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一种无纹波频闪线性高压LED驱动方案中国半导体照明/LED产业与联盟李明峰程增奇姚刃锋张占松摘要：文章简介了无高频开关电源的线性高压LED驱动系统。通过比较传统阻容降压方案和线性高压方案的优缺点，基于高压LED灯的特点以及消费者要求，提供了一种无纹波频闪的线性高压LED方案。关键词：线性高压恒流源驱动DU1501TheTrendofHighVoltageLinearLEDDrivingSolutionChinaSolidStateLightingAllianceLiMingfeng,JakeCheng,YaoRenfeng,ZhangZhansongAbstract:ThispaperpresentsfeaturesofhighvoltagelinearLEDdrivingsystemcomparewithtraditionalswitchingpowerdrivingsystemandRCdrivingsystem.ThefuturekeytechnicalandcostfactorsthatmayinfluencethedevelopmentofHVLEDmarketarelistedandanalyzedindetails.Keyword:LEDConstantCurrentControl/LinearHVLEDDrivingICDU1501一.高压LED“高压LED”，一种是LED生产厂家提供串联好的小功率LED，如图1左图所示，它只是集成LED的一种，而右图所示的集成LED和前者的主要区别是，前者是全部串联，后者是串并联。集成LED的特点是在大晶片上采用开槽的方法，将其切割成若干小LED，然后用绝缘层把这些沟槽填平，按照串并联要求铺设连接各个LED的导线。图1高压LED无论哪种“高压LED”，本文所讨论的线性高压LED驱动方案，是较小电流(小于100mA)，较高电压的LED驱动方案。图2LED负载特性LED的负载特性如图2所示，根据LED的负载特性，高压LED需要有一种可控恒流源来控制。经过整流的工频交流电电压，如果将此电压直接加到输出LED上面，这样的问题是无法实现恒流，即整个工频周期内通过LED电流不恒定。一.无法实现亮度的控制。二.LED灯珠寿命大大缩短。根据控制要求不同，主要的恒流控制方法有：开关电源驱动、阻容降压驱动以及线性高压驱动。二.技术路线PK2.1线性高压驱动vs.高频开关电源驱动在LED灯珠负载里串接MOSFET，让MOSFET闭环受控于LED负载电流，工作在线性区，使线路产生“恒流－变压”效果，这样在LED负载通过的就是恒定电流，而串接的MOSFET承受了变化的电压。这就是类似LDO（LowDropoutRegulator低压差线性稳压器）的工作原理。简单说来，这就是线性高压驱动LED的工作原理。高频开关电源驱动，是通过高频开关、磁性元器件，将交流市电转换为LED需求的电压、电流。高频开关电源驱动又分为隔离和非隔离两种。相比与高频开关电源，线性高压方案的优点主要是：线路简单，电路工作在工频线性模式，不是工作在高频模式，省去了高频电感，同时没有EMI的问题，省去了EMC电路。而高频开关电源驱动相比于线性高压方案，在线路复杂许多，但可以灵活实现各种负载输出需求。两者应用场合不同，严格意义上讲不具有可比性，这就比如你可以比较两种品牌的汽车的功率、扭矩等等，但你拿开汽车跟骑马比哪一种更好呢，因为马匹没有扭矩。我们接下去着重比较线性高压方案和它的主要对手：传统阻容降压方案。2.2线性高压驱动vs.阻容降压驱动阻容降压工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，电容降压实际上是利用容抗限流，而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。如图3所示，由于整流管的导通电阻只有几欧姆，稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右，限流电阻R1及负载电阻RL一般为100~200，而滤波电容一般为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电阻，可以画出图3下图的交流等效电路。同时满足了XC1R的条件,所以可以画出电压向量由于R甚小于XC1，R上的压降VR也远小于C1上的压降，所以VC1与电源电压V近似相等，即VC1=V。根据电工原理可知：串联电容的容抗为12πfC，以1uF、50Hz交流电为例，其容抗XC=3185欧姆，整流后的直流电流平均值Id,与交流电平均值I的关系为Id=VZc。图3阻容降压驱动高压LED示意目前，阻容降压方案依然是市场上存在的用量巨大的方案。存在即合理，它的简单，对于LED市场阶段发展需求，起到了不可磨灭的贡献。但笔者的观点是，阻容降压无法充分发挥LED光源的两大优势：1.长寿命。2.极佳的可控性。长期趋势，阻容降压会渐渐被线性高压和高频开关电源驱动方案所替代。而阻容降压方案当前面临的最大直接竞争对手，就是异军突起的线性高压方案。比较典型的是占空比半导体公司的高压工艺芯片DU1501，单芯片内集成控制器和高压MOSFET，是单开关控制的经典简化方案。LED灯珠负载中串接单个MOSFET，工作在可变电阻区，检测输入交流电压幅值，按比例控制MOSFET门极，从而控制MOSFET漏极到源极压降，这样使多个串联LED灯珠的压降保持恒定，就保证了在一个半波导通的周期内LED的恒流。取18WT8LED日光灯应用，使用线性高压和阻容降压两种方案，请看下文的性能、成本直接对比详解。