燈的特點以及消費者要求，提供了一種無紋波頻閃的線性高壓LED方案。

關(guān)鍵字：  線性高壓驅(qū)動，  LED驅(qū)動，  LED燈珠

The Trend of High Voltage Linear LED Driving Solution

China Solid State Lighting Alliance Li Mingfeng ， Jake Cheng， Yao Renfeng， Zhang Zhansong

Abstract: This paper presents features of high voltage linear LED driving system compare with traditional switching power driving system and RC driving system. The future key technical and cost factors that may influence the development of HV LED market are listed and analyzed in details.

Keyword: LED Constant Current Control / Linear HV LED Driving IC DU1501

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的特點是在大晶片上采用開槽的方法，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LED的導(dǎo)線。

圖1 高壓LED

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

圖2 LED負載特性

LED的負載特性如圖2所示，根據(jù)LED的負載特性，高壓LED需要有一種可控恒流源來控制。經(jīng)過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，這樣的問題是無法實現(xiàn)恒流，即整個工頻周期內(nèi)通過LED電流不恒定。一. 無法實現(xiàn)亮度的控制。二. LED燈珠壽命大大縮短。

根據(jù)控制要求不同，主要的恒流控制方法有：開關(guān)電源驅(qū)動、阻容降壓驅(qū)動以及線性高壓驅(qū)動。

二. 技術(shù)路線PK

2.1線性高壓驅(qū)動 vs. 高頻開關(guān)電源驅(qū)動

在LED燈珠負載里串接MOSFET，讓MOSFET閉環(huán)受控于LED負載電流，工作在線性區(qū)，使線路產(chǎn)生“恒流-變壓”效果，這樣在LED負載通過的就是恒定電流，而串接的MOSFET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。簡單說來，這就是線性高壓驅(qū)動LED的工作原理。

高頻開關(guān)電源驅(qū)動，是通過高頻開關(guān)、磁性元器件，將交流市電轉(zhuǎn)換為LED需求的電壓、電流。高頻開關(guān)電源驅(qū)動又分為隔離和非隔離兩種。

相比與高頻開關(guān)電源，線性高壓方案的優(yōu)點主要是：線路簡單，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，同時沒有EMI的問題，省去了EMC電路。

而高頻開關(guān)電源驅(qū)動相比于線性高壓方案，在線路復(fù)雜許多，但可以靈活實現(xiàn)各種負載輸出需求。兩者應(yīng)用場合不同，嚴格意義上講不具有可比性，這就比如你可以比較兩種品牌的汽車的功率、扭矩等等，但你拿開汽車跟騎馬比哪一種更好呢，因為馬匹沒有扭矩。我們接下去著重比較線性高壓方案和它的主要對手：傳統(tǒng)阻容降壓方案。

2.2 線性高壓驅(qū)動 vs. 阻容降壓驅(qū)動

阻容降壓工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流，電容降壓實際上是利用容抗限流，而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色。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的動態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻一般為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)動高壓LED示意

目前，阻容降壓方案依然是市場上存在的用量巨大的方案。存在即合理，它的簡單，對于LED市場階段發(fā)展需求，起到了不可磨滅的貢獻。但筆者的觀點是，阻容降壓無法充分發(fā)揮LED光源的兩大優(yōu)勢：1. 長壽命。 2. 極佳的可控性。 長期趨勢，阻容降壓會漸漸被線性高壓和高頻開關(guān)電源驅(qū)動方案所替代。而阻容降壓方案當前面臨的最大直接競爭對手，就是異軍突起的線性高壓方案。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，是單開關(guān)控制的經(jīng)典簡化方案。LED燈珠負載中串接單個MOSFET，工作在可變電阻區(qū)，檢測輸入交流電壓幅值，按比例控制MOSFET門極，從而控制MOSFET漏極到源極壓降，這樣使多個串聯(lián)LED燈珠的壓降保持恒定，就保證了在一個半波導(dǎo)通的周期內(nèi)LED的恒流。

取18W T8 LED日光燈應(yīng)用，使用線性高壓和阻容降壓兩種方案，請看下文的性能、成本直接對比詳解。

設(shè)計目標：

輸入電壓范圍：200~265VAC/50Hz 效率：>82%

輸出電壓范圍：260VDC 輸出電流：70mA

標稱輸出功率：18W

18W T8應(yīng)用線路圖比較

圖4 阻容降壓應(yīng)用線路圖

圖5 DU1501線性高壓原理圖

從上面線路圖上來看，兩種方案外圍元器件個數(shù)相當，主要是阻容降壓兩個大容量高壓CBB(1uF/400V*2 CBB)或更大與高壓線性方案控制芯片DU1501的差別;1uF/400V CBB電容市場價大概0.8RMB左右，兩個CBB與芯片的成本相當，所以這兩種方案從元器件成本上來說是相當;

18W T8 PCB板上的對比

圖6 阻容降壓應(yīng)用PCB版圖(W:17mm; L:90mm)

圖7 DU1501內(nèi)置于LED燈板(W:12.5mm; L:1170mm)

圖8 局部放大圖一

圖9 局部放大圖二

從上面PCB layout 可以看出，因為DU1501方案只有一個電解是插件，其它均為貼片器件，且10uF/400V電解可內(nèi)置于T8燈頭內(nèi)，故可省略驅(qū)動電源板。而阻容降壓因為其兩個CBB電容(1uF/400V)的體積大且輸出端還有一個電解電容(10uF/400V)，無法內(nèi)置于燈板上。從整個系統(tǒng)上來看，由于DU1501方省去了驅(qū)動板，工廠生產(chǎn)和安裝上都帶來方便，成本上也有下列節(jié)?。?).無需連接線材;2).無需驅(qū)動PCB; 這使得整個系統(tǒng)節(jié)省RMB1.0左右。

