LED球泡灯驱动分析

前言

　　随着LED的发展以及节能减排的国际大势，LED灯具及光源向民用市场大规模进军。而作为民用光源里面最为普遍的白炽灯，欧洲已经在2012年禁止白炽灯生产和销售，美洲在2014年也禁止了40W及其以上白炽灯的生产和销售，中国已于2012年10月禁止了100W以上白炽灯的生产和销售，同时将会在2014年10月1日禁止60W及以上白炽灯的生产和销售，将于2016年10月1日禁止15W及以上白炽灯的生产和销售。

　　在这大势下，作为白炽灯的直接替代光源，LED球泡灯的用量将得到巨大的提升。其品质也会参差不齐。作为LED球泡灯内部不可或缺的驱动电源，其品质很大程度上决定了一个球泡灯的安全与否及品质好坏。

　　驱动电源基本分为非隔离驱动及隔离驱动两大类：

一、非隔离驱动

　　非隔离驱动（non-isolated power）是指在输入端和负载端之间没有通过变压器进行电气隔离，而又直接连接，输入端和负载端共地，因此触摸负载就有触电的危险。目前用得最多的是非隔离直接降压型驱动。也就是把交流电整流以后得到直流高压，然后就直接用降压（Buck）电路进行降压和恒流控制，非隔离驱动的优点是成本低、简单、体积小、效率高。

　　当非隔离驱动应用于球泡灯时，使用铝材（金属）外壳无法做到安全性的标准（输入对外壳要求耐压4KV），故而外壳必须采用绝缘材料加工，通常有塑料、导热塑料、塑包铝等形式来实现。然而采用导热塑料或者塑包铝的形式又使得LED球泡灯的成本增加，采用塑料加工成的外壳又无法有效的散热。在这样一个LED竞争激烈的大环境下，很大一部分商家为了追求利润及销售额，无视安全因素制造大量非隔离金属外壳的球泡灯，又或无视产品品质制造大量塑壳球泡灯，同时灯具的功率往往虚标30%以上。

　　目前球泡灯上应用最多的几种非隔离驱动如下：

　　1.电阻限流式

　　图1.1

　　如图1.1：电阻限流式驱动，仅采用一个桥堆，将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电，通过限流电阻来限定LED的平均电流。该驱动方式在电压未达到LED模块（由多个LED串联构成）开启电压前，LED不发光；电压超过LED模块的开启电压后，通过LED的电流逐渐增加，表现形式为I=（U-Uon）/R，经过LED的电流会随着电压的变化而变化。

　　如图1.2所示（绿线表示桥堆输出端电压，红线表示LED电流，蓝线表示电阻R上的电压），LED电流有间断（频率为100Hz），LED电流存在的时候也有大小变化，故而表现为频率为100Hz的频闪现象。

　　如图1.2所示，LED模组串联个数较多（即开启电压需求较高）、限流电阻较小时，LED电流断续时间长，频闪效果明显，但是电阻上消耗的能量较小（红线电流与蓝线电压的积分），即效率相对较高。

　　如图1.3所示，LED模组串联个数较少（即开启电压需求较低）、限流电阻较大时，LED电流断续时间短，频闪效果较不明显，但是电阻上消耗的能量较大，效率相对很低。

　　电阻限流式非隔离驱动，在电网电压不稳定时，球泡灯的功率变化为ΔP=ΔU2/R，因此功率极其不稳定，造成照明亮度变化明显，而且功率随着电压波动的平方变化，使得灯具非常容易长时间在超过标准温度下工作，寿命减短。

　　该驱动方案由于负载主要呈现为阻态，电压过零的时候不存在电流，故而功率因数较高接近1，不过由于限流电阻的存在其效率很差通常只有30%~65%的效率，但是由于该方案成本非常低廉，导致很多生产商生产该类产品，LED球泡灯的品质很难得到保证，其安全性也难以得到保证。

