四代線(xiàn)性高壓LED驅動(dòng)方案及其發(fā)展趨勢

一. 高壓LED

“高壓LED”，一種是LED生產(chǎn)廠(chǎng)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)要求鋪設連接各個(gè)LED的導線(xiàn)。

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圖1 高壓LED

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

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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(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)現恒流，即整個(gè)工頻周期內通過(guò)LED 電流不恒定。一. 無(wú)法實(shí)現亮度的控制。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 燈珠負載里串接有源或無(wú)源器件，使線(xiàn)路產(chǎn)生“恒流-變壓”效果，這樣在LED負載通過(guò)的就是恒定電流，而外接線(xiàn)路承受了變化的電壓。這就是類(lèi)似LDO(Low Dropout Regulator 低壓差線(xiàn)性穩壓器)的工作原理。下面詳細介紹這種實(shí)現恒流的驅動(dòng)方式及其發(fā)展趨勢。

相比與高頻開(kāi)關(guān)電源，線(xiàn)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(xiàn)路。電解電容壽命是電源壽命的瓶頸，省去了電解電容，驅動(dòng)電源壽命就延長(cháng)了。二. 電路工作在工頻線(xiàn)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 驅動(dòng)方法

線(xiàn)性高壓 LED 驅動(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(dòng)態(tài)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(huà)出圖3下圖的交流等效電路。同時(shí)滿(mǎn)足了Xc1>R的條件,所以可以畫(huà)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(lián)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(guān)系為Id=V/Zc。

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圖3 阻容降壓驅動(dòng)高壓LED示意

阻容降壓線(xiàn)路極簡(jiǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是低成本。缺點(diǎn)如下：1. 恒流不準，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(xiàn)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(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，它的的負載曲線(xiàn)有一段較長(cháng)的“恒流-變壓”區，類(lèi)似三極管的可變電阻區，如圖4所示：

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圖4 恒流二極管I-V曲線(xiàn)

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整端加外部元器件進(jìn)行調整,較適合做LED調光電路。另外一個(gè)特點(diǎn)是，若不使用調整電流時(shí),它和CRD的性能及使用完全相同，工作曲線(xiàn)如下：

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圖5 恒流三極管I-V曲線(xiàn)

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(gè)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(mén)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(kāi)關(guān)控制的經(jīng)典簡(jiǎn)化方案。