隨著技術(shù)的發(fā)展，LED光源的光效不斷提升、有效壽命時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的氣體放電光源，LED路燈的應(yīng)用越來越廣泛。市場(chǎng)上絕大多數(shù)的LED路燈使用的都是直流(以下簡(jiǎn)稱DC)驅(qū)動(dòng)的方式，DC電源的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，工作電壓范圍寬。但同時(shí)受制于DC驅(qū)動(dòng)電源電路的復(fù)雜性，以市場(chǎng)上使用較多的120W LED路燈電源舉例，電子元器件的數(shù)量數(shù)百個(gè)，這樣帶來龐大的物料管理成本和生產(chǎn)管理成本;另外，DC電源都要使用到的電解電容的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED光源的壽命，這樣客觀上也使得LED路燈使用的后期維護(hù)成本大大提升。

 本文要介紹的是一種原理上不同于DC驅(qū)動(dòng)的LED路燈技術(shù)，交流(以下簡(jiǎn)稱AC)直接連接到LED光源，使用線性開關(guān)的方式控制LED光源的開通，所使用的高壓(以下簡(jiǎn)稱HV)LED光源的工作電壓超過50V，這種工作方式簡(jiǎn)稱為AC-HV技術(shù)。

        一、AC-HV路燈工作原理及特性分析

        1.AC 驅(qū)動(dòng)方式的電路原理

 如圖1：

圖1  AC 驅(qū)動(dòng)方式的電路原理

 AC輸入電壓由ACL、ACN輸入，經(jīng)過BD1全橋整流后的脈動(dòng)交流電直接連接到由LED1~LED5組成的光源模組，專用驅(qū)動(dòng)芯片控制的S1、S2、S3、S4在對(duì)應(yīng)的四個(gè)開啟電壓點(diǎn)分別把LED1～LED5點(diǎn)亮;由R1、R2、R3、R4電阻檢測(cè)每個(gè)LED導(dǎo)通時(shí)的電流反饋回驅(qū)動(dòng)芯片，通過與芯片內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電平Vref比較來控制S1~S5的導(dǎo)通狀態(tài)，以此來達(dá)到控制LED工作的功率。S1~S4在電路中處于放大狀態(tài)，調(diào)節(jié)每個(gè)LED回路的導(dǎo)通電流，工作電壓電流波形圖如圖2。

圖2  AC輸入電壓電流表波形圖

        2.系統(tǒng)效率分析

 為了分析方便，假設(shè)輸入電壓為220VAC 50Hz，5組LED的導(dǎo)通電壓均為50V，在輸入呈正弦變化的輸入電壓分別達(dá)到100V、150V、200V、250V時(shí)LED1至LED5分別導(dǎo)通，其工作狀態(tài)如圖3。

圖3 AC HV 開關(guān)工作狀態(tài)

 為了分析方便，我們分析1/4導(dǎo)通周期內(nèi)LED模組上的電壓和電流信號(hào)，假設(shè)輸入電流為I1，4塊陰影部分分別代表了4組LED導(dǎo)通時(shí)候的電流。輸入電壓到達(dá)LED的門限開啟電壓后LED工作在恒流狀態(tài)，如圖4所示，超過LED正向?qū)▔航档膲航禃?huì)落在S1～S4開關(guān)上，如圖中所示打紅叉的部分。整個(gè)電路回路中主要的功耗來自于4個(gè)處于放大狀態(tài)的開關(guān)管，在輸入電壓不高于250V時(shí)，S1～S4近似于工作在開關(guān)模式，損耗較小，輸入電壓超過250V時(shí)，所增加的電壓全部落在S4上，所以S4的損耗最大，下面就電源的系統(tǒng)效率做近似的分析。

圖4  AC 驅(qū)動(dòng)電流電壓波形模型

 輸入功率Pin等于輸入電壓為正弦的包絡(luò)電壓，輸入電流為第一串LED的工作電流，即I1，其計(jì)算結(jié)果：

 輸出功率為圖4所示的陰影部分的面積，第1階段LED沒有導(dǎo)通，從第2階段到第5階段為L(zhǎng)ED實(shí)際導(dǎo)通時(shí)將，其計(jì)算結(jié)果：

