四代線性高壓LED驅動方案及其發展趨勢

一. 高壓LED

“高壓LED”，一種是LED生產廠家提供串聯好的小功率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和前者的主要區別是，前者是全部串聯，后者是串并聯。集成LED的特點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，按照串并聯要求鋪設連接各個LED的導線。

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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驅動方案，是較小電流(理論小于100mA)，較高電壓的LED驅動方案。

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圖 2 LED 負載特性

LED 的負載特性如圖2 所示，根據LED 的負載特性，需要有一種可控恒流源來控制。經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現恒流，即整個工頻周期內通過LED 電流不恒定。一. 無法實現亮度的控制。二. LED 燈珠壽命大大縮短。

而高頻開關電源，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 燈珠負載里串接有源或無源器件，使線路產生“恒流-變壓”效果，這樣在LED負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 低壓差線性穩壓器)的工作原理。下面詳細介紹這種實現恒流的驅動方式及其發展趨勢。

相比與高頻開關電源，線性高壓方案的優點主要有：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，進一步降低成本。

二. 四代HV LED 驅動方法

線性高壓 LED 驅動方案發展到今天，已經經歷了四代。

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生的容抗來限制最大工作電流，電容降壓實際上是利用容抗限流，而電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器和負載兩端電壓的角色。如圖3所示，由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩壓管VS的動態電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻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。根據電工原理可知：串聯電容的容抗為，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的關系為Id=V/Zc。

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圖3 阻容降壓驅動高壓LED示意

阻容降壓線路極簡，主要優點是低成本。缺點如下：1. 恒流不準，輸入電壓波動時，電流隨之波動。2. PF值低，從輸入端看，負載呈容性。 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，也是單開關控制方法。恒流二極管不同于普通的二極管，它的的負載曲線有一段較長的“恒流-變壓”區，類似三極管的可變電阻區，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，特點是輸出的恒流可以利用調整端加外部元器件進行調整,較適合做LED調光電路。另外一個特點是，若不使用調整電流時,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和恒流三極管的區別是：前者是壓控電流源，后者是電流控制電流源。

LED燈珠負載中串接單個MOSFET，其工作在可變電阻區，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LED燈珠的壓降保持恒定，就保證了在一個半波導通的周期內LED的恒流。比較典型的是占空比半導體公司的高壓工藝芯片DU1501，單芯片內集成控制器和高壓MOSFET，是第二代單開關控制的經典簡化方案。