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作者：中國半導體照明/LED產業與聯盟 李明峰 張占松 一. 高壓LED “高壓LED”，一種是LED生產廠家提供串聯好的小功率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和前者的主要區別是，前者是全部串聯，后者是串并聯。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，按照串并聯要求鋪設連接各個LED的導線。 
圖1 高壓LED 無論哪種“高壓LED”，本文所討論的線性高壓LED驅動方案，是較小電流(理論小于100mA)，較高電壓的LED驅動方案。
圖 2 LED 負載特性 LED 的負載特性如圖2 所示，根據LED 的負載特性，需要有一種可控恒流源來控制。經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恒流，即整個工頻周期內通過LED 電流不恒定。一. 無法實現亮度的控制。二. LED 燈珠壽命大大縮短。 而高頻開關電源，做 CC(恒流)控制是一種常見的辦法。但性能提高的同時，成本大大提高。 在 LED 燈珠負載里串接有源或無源器件，使線路產生“恒流－變壓”效果，這樣在LED負載通過的就是恒定電流，而外接線路承受了變化的電壓。這就是類似LDO（Low Dropout Regulator 低壓差線性穩壓器）的工作原理。下面詳細介紹這種實現恒流的驅動方式及其發展趨勢。 相比與高頻開關電源，線性高壓方案的優點主要有：一.省去了輸入電解電容、輸出電容，是一種無電解電容的線路。電解電容壽命是電源壽命的瓶頸，省去了電解電容，驅動電源壽命就延長了。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，同時沒有EMI的問題，省去了EMC電路。三，省去了高頻電感等外圍元件，進一步降低成本。 二. 四代HV LED 驅動方法 線性高壓 LED 驅動方案發展到今天，已經經歷了四代。 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頻率下產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，由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩壓管VS的動態電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻RL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Xc1>R的條件,所以可以畫出電壓向量由于R甚小于Xc1，R上的壓降VR也遠小于C1上的壓降，所以VC1與電源電壓V近似相等，即Vc1=V。根據電工原理可知：串聯電容的容抗為，以1uF、50Hz交流電為例，其容抗Xc=3185歐姆，整流后的直流電流平均值Id,與交流電平均值I的關系為Id=V/Zc。
圖3 阻容降壓驅動高壓LED示意 阻容降壓線路極簡，主要優點是低成本。缺點如下：1. 恒流不準，輸入電壓波動時，電流隨之波動。2. PF值低，從輸入端看，負載呈容性。 3. 電容耐受高壓，選型較困難，壽命較短。 2.2 第二代單開關線性控制方法 恒流二級管(CRD, Current Regulative Diode)、恒流三極管(CCT, Constant Current Transistor)以及MOSFET(壓控恒流源)，按照控制方式來說，也是單開關控制方法。恒流二極管不同于普通的二極管，它的的負載曲線有一段較長的“恒流－變壓”區，類似三極管的可變電阻區，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控制管腳，特點是輸出的恒流可以利用調整端加外部元器件進行調整,較適合做LED調光電路。另外一個特點是，若不使用調整電流時,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和恒流三極管的區別是：前者是壓控電流源，后者是電流控制電流源。 LED燈珠負載中串接單個MOSFET，其工作在可變電阻區，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LED燈珠的壓降保持恒定，就保證了在一個半波導通的周期內LED的恒流。比較典型的是占空比半導體公司的高壓工藝芯片DU1501，單芯片內集成控制器和高壓MOSFET，是第二代單開關控制的經典簡化方案。 相比與第一代阻容降壓方式，以上控制方式的優點是：一. LED燈珠電流恒定，燈珠壽命增長。二. LED燈珠電流可控，亮度可控。 這樣的線路非常簡單，但缺點也很明顯。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導通，也就是說，多個LED串聯的高壓LED，必須有足夠的正向壓降才會導通。以60個LED燈珠串聯為例，正常工作大約總壓降是180V，而使其導通需要VF=60*2.5V=150V的壓降。這就意味著，當整流以后的半波壓降低于150V時，LED燈珠串是不亮的。整個線路“暗燈時間”（后文統一稱為死區）較長，按工頻倍頻周期（100Hz或120Hz）交疊出現。 人眼的重要特性是視覺惰性，即光一旦在視網膜成像，視覺對此光像的感覺會維持一個有限時間值，這種生理現象叫做視覺暫留性。對中等亮度光刺激，視覺暫留時間約為0.05至0.2秒，這就是為什么50Hz電腦屏幕刷新頻率人眼無法感到閃爍而相機可以捕捉到。