 系統(tǒng)電源效率近似的計(jì)算結(jié)果為188/161=86%，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如果分段開關(guān)的級(jí)數(shù)越高，陰影部分的面積也接近電壓包絡(luò)，其Pout也越接近Pin，理論上，級(jí)數(shù)為無(wú)窮大時(shí)，Pout等同于Pin，也就是系統(tǒng)電源效率為100%。

        3.可靠性分析

 排除線路設(shè)計(jì)問題以及使用環(huán)境的差異，電子線路的失效一般由電子元器件的失效造成，那么理論上系統(tǒng)總的可靠度(Reliability)由每個(gè)元器件的可靠度相乘而得，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)的器件數(shù)量為100個(gè)，那么系統(tǒng)總的可靠度可以表述為：

 Rsystem=R1×R2×R3×...R100

 下面我們來對(duì)比一下AC技術(shù)和DC驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)可靠性，AC技術(shù)所使用的電子元器件為電阻和半導(dǎo)體器件，數(shù)量不超過20個(gè)，而DC驅(qū)動(dòng)電源的電子元器件一般由電阻、電容、半導(dǎo)體器件、電解電容等構(gòu)成，器件的總數(shù)可達(dá)上百個(gè)，兩種方式的可靠性分別為

 假設(shè)所涉及的元器件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)失效率為萬(wàn)分之五，那么計(jì)算結(jié)果是：

 顯而易見，AC技術(shù)的系統(tǒng)可靠性要優(yōu)于DC驅(qū)動(dòng)電源，且隨著功率的增加，DC電源的電路復(fù)雜程度更高，電子元器件數(shù)量更大，系統(tǒng)可靠性差異將進(jìn)一步凸顯。

 4.調(diào)光特性

 通過調(diào)整交流輸入電壓波形的導(dǎo)通相位角而實(shí)現(xiàn)調(diào)光的切相調(diào)光方式在傳統(tǒng)的白熾燈調(diào)光中得到廣泛地應(yīng)用。這種方法使用到AC驅(qū)動(dòng)模組上是否也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光呢?試驗(yàn)結(jié)果表明，切相調(diào)光方法在分段線性電源驅(qū)動(dòng)的LED裝置中是可以實(shí)現(xiàn)功率調(diào)整功能的，但是在調(diào)整過程中，會(huì)帶來程度不一的可見頻閃以及嚴(yán)重的EMI問題。

 從圖6中可看出，由于雙向可控硅調(diào)光器在正負(fù)半周的切相不完全對(duì)稱，它在給LED模組作切相調(diào)光時(shí)，在工頻輸入端的正負(fù)半周產(chǎn)生不對(duì)稱的切相角，正半周導(dǎo)通時(shí)間2.45ms，負(fù)半周導(dǎo)通時(shí)間2.13ms，LED模組中流過50Hz的驅(qū)動(dòng)電流，導(dǎo)致明顯的頻閃。

圖6  切相調(diào)光方式下交流輸入電流波形

 為了在AC驅(qū)動(dòng)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)深度調(diào)光，同時(shí)避免在深度調(diào)光時(shí)電源芯片的誤動(dòng)作和LED的頻閃，我們可以采用調(diào)幅調(diào)光的方式來實(shí)現(xiàn)。該方法的示意圖在圖7中給出，這種調(diào)光方法的原理是使用標(biāo)準(zhǔn)的1～10V模擬調(diào)光信號(hào)，先轉(zhuǎn)換為0V～1V的直流電平，再將該直流電平送到驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部和基準(zhǔn)電平做比較。當(dāng)輸入電平由0V到1V調(diào)整過程中，芯片內(nèi)部可以改變輸出驅(qū)動(dòng)S1～S4的信號(hào)，使得S1～S4處于不同的放大狀態(tài)，這時(shí)候落在S1～S4上的電壓高低變化決定了流過LED模組上電流的大小，試驗(yàn)表明，通過1～10V電壓的改變，可以實(shí)現(xiàn)LED的線性調(diào)光。

