南京科技職業(yè)學(xué)院 王 運(yùn) 劉金鑫 馮 薇

基于集成芯片的交流直接驅(qū)動(dòng)LED電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南京科技職業(yè)學(xué)院 王 運(yùn) 劉金鑫 馮 薇

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款利用集成芯片交流直接驅(qū)動(dòng)的50WLED電源，沒(méi)有電解電容和變壓器，具有高效率和高功率因數(shù)，體積小、壽命長(zhǎng)，是目前去電源化趨勢(shì)下LED燈具驅(qū)動(dòng)電路的新興產(chǎn)品。分析了分段式恒流驅(qū)動(dòng)LED電路的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了主要元件參數(shù)和實(shí)測(cè)結(jié)果。

交流直接驅(qū)動(dòng)；分段式恒流驅(qū)動(dòng)；LED

1　引言

LED具有壽命長(zhǎng)節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富等顯著優(yōu)點(diǎn)。是全球新興產(chǎn)業(yè)，LED 有巨大節(jié)能作用，將會(huì)取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。

由于LED的導(dǎo)通工作電壓只有幾伏，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電源需要把220V的交流電進(jìn)行降壓、整流、濾波，或是利用開關(guān)電源降壓，這樣不可避免地浪費(fèi)部分能源降低效率，同時(shí)電路中必須使用的變壓器和電解電容等元件增大了燈具的體積和限制了燈具的使用壽命。

2006年來(lái)自新加坡的山本建司和林國(guó)強(qiáng)提出的分段交流直接驅(qū)動(dòng)方案，根據(jù)整流后的瞬時(shí)電壓的不同，點(diǎn)亮數(shù)量不同的LED。該方案于2011年3月獲得專利權(quán)。隨后各個(gè)國(guó)家利用此方法開發(fā)出不同功率的驅(qū)動(dòng)集成芯片，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)電源無(wú)變壓器，無(wú)電感，無(wú)電容，體積小，效率高、功率因數(shù)（PF）高，成為目前去電源化趨勢(shì)下LED燈具驅(qū)動(dòng)電路的新興產(chǎn)品。

本設(shè)計(jì)選用國(guó)內(nèi)某公司的四段式交流直接驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的50WLED模組電路。

2　主要芯片介紹

芯片引腳圖見圖1，封裝形式為TSSOP14，引腳功能見表1。該芯片利用外部電阻，可以分別設(shè)置四段的LED電流，內(nèi)置恒光通控制，補(bǔ)償因輸入電壓變化引起的光通輸出變化。

圖1　芯片引腳圖

表1　引腳功能說(shuō)明

3　電路結(jié)構(gòu)及原理

電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中LED1、LED2、LED3、LED4代表一組由單顆1W的LED燈珠串并聯(lián)組成的LED串，芯片內(nèi)部的控制器可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同正向電壓的LED串，但是總的LED串聯(lián)電壓需要小于輸入交流電壓的峰值。電子開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4采用常用的耗盡型MOSFET，其具有響應(yīng)速度高，噪音系數(shù)低，輸出阻抗很大等特點(diǎn)、電流具有負(fù)溫度系數(shù)，具有自我保護(hù)功能。

220V市電經(jīng)過(guò)熔斷器F1、壓敏電阻MOV的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，再經(jīng)過(guò)小電容濾除電網(wǎng)高頻紋波直接送給整流橋BD進(jìn)行全波整流。驅(qū)動(dòng)芯片U1和四組LED串直接由整流橋輸出的0.9*220V的脈動(dòng)直流電壓UA供電，UA為全波整流波形。