所以，工頻倍頻也就是100Hz~120Hz的閃爍人眼是無法感覺到的。但長期、劇烈的閃爍依然可能危害到健康。所以線性高壓驅動繼續發展的目標，是要減少乃至消除這種閃爍。第三代分段式開關線性控制方法應運而生。 2.3 第三代分段式開關線性控制方法 針對第一代單開關控制的缺點，發展出了第三代分段式控制方法。這種控制方法原理是一個控制芯片檢測輸入交流電壓，來給幾個串接在LED負載的MOSFET提供門極信號，根據輸入交流電壓的高低，分段的開通LED負載。 還是以60串為例子，將60串分成3個20串的組合，檢測交流輸入電壓值，分3段開通，每段開通20串。這就意味著，當輸入交流電大于20*2.5V=50V時，LED燈珠串就開始導通。死區時間大大減少。同時，分段開通使得每個MOSFET承擔的線性區壓降降低，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，在配置不同的負載時電流選擇比較靈活，通過接不同Rdson的MOSFET，來對應不同的負載。但外置MOSFET封裝成本將是制約成本因素，靈活配置不同負載可以通過后文第四代優化分段的并聯方式完成。 從輸入交流電網看進去，這種分段開通的線路，電流不但相位跟隨正弦電壓波形，形狀也相近，可以認為是一種接近純阻性的負載，所以：1. PF值很高。2. 可控硅調光兼容性好（因為傳統的可控硅調光，是針對純阻性負載的白熾燈設計的，PF值很高意味著負載呈純阻性，可控硅調光兼容性必然很好）。3.相比第二代，效率有提高。 第三代分段式開關線性控制方法，在第二代的基礎上，邁出了一大步，但還存在以下問題：1. 死區邊緣的高尖峰。結果是影響PF值并引入高次諧波。2.外置MOSFET，多個MOSFET的封裝成本制約了整體成本。3.沒有足夠的智能化保護和附加功能。 2.4 第四代優化分段式開關線性控制方法 線性高壓技術繼續發展，進入第四代優化分段式控制階段。第四代分段式開關線性控制，是在第三代的基礎上發展起來的。市場對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%以上可控硅調光器兼容性 4. 開關調光功能 5. 內置線性溫度補償和過溫保護 6. 更低系統成本 占空比半導體公司針對第四代分段式開關線性控制要求，推出了四款產品： DU1703 三段線性LED驅動芯片 DU1733 三段線性可開關調光LED驅動芯片DU1804 四段線性LED驅動芯片 DU1834 四段線性可開關調光LED驅動芯片
圖6 第四代線性高壓驅動代表DU1703溫度補償 圖6顯示的是DU1703內置的電流溫度補償功能。當芯片結溫上升到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7 DU1703增大電流，并聯應用 針對較大電流的應用，可以將DU1703做成如圖7的并聯。
圖8 DU1703串聯應用 DU1703（三段式）可以按照圖8的接法做串聯控制，若要做更精細的控制，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，當然，成本也相應增加。 另外，開關式調光，是第四代線性高壓技術的一種智能化的要求。要求利用普通墻壁開關，在較快時間里動作1次、2次、3次時，分別有30%、70%、100%的亮度，以上DU1733、DU1834集成的專利技術技術，實現了此智能化要求。 三. 市場前景展望 隨著LED市場的爆發，已經開始進入紅海、競爭異常激烈。但完全犧牲性能，盲目追求惡性低價競爭，對于整個行業長期健康發展極為不利。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題，需要應對，例如：1. 無可避免的死區時間，帶來的工頻倍頻頻閃，是否對人眼有傷害？ 2. 高壓LED串分段開通，降低了LED燈珠使用率。 3. 電網大幅劇烈波動時，效率依然無法保證。 某些筆者為了推廣產品，盲目掩蓋其缺點，極力夸大優點，是一種不嚴謹的態度。有公司提出“去電源化”的概念，認為整燈失效，80%以上都是因為電源故障，因此電源是LED燈的瓶頸。筆者認為，LED光源，作為一種通過電流控制亮度的負載，具有很強的可控制性，高頻開關電源驅動LED，不但不會退出歷史舞臺，反而會因為其極方便的恒流可控性而深入發展，針對LED色溫、亮度控制等要求，向智能化方向發展。 同時，“去電源”的線性高壓LED方案，由于其線路及其簡單，并且性能也逐漸提升，成本、可靠性的優勢使其也會有很大的發展。日后中國的LED市場會有明顯的層次化劃分，針對消費者的需要，高、中、低端都會有大量相應產品涌現。無可否認，目前的線性高壓LED驅動方案還不是終極方案，但發展到第四代，相比與前三代，已經有了長足進步。高壓LED的發展，主要取決與高壓LED燈珠大量生產后，生產制造成本的大幅下降。一切的答案等待市場來揭曉！ 參考文獻： [1] 高壓LED的優缺點 中國照明網 茅于海 [2] 恒流三極管2THLxxx系列 《電子世界》 2011年03期 方佩敏 定稿日期：2012-09-23 作者簡介： 李明峰，2003年浙江大學電力電子專業碩士畢業。曾就職于艾默生網絡能源、美國IR公司全球技術支持中心、BCD半導體。在IEEE及國內核心電力電子期刊發表數十篇技術論文，近年來專注于LED照明市場趨勢研究及行業優勢資源整合。 張占松：廣東省電源行業協會/學會理事長。1960年畢業于華中理工大學工業企業電氣化與自動化專業。先后工作于中國科學院、科技學院工學院，現工作于廣東工業大學。編著有《高頻開關穩壓電源》、《開關電源的原理與設計》、《電氣技師實用手冊》、《網絡監控系統原理與應用》以及《電路和系統的仿真實踐》等著作。 |
