LED球泡燈驅動分析

　　前言

　　隨著LED的發(fā)展以及節(jié)能減排的國際大勢，LED燈具及光源向民用市場大規(guī)模進軍。而作為民用光源里面最為普遍的白熾燈，歐洲已經在2012年禁止白熾燈生產和銷售，美洲在2014年也禁止了40W及其以上白熾燈的生產和銷售，中國已于2012年10月禁止了100W以上白熾燈的生產和銷售，同時將會在2014年10月1日禁止60W及以上白熾燈的生產和銷售，將于2016年10月1日禁止15W及以上白熾燈的生產和銷售。

　　在這大勢下，作為白熾燈的直接替代光源，LED球泡燈的用量將得到巨大的提升。其品質也會參差不齊。作為LED球泡燈內部不可或缺的驅動電源，其品質很大程度上決定了一個球泡燈的安全與否及品質好壞。

　　驅動電源基本分為非隔離驅動及隔離驅動兩大類：

　　一、非隔離驅動

　　非隔離驅動（non--isolated power）是指在輸入端和負載端之間沒有通過變壓器進行電氣隔離，而又直接連接，輸入端和負載端共地，因此觸摸負載就有觸電的危險。目前用得最多的是非隔離直接降壓型驅動。也就是把交流電整流以后得到直流高壓，然后就直接用降壓（Buck）電路進行降壓和恒流控制，非隔離驅動的優(yōu)點是成本低、簡單、體積小、效率高。

　　當非隔離驅動應用于球泡燈時，使用鋁材（金屬）外殼無法做到安全性的標準（輸入對外殼要求耐壓4KV），故而外殼必須采用絕緣材料加工，通常有塑料、導熱塑料、塑包鋁等形式來實現。然而采用導熱塑料或者塑包鋁的形式又使得LED球泡燈的成本增加，采用塑料加工成的外殼又無法有效的散熱。在這樣一個LED競爭激烈的大環(huán)境下，很大一部分商家為了追求利潤及銷售額，無視安全因素制造大量非隔離金屬外殼的球泡燈，又或無視產品品質制造大量塑殼球泡燈，同時燈具的功率往往虛標30%以上。

　　目前球泡燈上應用最多的幾種非隔離驅動如下：

　　1.電阻限流式

　　圖1.1

　　如圖1.1：電阻限流式驅動，僅采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，通過限流電阻來限定LED的平均電流。該驅動方式在電壓未達到LED模塊（由多個LED串聯構成）開啟電壓前，LED不發(fā)光；電壓超過LED模塊的開啟電壓后，通過LED的電流逐漸增加，表現形式為I=（U-Uon）/R，經過LED的電流會隨著電壓的變化而變化。

　　如圖1.2所示（綠線表示橋堆輸出端電壓，紅線表示LED電流，藍線表示電阻R上的電壓），LED電流有間斷（頻率為100Hz），LED電流存在的時候也有大小變化，故而表現為頻率為100Hz的頻閃現象。

　　如圖1.2所示，LED模組串聯個數較多（即開啟電壓需求較高）、限流電阻較小時，LED電流斷續(xù)時間長，頻閃效果明顯，但是電阻上消耗的能量較?。t線電流與藍線電壓的積分），即效率相對較高。

　　如圖1.3所示，LED模組串聯個數較少（即開啟電壓需求較低）、限流電阻較大時，LED電流斷續(xù)時間短，頻閃效果較不明顯，但是電阻上消耗的能量較大，效率相對很低。

　　電阻限流式非隔離驅動，在電網電壓不穩(wěn)定時，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU2/R，因此功率極其不穩(wěn)定，造成照明亮度變化明顯，而且功率隨著電壓波動的平方變化，使得燈具非常容易長時間在超過標準溫度下工作，壽命減短。

　　該驅動方案由于負載主要呈現為阻態(tài)，電壓過零的時候不存在電流，故而功率因數較高接近1，不過由于限流電阻的存在其效率很差通常只有30%~65%的效率，但是由于該方案成本非常低廉，導致很多生產商生產該類產品，LED球泡燈的品質很難得到保證，其安全性也難以得到保證。

　　圖1.2

圖1.3

　　2.恒流二極管限流

　　圖2.1

　　如圖2.1：恒流二極管驅動，采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，通過恒流二極管來限定LED的電流。該驅動方式在電壓未達到LED模塊（由多個LED串聯構成）開啟電壓前，LED不發(fā)光；電壓超過LED模塊的開啟電壓后，通過LED的電流由恒流二極管限定，表現為恒定電流狀態(tài)。橋堆后面的電容是平衡效率及功率因數用的。