性能對比

阻容降壓的缺點如下：

1). 無法恒流，輸入電壓越大輸出電流越大;

2). 正溫度特性，溫度越高輸出電流越大;

3). 輸出電流紋波大：為100HZ正弦波，存在嚴重頻閃;

4). 耐電壓沖擊能力差，輸出易產(chǎn)生過沖電流;

以上缺點，導(dǎo)致使用阻容降壓電源LED普遍光衰嚴重，整燈壽命短。

DU1501內(nèi)置500V MOSFET+專利防過沖技術(shù)線性高壓方案特點：

1). 閉環(huán)恒流;

2). 負溫度特性，智能溫度電流補償，當出現(xiàn)較惡劣的情況可保證LED不損壞;

3). 無任何輸出電流紋波：高頻和低頻;

圖10 輸出電流vs溫度曲線

圖10 顯示的是DU1501內(nèi)置的電流溫度補償功能。當芯片結(jié)溫上升到105度，輸出電流參考從100%下降到30%，這不是簡單的溫度保護，而是一種補償式溫度保護功能。在實際使用中會大大提高電路的可靠性。

圖11 效率VS 輸入電壓

圖12 負載調(diào)整率

圖13 輸入：230Vac、輸出：260V/70mA的輸出電流波形

專利防輸出電流過沖技術(shù)消除了切換時的過沖，減小了紋波。

小計：DU1501內(nèi)置500V MOSFET&專利防過沖技術(shù)線性高壓方案與阻容降壓方案對比，技術(shù)上有重大突破，整體系統(tǒng)成本也有下降，是一種更為先進技術(shù)。其主要局限是只能應(yīng)用于單電壓，并較難實現(xiàn)0.9以上的PF。

下一節(jié)，我們簡單探討分段線性高壓和單段線性高壓各自的優(yōu)缺點對比。

2.3 線性高壓：分段vs. 單段

圖14 單路線性恒流

圖15 分段線性恒流

單路線性恒流：在交流輸入應(yīng)用中，輸入端需要電解電容濾波。輸入的PF、THD、成本都將受到影響。

分段線性恒流：在交流輸入應(yīng)用中，無需電解電容，可以做到高PF、低的THD。 但是，LED燈光的應(yīng)用率會下降15%~30%。

分段線性恒流的經(jīng)典代表是上海占空比的DU1703系列。根據(jù)應(yīng)用需求，工程人員可自行選擇。本文不詳細介紹分段線性恒流方案，另文纖細介紹。

三. 市場前景展望

LED技術(shù)發(fā)展方向主要是兩條線索。

一條主線是沿著智能化方向發(fā)展，走高端路線。利用LED光源有別于傳統(tǒng)光源的可控性實現(xiàn)各種智能化控制，包括色溫、亮度、聲控、入互聯(lián)網(wǎng)遙控等等。這類技術(shù)實際上早在10年前已經(jīng)有成熟方案，但關(guān)鍵在于創(chuàng)造需求，一旦消費者消費習慣發(fā)展改變，必然會爆發(fā)。

另一條技術(shù)發(fā)展主線就是順應(yīng)趨勢，降低整燈成本以吸引消費者，改變LED燈昂貴的印象，從而發(fā)掘出巨大需求。一味追求成本，擯棄品質(zhì)的做法反而會傷害整個產(chǎn)業(yè)。線性高壓驅(qū)動方案，是一條不容忽視的重要選擇。本文提供的方案是一種較優(yōu)選擇，基于上海占空比公司的DU1501的線性高壓LED驅(qū)動方案，主要特點是無工頻頻閃，線路簡單，相比于開關(guān)電源省略電感、開關(guān)管等器件，在降成本的同時，提供了系統(tǒng)可靠性，同時由于線路不工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，也就省略了解決EMI問題的線路。與阻容降壓方案對比，成本相當，壽命增長，無頻閃、無燈珠光衰問題，恒流精度大幅提升。本方案的美中不足是無法實現(xiàn)高PF，分段式控制的DU1703方案可以實現(xiàn)極高PF，另文有詳細介紹。兩種方案各做了折衷選擇。

定稿日期：2013-03-01

作者簡介：

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

程增奇，曾就職于BCD半導(dǎo)體期間，獨立研發(fā)GE、Philips大量LED驅(qū)動項目，對LED驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢有獨到見解。目前就職于占空比半導(dǎo)體公司從事市場推廣工作。

姚刃鋒，曾就職于九洲光電，專注LED驅(qū)動電源設(shè)計。目前就職于上海占空比公司，負責華南地區(qū)技術(shù)支持工作，提供整體驅(qū)動解決方案。

張占松：廣東工業(yè)大學教授，先后工作于中國科學院、科技學院工學院。八十年代在美國重點研究開關(guān)電源的基本拓撲，著作有《高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源》，《開關(guān)電源原理與設(shè)計》，《電路與系統(tǒng)仿真實踐》，翻譯有《開關(guān)電源手冊》等書，長期擔任廣東省電源學會理事長，中國電源學會副理事長等職，并任9家電源類雜志的編委。