四代線性高壓LED驅(qū)動方案及其發(fā)展趨勢

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LED的導(dǎo)線。

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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(理論小于100mA)，較高電壓的LED驅(qū)動方案。

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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。

而高頻開關(guān)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(fù)載里串接有源或無源器件，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)動方式及其發(fā)展趨勢。

相比與高頻開關(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(jìn)一步降低成本。

二. 四代HV LED 驅(qū)動方法

線性高壓 LED 驅(qū)動方案發(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)際上起到一個限制電流和動態(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(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，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(qū)動高壓LED示意

阻容降壓線路極簡，主要優(yōu)點(diǎn)是低成本。缺點(diǎn)如下：1. 恒流不準(zhǔn)，輸入電壓波動時，電流隨之波動。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 第二代單開關(guān)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(guān)控制方法。恒流二極管不同于普通的二極管，它的的負(fù)載曲線有一段較長的“恒流-變壓”區(qū)，類似三極管的可變電阻區(qū)，如圖4所示：

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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(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。另外一個特點(diǎn)是，若不使用調(diào)整電流時,它和CRD的性能及使用完全相同，工作曲線如下：

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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MOSFET，其工作在可變電阻區(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。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，是第二代單開關(guān)控制的經(jīng)典簡化方案。