　　不加橋堆后的電解電容，如圖2.2所示（綠線表示橋堆輸出端電壓，紅線表示LED電流，藍線表示恒流二極管CCD上的電壓），LED電流有間斷（頻率為100Hz），但是LED電流存在的時候表現為恒流狀態(tài)，故而表現為頻率為100Hz的現象，同樣，由于恒流二極管限定了通過的電流，其兩端必定會承載超出LED工作電壓的那部分電壓，因此效率較低，通常在70%左右，但是其電流基本跟隨電壓波形，功率因數較高，可較容易做到0.9以上。

　　加上橋堆后的電解電容，如圖2.3所示，LED電流連續(xù)且恒定，因此在電容量足夠大的前提下該驅動方案就表現為無頻閃，而且，由于電解電容將橋堆后的電壓波動降低了，因此LED模組的電壓的設定可以充分的接近橋堆后輸出電壓，使得恒流二極管不用承載過多的電壓，提高驅動效率，通?？商嵘?5%左右，但是其電流恒定，在輸入電壓過零的時候導致大量的無功功率產生，功率因數較低，一般只有0.5~0.6。

　　恒流二極管實現的非隔離驅動，在電網電壓不穩(wěn)定時，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU*I，因此功率浮動與電壓波動成正比，但是燈具照明效果相對穩(wěn)定，但是由于恒流二極管的價格始終較高，而且其電流驅動能力只有幾十毫安，故而無法得到推廣應用。

　　圖2.2

圖2.3

　　3.阻容降壓

　　圖3.1

　　如圖3.1：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。例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA,但在電容器上并不產生功耗，因為如果電容是一個理想電容,則流過電容的電流為虛部電流,它所作的功為無功功率。根據這個特點，在其后面串聯一個LED模組，只要電流設定正確，那么LED兩端的電壓也必定是額定狀態(tài)下的電壓。

　　因此該方案由于電容主要消耗無功功率，效率較高，但是其功率因數往往非常低，通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接決定了頻閃的顯著與否。

　　因為LED工作需要比較穩(wěn)定的直流環(huán)境，因此該方案常常采用橋式全波整流，但是全波整流產生浮置的地，并在零線和火線之間產生高壓，造成人體觸電傷害，是為比較危險的一種驅動。

　　電網電壓波動時，LED電流也會同比的跟隨變化，因此，其穩(wěn)定性也較差，而且由于電容壽命直接影響容值，使得容值變小，輸出電流也會隨之降低，使得LED球泡燈的光衰倍化加劇。

　　但是，由于其成本低廉，線路非常簡單，而且對LED模塊的工作電壓的范圍幾乎沒有要求，通用性非常高，使得目前大部分廠家采用阻容降壓的方式作為中低功率的球泡燈驅動。

　　4.線性驅動

　　圖4.1

　　圖4.2

　　如圖4.1及4.2：線性驅動，采用一個橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動直流電，然后通過線性恒流芯片根據當前狀態(tài)下的半正弦波電壓值來分段驅動LED模塊，并且限定每一段LED的電流。簡單的說就是電壓達到第一段LED模塊工作電壓時，第一段LED工作，電流限定在紅線的第一個臺階處；電壓達到第一段LED模塊工作電壓與第二段工作電壓之和時，第一段LED和第二段LED同時工作，電流限定在紅線的第二個臺階處；電壓達到三段LED模塊工作電壓總和時，三段LED同時工作，電流限定在紅線的第三個臺階處；該驅動方式在電壓未達到第一段LED模塊工作電壓前，LED不發(fā)光，沒有損耗；電壓超過第一段LED模塊的工作電壓后，通過LED的電流由線性驅動芯片限定，表現為恒定電流狀態(tài)，在達到后段LED工作電壓前，超出的電壓將由芯片內部的MOS吸收，該部分能量為損耗能量。通過合理的LED串聯分段，盡可能使得三段的工作電壓擬合正弦波，充分減小損耗，驅動的效率可提升至90%以上

　　由于其驅動特性是將LED模塊按照阻性負載的特性的模式驅動，因此電流跟隨電壓波形，功率因數可達0.97以上，但LED電流有間斷（頻率為100Hz），故而表現為頻率為100Hz的現象，同時，在周期內，LED亮度是分為6個亮度等級漸變的，可適當緩解頻閃的效果。

　　同樣的,在橋堆后面加上電解電容，能通過降低功率因數來實現無頻閃，在Cin足夠大，將電壓的波谷值拉升至所有LED工作電壓之上，頻閃現象就將完全消失，但是功率因數也會將至0.5左右。如圖4.3

　　圖4.3

在電網電壓不穩(wěn)定時，線性驅動芯片會