LED球泡燈驅(qū)動(dòng)分析

　　前言

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

　　在這大勢(shì)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(zhì)也會(huì)參差不齊。作為L(zhǎng)ED球泡燈內(nèi)部不可或缺的驅(qū)動(dòng)電源，其品質(zhì)很大程度上決定了一個(gè)球泡燈的安全與否及品質(zhì)好壞。

　　驅(qū)動(dòng)電源基本分為非隔離驅(qū)動(dòng)及隔離驅(qū)動(dòng)兩大類：

　　一、非隔離驅(qū)動(dòng)

　　非隔離驅(qū)動(dòng)（non--isolated power）是指在輸入端和負(fù)載端之間沒(méi)有通過(guò)變壓器進(jìn)行電氣隔離，而又直接連接，輸入端和負(fù)載端共地，因此觸摸負(fù)載就有觸電的危險(xiǎn)。目前用得最多的是非隔離直接降壓型驅(qū)動(dòng)。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(jìn)行降壓和恒流控制，非隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、簡(jiǎn)單、體積小、效率高。

　　當(dāng)非隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí)，使用鋁材（金屬）外殼無(wú)法做到安全性的標(biāo)準(zhǔn)（輸入對(duì)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(dǎo)熱塑料、塑包鋁等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而采用導(dǎo)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(wú)法有效的散熱。在這樣一個(gè)LED競(jìng)爭(zhēng)激烈的大環(huán)境下，很大一部分商家為了追求利潤(rùn)及銷售額，無(wú)視安全因素制造大量非隔離金屬外殼的球泡燈，又或無(wú)視產(chǎn)品品質(zhì)制造大量塑殼球泡燈，同時(shí)燈具的功率往往虛標(biāo)30%以上。

　　目前球泡燈上應(yīng)用最多的幾種非隔離驅(qū)動(dòng)如下：

　　1.電阻限流式

　　圖1.1

　　如圖1.1：電阻限流式驅(qū)動(dòng)，僅采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，通過(guò)限流電阻來(lái)限定LED的平均電流。該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到LED模塊（由多個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成）開(kāi)啟電壓前，LED不發(fā)光；電壓超過(guò)LED模塊的開(kāi)啟電壓后，通過(guò)LED的電流逐漸增加，表現(xiàn)形式為I=（U-Uon）/R，經(jīng)過(guò)LED的電流會(huì)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(lán)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(shí)候也有大小變化，故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的頻閃現(xiàn)象。

　　如圖1.2所示，LED模組串聯(lián)個(gè)數(shù)較多（即開(kāi)啟電壓需求較高）、限流電阻較小時(shí)，LED電流斷續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頻閃效果明顯，但是電阻上消耗的能量較?。t線電流與藍(lán)線電壓的積分），即效率相對(duì)較高。

　　如圖1.3所示，LED模組串聯(lián)個(gè)數(shù)較少（即開(kāi)啟電壓需求較低）、限流電阻較大時(shí)，LED電流斷續(xù)時(shí)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(duì)很低。

　　電阻限流式非隔離驅(qū)動(dòng)，在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，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(dòng)的平方變化，使得燈具非常容易長(zhǎng)時(shí)間在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度下工作，壽命減短。

　　該驅(qū)動(dòng)方案由于負(fù)載主要呈現(xiàn)為阻態(tài)，電壓過(guò)零的時(shí)候不存在電流，故而功率因數(shù)較高接近1，不過(guò)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(dǎo)致很多生產(chǎn)商生產(chǎn)該類產(chǎn)品，LED球泡燈的品質(zhì)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(qū)動(dòng)，采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，通過(guò)恒流二極管來(lái)限定LED的電流。該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到LED模塊（由多個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成）開(kāi)啟電壓前，LED不發(fā)光；電壓超過(guò)LED模塊的開(kāi)啟電壓后，通過(guò)LED的電流由恒流二極管限定，表現(xiàn)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(shù)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(lán)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(shí)候表現(xiàn)為恒流狀態(tài)，故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象，同樣，由于恒流二極管限定了通過(guò)的電流，其兩端必定會(huì)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(shù)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(qū)動(dòng)方案就表現(xiàn)為無(wú)頻閃，而且，由于電解電容將橋堆后的電壓波動(dòng)降低了，因此LED模組的電壓的設(shè)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(guò)多的電壓，提高驅(qū)動(dòng)效率，通?？商嵘?5%左右，但是其電流恒定，在輸入電壓過(guò)零的時(shí)候?qū)е麓罅康臒o(wú)功功率產(chǎn)生，功率因數(shù)較低，一般只有0.5~0.6。