设计目标：输入电压范围：200~265VAC/50Hz效率：82%输出电压范围：260VDC输出电流：70mA标称输出功率：18W18WT8应用线路图比较图4阻容降压应用线路图图5DU1501线性高压原理图从上面线路图上来看，两种方案外围元器件个数相当，主要是阻容降压两个大容量高压CBB（1uF/400V*2CBB）或更大与高压线性方案控制芯片DU1501的差别；1uF/400VCBB电容市场价大概0.8RMB左右，两个CBB与芯片的成本相当，所以这两种方案从元器件成本上来说是相当；18WT8PCB板上的对比图6阻容降压应用PCB版图（W:17mm;L:90mm）图7DU1501内置于LED灯板（W:12.5mm;L:1170mm）图8局部放大图一图9局部放大图二从上面PCBlayout可以看出，因为DU1501方案只有一个电解是插件，其它均为贴片器件，且10uF/400V电解可内置于T8灯头内，故可省略驱动电源板。而阻容降压因为其两个CBB电容（1uF/400V）的体积大且输出端还有一个电解电容（10uF/400V），无法内置于灯板上。从整个系统上来看，由于DU1501方省去了驱动板，工厂生产和安装上都带来方便，成本上也有下列节省：1).无需连接线材；2).无需驱动PCB;这使得整个系统节省RMB1.0左右。性能对比阻容降压的缺点如下：1).无法恒流，输入电压越大输出电流越大；2).正温度特性，温度越高输出电流越大；3).输出电流纹波大：为100HZ正弦波，存在严重频闪；4).耐电压冲击能力差，输出易产生过冲电流；以上缺点，导致使用阻容降压电源LED普遍光衰严重，整灯寿命短。DU1501内置500VMOSFET＋专利防过冲技术线性高压方案特点：1).闭环恒流；2).负温度特性，智能温度电流补偿，当出现较恶劣的情况可保证LED不损坏；3).无任何输出电流纹波：高频和低频；图10输出电流vs温度曲线图10显示的是DU1501内置的电流温度补偿功能。当芯片结温上升到105度，输出电流参考从100%下降到30%，这不是简单的温度保护，而是一种补偿式温度保护功能。在实际使用中会大大提高电路的可靠性。图11效率VS输入电压05101520-40-30-20-103040506070809010011012013014015050%55%60%65%70%75%80%85%90%95%100%200210220230240ηVin(V)ηvs.VinVo=260V图12负载调整率图13输入：230Vac、输出：260V/70mA的输出电流波形专利防输出电流过冲技术消除了切换时的过冲，减小了纹波。小计：DU1501内置500VMOSFET&专利防过冲技术线性高压方案与阻容降压方案对比，技术上有重大突破，整体系统成本也有下降，是一种更为先进技术。其主要局限是只能应用于单电压，并较难实现0.9以上的PF。下一节，我们简单探讨分段线性高压和单段线性高压各自的优缺点对比。2030405060708090100200210215220230240Io(mA)Vin(V)Iovs.VinVo=260V2.3线性高压：分段vs.单段图14单路线性恒流图15分段线性恒流单路线性恒流：在交流输入应用中，输入端需要电解电容滤波。输入的PF、THD、成本都将受到影响。分段线性恒流：在交流输入应用中，无需电解电容，可以做到高PF、低的THD。但是，LED灯光的应用率会下降15%~30%。分段线性恒流的经典代表是上海占空比的DU1703系列。根据应用需求，工程人员可自行选择。本文不详细介绍分段线性恒流方案，另文纤细介绍。三.市场前景展望LED技术发展方向主要是两条线索。一条主线是沿着智能化方向发展，走高端路线。利用LED光源有别于传统光源的可控性实现各种智能化控制，包括色温、亮度、声控、入互联网遥控等等。这类技术实际上早在10年前已经有成熟方案，但关键在于创造需求，一旦消费者消费习惯发展改变，必然会爆发。另一条技术发展主线就是顺应趋势，降低整灯成本以吸引消费者，改变LED灯昂贵的印象，从而发掘出巨大需求。一味追求成本，摈弃品质的做法反而会伤害整个产业。线性高压驱动方案，是一条不容忽视的重要选择。本文提供的方案是一种较优选择，基于上海占空比公司的DU1501的线性高压LED驱动方案，主要特点是无工频频闪，线路简单，相比于开关电源省略电感、开关管等器件，在降成本的同时，提供了系统可靠性，同时由于线路不工作在高频开关状态，也就省略了解决EMI问题的线路。与阻容降压方案对比，成本相当，寿命增长，无频闪、无灯珠光衰问题，恒流精度大幅提升。本方案的美中不足是无法实现高PF，分段式控制的DU1703方案可以实现极高PF，另文有详细介绍。两种方案各做了折衷选择。定稿日期：2013-03-01作者简介：李明峰，2003年浙江大学电力电子专业硕士毕业。曾就职于艾默生网络能源、美国IR公司全球技术支持中心。在IEEE及国内核心电力电子期刊发表数十篇技术论文，近年来专注于LED照明市场趋势研究及行业优势资源整合。程增奇，曾就职于BCD半导体期间，独立研发GE、Philips大量LED驱动项目，对LED驱动技术发展趋势有独到见解。目前就职于占空比半导体公司从事市场推广工作。姚刃锋，曾就职于九洲光电，专注LED驱动电源设计。目前就职于上海占空比公司，负责华南地区技术支持工作，提供整体驱动解决方案。张占松：广东工业大学教授，先后工作于中国科学院、科技学院工学院。八十年代在美国重点研究开关电源的基本拓扑，著作有《高频开关稳压电源》，《开关电源原理与设计》，《电路与系统仿真实践》，翻译有《开关电源手册》等书，长期担任广东省电源学会理事长，中国电源学会副理事长等职，并任9家电源类杂志的编委。