當(dāng)UA從0V開始上升時(shí)，到達(dá)LED1的開啟電壓Vf值時(shí)，只有LED1串和Q1導(dǎo)通，同時(shí)芯片內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)控制電路通過(guò)控制MOS管的柵極電壓，控制LED1的電流恒流定在I1，I1流經(jīng)檢測(cè)電阻R1、R2、R3、R4的串聯(lián)電路，LED1串被恒光通點(diǎn)亮。當(dāng)UA繼續(xù)上升達(dá)到LED1的Vf與LED2的Vf的和時(shí)，芯片控制關(guān)斷Q1，同時(shí)打開Q2控制LED1和LED2保持在恒流導(dǎo)通狀態(tài)2，電流上升為I2，I2經(jīng)過(guò)R2、R3、R4，R1被短接。以此類推，隨著UA逐漸上升，依次打開后一個(gè)電子開關(guān)同時(shí)關(guān)斷前一個(gè)電子開關(guān)，增加新一組的LED串進(jìn)入新的恒流狀態(tài)，直至Q4打開，所有LED燈珠被點(diǎn)亮，電流I4達(dá)到最大，只流過(guò)R4。然后UA從峰值下降，芯片控制電路反向順序工作，LED4、LED3、LED2、LDE1被依次熄滅。然后周而復(fù)始。

芯片內(nèi)部的控制電路會(huì)檢測(cè)輸入電壓與流經(jīng)每段LED的電流，據(jù)此來(lái)決定內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的運(yùn)作。內(nèi)部控制邏輯根據(jù)不同分段的LED電流和AC輸入電壓，設(shè)置外部MOSFET工作在打開、關(guān)斷、線性恒流模式。流經(jīng)LED的電流由VREFI與檢測(cè)電阻R1、R2、R3、R4決定。

第一個(gè)階梯電流I1=VREFI/(R1+R2+R3+R4)

第二段階梯電流I2=VREFI/(R2+R3+R4)

第三段階梯電流I3=VREFI/(R3+R4)

第四段階梯電流I4=VREFI/R4

階梯電流波形接近正弦波形，從而大大提高PF值。

圖2　電路原理圖

4　電路實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)為一款50WLED驅(qū)動(dòng)模組電路。負(fù)載采用56顆3.5V/300mA的1WLED燈珠，安裝在1.5mm厚的鋁基板上，LED燈珠采用 32/8/8/8的方式4段串聯(lián)，其中LED1串連接方式見圖3，其余三串全部為串聯(lián)，這樣的好處是LED利用率增加，總的光通量增加，但一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間減少，頻閃加重。

電路選用的MOS管為2N60，同時(shí)為安全和控制結(jié)溫，第四階段采用兩個(gè)MOS管Q4和Q5并聯(lián)工作。利用穩(wěn)壓管D1把芯片的VCC箝制在9.1V。標(biāo)準(zhǔn)參考電壓VREFO為1V，通過(guò)R5分壓調(diào)整，VREFI輸入電壓為0.25V。穩(wěn)壓二極管D2和D3都是起箝位作用，只是VREFI電壓很低，所以利用二極管正向?qū)▔航颠M(jìn)行電位箝制，防止因意外或干擾電壓升高引起所設(shè)定的恒定電流變大從而燒壞LED。

實(shí)例中選擇電流檢測(cè)反饋電阻R1、R2、R3、R4分別為0.68、0.2、0.1、0.91歐姆。實(shí)際用照表測(cè)量在一米處照度為1650Lux。實(shí)測(cè)電路效率約為90%，功率因數(shù)0.94。

圖3　第一段LED1串連接圖

5　結(jié)論

本文介紹了一種基于集成芯片的交流直接驅(qū)動(dòng)50WLED電源，采用4段分段恒光通控制的目前最新的去電源控制方案，具有高效率、高功率因數(shù)、低成本、小體積、性能穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。并且可以在此基礎(chǔ)之上組成100W、150W等多種規(guī)格的模組電路。該電路可以廣泛應(yīng)用于投光燈、工礦燈、防爆燈、路燈等，應(yīng)用前景廣泛。

[1]慎邦威,于德魯,楊馥瑞,沈建華,許鍵.基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)特性控制AC-LED晶粒分段導(dǎo)通的研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2014,25(6):105-111.

[2]李云霄,云永利.LED照明AC電源驅(qū)動(dòng)[C].海峽兩岸第十九屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì)專題報(bào)告暨論文集.北京:中國(guó)照明學(xué)會(huì),2012.

[3]蔣天堂.LED的特性及驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù),2010,47(9):58-60.