　　恒流二極管實(shí)現(xiàn)的非隔離驅(qū)動(dòng)，在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU*I，因此功率浮動(dòng)與電壓波動(dòng)成正比，但是燈具照明效果相對(duì)穩(wěn)定，但是由于恒流二極管的價(jià)格始終較高，而且其電流驅(qū)動(dòng)能力只有幾十毫安，故而無(wú)法得到推廣應(yīng)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(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因?yàn)槿绻娙菔且粋€(gè)理想電容,則流過(guò)電容的電流為虛部電流,它所作的功為無(wú)功功率。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在其后面串聯(lián)一個(gè)LED模組，只要電流設(shè)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(wú)功功率，效率較高，但是其功率因數(shù)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?yàn)長(zhǎng)ED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(chǎn)生浮置的地，并在零線和火線之間產(chǎn)生高壓，造成人體觸電傷害，是為比較危險(xiǎn)的一種驅(qū)動(dòng)。

　　電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，LED電流也會(huì)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(huì)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(jiǎn)單，而且對(duì)LED模塊的工作電壓的范圍幾乎沒(méi)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(qū)動(dòng)。

　　4.線性驅(qū)動(dòng)

　　圖4.1

　　圖4.2

　　如圖4.1及4.2：線性驅(qū)動(dòng)，采用一個(gè)橋堆，將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，然后通過(guò)線性恒流芯片根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下的半正弦波電壓值來(lái)分段驅(qū)動(dòng)LED模塊，并且限定每一段LED的電流。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是電壓達(dá)到第一段LED模塊工作電壓時(shí)，第一段LED工作，電流限定在紅線的第一個(gè)臺(tái)階處；電壓達(dá)到第一段LED模塊工作電壓與第二段工作電壓之和時(shí)，第一段LED和第二段LED同時(shí)工作，電流限定在紅線的第二個(gè)臺(tái)階處；電壓達(dá)到三段LED模塊工作電壓總和時(shí)，三段LED同時(shí)工作，電流限定在紅線的第三個(gè)臺(tái)階處；該驅(qū)動(dòng)方式在電壓未達(dá)到第一段LED模塊工作電壓前，LED不發(fā)光，沒(méi)有損耗；電壓超過(guò)第一段LED模塊的工作電壓后，通過(guò)LED的電流由線性驅(qū)動(dòng)芯片限定，表現(xiàn)為恒定電流狀態(tài)，在達(dá)到后段LED工作電壓前，超出的電壓將由芯片內(nèi)部的MOS吸收，該部分能量為損耗能量。通過(guò)合理的LED串聯(lián)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(qū)動(dòng)的效率可提升至90%以上

　　由于其驅(qū)動(dòng)特性是將LED模塊按照阻性負(fù)載的特性的模式驅(qū)動(dòng)，因此電流跟隨電壓波形，功率因數(shù)可達(dá)0.97以上，但LED電流有間斷（頻率為100Hz），故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象，同時(shí)，在周期內(nèi)，LED亮度是分為6個(gè)亮度等級(jí)漸變的，可適當(dāng)緩解頻閃的效果。

　　同樣的,在橋堆后面加上電解電容，能通過(guò)降低功率因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(xiàn)象就將完全消失，但是功率因數(shù)也會(huì)將至0.5左右。如圖4.3

　　圖4.3

在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)