一種無紋波頻閃線性高壓LED驅(qū)動(dòng)方案

1、一種無紋波頻閃線性高壓LED驅(qū)動(dòng)方案中國(guó)半導(dǎo)體照明/LED產(chǎn)業(yè)與聯(lián)盟 李明峰 程增奇 姚刃鋒 張占松摘要：文章簡(jiǎn)介了無高頻開關(guān)電源的線性高壓LED驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，基于高壓LED燈的特點(diǎn)以及消費(fèi)者要求，提供了一種無紋波頻閃的線性高壓LED方案。關(guān)鍵詞： 線性高壓恒流源驅(qū)動(dòng)DU1501 The Trend of High Voltage Linear LED Driving SolutionChina Solid State Lighting Alliance Li Mingfeng , Jake Cheng, Yao Renfeng, Zhang Zha

2、nsongAbstract: 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.Keywor

3、d: 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(diǎn)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(gè)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(dòng)方案，是較小電流(小于100mA)，較高電壓的LED驅(qū)動(dòng)方案。圖2 LE

4、D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，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(shí)現(xiàn)恒流，即整個(gè)工頻周期內(nèi)通過LED電流不恒定。一. 無法實(shí)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(dòng)、阻容降壓驅(qū)動(dòng)以及線性高壓驅(qū)動(dòng)。二. 技術(shù)路線PK2.1線性高壓驅(qū)動(dòng) vs. 高頻開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)在LED燈珠負(fù)載里串接MOSFET，讓MOSFET閉環(huán)受控于LED負(fù)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(fù)載通過的就是恒定電流，而串接的MOSFET

5、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(jiǎn)單說來，這就是線性高壓驅(qū)動(dòng)LED的工作原理。高頻開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)，是通過高頻開關(guān)、磁性元器件，將交流市電轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED需求的電壓、電流。高頻開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)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(diǎn)主要是：線路簡(jiǎn)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(shí)沒有EMI的問題，省去了EMC電路。而高頻開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)相比于線性高壓方案，在線路復(fù)雜許多，但可以靈活實(shí)現(xiàn)各種負(fù)載輸出需求。兩者應(yīng)用場(chǎng)合不同，嚴(yán)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

6、功率、扭矩等等，但你拿開汽車跟騎馬比哪一種更好呢，因?yàn)轳R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(duì)手：傳統(tǒng)阻容降壓方案。2.2 線性高壓驅(qū)動(dòng) vs. 阻容降壓驅(qū)動(dòng)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RL一般為100200，而濾波電容一般為100uF1000uF，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

7、交流等效電路。同時(shí)滿足了XC1R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(yuǎn)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(jù)電工原理可知：串聯(lián)電容的容抗為12fC ，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=VZc 。圖3 阻容降壓驅(qū)動(dòng)高壓LED示意 目前，阻容降壓方案依然是市場(chǎng)上存在的用量巨大的方案。存在即合理，它的簡(jiǎn)單，對(duì)于LED市場(chǎng)階段發(fā)展需求，起到了不可磨滅的貢獻(xiàn)。但筆者的觀點(diǎn)是，阻容降壓無法充分發(fā)揮LED光源的兩大優(yōu)勢(shì)：1. 長(zhǎng)壽命。 2. 極佳的可控性。 長(zhǎng)期趨勢(shì)，阻容

8、降壓會(huì)漸漸被線性高壓和高頻開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)方案所替代。而阻容降壓方案當(dāng)前面臨的最大直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(jiǎn)化方案。LED燈珠負(fù)載中串接單個(gè)MOSFET，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。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(qǐng)看下文的性能、成本直接對(duì)比詳解。設(shè)計(jì)目標(biāo)：輸入電壓范圍：2002

9、65VAC/50Hz 效率：82%輸出電壓范圍：260VDC 輸出電流：70mA標(biāo)稱輸出功率：18W18W 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(gè)數(shù)相當(dāng)，主要是阻容降壓兩個(gè)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(chǎng)價(jià)大概0.8RMB左右，兩個(gè)CBB與芯片的成本相當(dāng)，所以這兩種方案從元器件成本上來說是相當(dāng)；18W T8 PCB板上的對(duì)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:1

10、2.5mm; 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?yàn)镈U1501方案只有一個(gè)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(dòng)電源板。而阻容降壓因?yàn)槠鋬蓚€(gè)CBB電容（1uF/400V）的體積大且輸出端還有一個(gè)電解電容（10uF/400V），無法內(nèi)置于燈板上。從整個(gè)系統(tǒng)上來看，由于DU1501方省去了驅(qū)動(dòng)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(dòng)PCB; 這使得整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省RMB1.0左右。性能對(duì)比阻容降壓的缺點(diǎn)如下：1). 無法恒流，輸入電壓越大輸出電流越大

11、；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(yán)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(diǎn)，導(dǎo)致使用阻容降壓電源LED普遍光衰嚴(yán)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(diǎn)：1). 閉環(huán)恒流；2). 負(fù)溫度特性，智能溫度電流補(bǔ)償，當(dāng)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(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)

12、功能。在實(shí)際使用中會(huì)大大提高電路的可靠性。圖11 效率VS 輸入電壓圖12 負(fù)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(shí)的過沖，減小了紋波。小計(jì)：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(duì)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(jìn)技術(shù)。其主要局限是只能應(yīng)用于單電壓，并較難實(shí)現(xiàn)0.9以上的PF。下一節(jié)，我們簡(jiǎn)單探討分段線性高壓和單段線性高壓各自的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)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

13、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(huì)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(xì)介紹分段線性恒流方案，另文纖細(xì)介紹。三. 市場(chǎng)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(shí)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(shí)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(fèi)者消費(fèi)習(xí)慣發(fā)展改變，必然會(huì)爆發(fā)。另

14、一條技術(shù)發(fā)展主線就是順應(yīng)趨勢(shì)，降低整燈成本以吸引消費(fèi)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(huì)傷害整個(gè)產(chǎn)業(yè)。線性高壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)方案，主要特點(diǎn)是無工頻頻閃，線路簡(jiǎn)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(shí)，提供了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)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(duì)比，成本相當(dāng)，壽命增長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)高PF，分段式控制的DU1703方案可以實(shí)現(xiàn)極高PF，另文有詳細(xì)介紹。兩種方案各做了折衷選擇。定稿日期：2013-03-01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。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。程增奇，曾就職于BCD半導(dǎo)體期間，獨(dú)立研發(fā)GE、Philips大量LED驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)