圖7  交流驅(qū)動(dòng)LED可控電流源偏置調(diào)幅調(diào)光的示意圖

 圖8波形表明，調(diào)幅調(diào)光的方法可以在AC驅(qū)動(dòng)的LED模組中實(shí)現(xiàn)深度調(diào)光的目的，同時(shí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，無(wú)絲毫的頻閃出現(xiàn)，也無(wú)EMI的問題。

圖8  調(diào)幅調(diào)光不同調(diào)光幅度下的交流輸入電流波形

        二、實(shí)際產(chǎn)品性能測(cè)試分析

 以上海亞明照明有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的30W模組為例，下面圖9給出了具體的模組和120W路燈燈具的實(shí)物圖片。從單獨(dú)模組上看，LED光源和AC驅(qū)動(dòng)電源全部貼片安裝在同一個(gè)PCB上;燈具由4個(gè)單獨(dú)的模組組成且模組的數(shù)量可以自由增加或減少，模組有獨(dú)立的防水能力，可以直接更換其中一個(gè)模組而不影響其他模組的使用，這樣的結(jié)構(gòu)給無(wú)論是生產(chǎn)組裝還是后期維護(hù)都帶來極大的便利。

圖9  AC HV 30W模組和120W路燈

 為了更清楚地對(duì)比AC-HV技術(shù)和傳統(tǒng)的DC驅(qū)動(dòng)技術(shù)，下面表1給出了AC和DC兩種驅(qū)動(dòng)方式的120W路燈的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

 由上述的數(shù)據(jù)可見，在電性能參數(shù)方面AC-HV技術(shù)和DC驅(qū)動(dòng)技術(shù)幾乎不相上下，但在燈具尺寸、重量和壽命上，AC-HV技術(shù)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

 下面圖10還給出了AC-HV模組的調(diào)光特性曲線，由圖可見，調(diào)光功率涵蓋了100%低至0%的范圍，且在調(diào)光過程中，模組功率始終保持平滑的線性關(guān)系。

 AC驅(qū)動(dòng)條件下LED的脈動(dòng)正向工作電流是否會(huì)造成LED的光束加速呢?讓我們通過連續(xù)4000小時(shí)光衰數(shù)據(jù)來說明，只要最大導(dǎo)通電流不超過額定值，那么光衰的表現(xiàn)和DC是一個(gè)結(jié)果如圖11。

圖11  AC HV 路燈光衰曲線

 由以上數(shù)據(jù)顯而易見，經(jīng)過4000小時(shí)的點(diǎn)燈測(cè)試，基本沒有產(chǎn)生光衰，說明AC工作方式不會(huì)加速LED的光衰過程。

 三、總結(jié)

 AC技術(shù)路燈實(shí)現(xiàn)了模組標(biāo)準(zhǔn)化，且單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)防水功能，彼此不影響使用，這種變化大大區(qū)別于傳統(tǒng)的DC電源技術(shù)，其主要的核心來自于AC驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具體來說，其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

 1.所使用的電子元器件數(shù)量少，種類少，規(guī)格少，便于物流管理;

 2.模組上使用的所有器件均為貼片安裝，體積小，高度低，便于光學(xué)透鏡設(shè)計(jì);

 3.無(wú)電解電容設(shè)計(jì)，所使用的元器件為電阻和半導(dǎo)體器件，相差無(wú)幾的工作環(huán)境，理論上這些元器件的壽命等同于LED光源的壽命;

 4.線路中的開關(guān)管工作在低頻放大狀態(tài)，幾乎沒有高頻干擾;

 5.可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光源和驅(qū)動(dòng)的集成式封裝，即LED光源和電子元器件在封裝端同步組裝，進(jìn)一步縮短工藝流程，模組的體積更小，給其他類型的燈具的設(shè)計(jì)帶來極大的想象空間;

 無(wú)論從材料成本本身，還是組裝過程，AC技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的大幅度簡(jiǎn)化，這給LED燈具的競(jìng)爭(zhēng)力提高提供了極為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志第39期）