　　图1.2

图1.3

2.恒流二极管限流

　　图2.1

　　如图2.1：恒流二极管驱动，采用一个桥堆，将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电，通过恒流二极管来限定LED的电流。该驱动方式在电压未达到LED模块（由多个LED串联构成）开启电压前，LED不发光；电压超过LED模块的开启电压后，通过LED的电流由恒流二极管限定，表现为恒定电流状态。桥堆后面的电容是平衡效率及功率因数用的。

　　不加桥堆后的电解电容，如图2.2所示（绿线表示桥堆输出端电压，红线表示LED电流，蓝线表示恒流二极管CCD上的电压），LED电流有间断（频率为100Hz），但是LED电流存在的时候表现为恒流状态，故而表现为频率为100Hz的现象，同样，由于恒流二极管限定了通过的电流，其两端必定会承载超出LED工作电压的那部分电压，因此效率较低，通常在70%左右，但是其电流基本跟随电压波形，功率因数较高，可较容易做到0.9以上。

　　加上桥堆后的电解电容，如图2.3所示，LED电流连续且恒定，因此在电容量足够大的前提下该驱动方案就表现为无频闪，而且，由于电解电容将桥堆后的电压波动降低了，因此LED模组的电压的设定可以充分的接近桥堆后输出电压，使得恒流二极管不用承载过多的电压，提高驱动效率，通常可提升至85%左右，但是其电流恒定，在输入电压过零的时候导致大量的无功功率产生，功率因数较低，一般只有0.5~0.6。

　　恒流二极管实现的非隔离驱动，在电网电压不稳定时，球泡灯的功率变化为ΔP=ΔU*I，因此功率浮动与电压波动成正比，但是灯具照明效果相对稳定，但是由于恒流二极管的价格始终较高，而且其电流驱动能力只有几十毫安，故而无法得到推广应用。

　　图2.2

图2.3

3.阻容降压

　　图3.1

　　如图3.1：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。例如,在50Hz的工频条件下,一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。根据这个特点，在其后面串联一个LED模组，只要电流设定正确，那么LED两端的电压也必定是额定状态下的电压。

　　因此该方案由于电容主要消耗无功功率，效率较高，但是其功率因数往往非常低，通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接决定了频闪的显著与否。

　　因为LED工作需要比较稳定的直流环境，因此该方案常常采用桥式全波整流，但是全波整流产生浮置的地，并在零线和火线之间产生高压，造成人体触电伤害，是为比较危险的一种驱动。

　　电网电压波动时，LED电流也会同比的跟随变化，因此，其稳定性也较差，而且由于电容寿命直接影响容值，使得容值变小，输出电流也会随之降低，使得LED球泡灯的光衰倍化加剧。

　　但是，由于其成本低廉，线路非常简单，而且对LED模块的工作电压的范围几乎没有要求，通用性非常高，使得目前大部分厂家采用阻容降压的方式作为中低功率的球泡灯驱动。

4.线性驱动

　　图4.1

　　图4.2

　　如图4.1及4.2：线性驱动，采用一个桥堆，将50Hz的正弦波交流电变化为100Hz的半正弦波脉动直流电，然后通过线性恒流芯片根据当前状态下的半正弦波电压值来分段驱动LED模块，并且限定每一段LED的电流。简单的说就是电压达到第一段LED模块工作电压时，第一段LED工作，电流限定在红线的第一个台阶处；电压达到第一段LED模块工作电压与第二段工作电压之和时，第一段LED和第二段LED同时工作，电流限定在红线的第二个台阶处；电压达到三段LED模块工作电压总和时，三段LED同时工作，电流限定在红线的第三个台阶处；该驱动方式在电压未达到第一段LED模块工作电压前，LED不发光，没有损耗；电压超过第一段LED模块的工作电压后，通过LED的电流由线性驱动芯片限定，表现为恒定电流状态，在达到后段LED工作电压前，超出的电压将由芯片内部的MOS吸收，该部分能量为损耗能量。通过合理的LED串联分段，尽可能使得三段的工作电压拟合正弦波，充分减小损耗，驱动的效率可提升至90%以上

　　由于其驱动特性是将LED模块按照阻性负载的特性的模式驱动，因此电流跟随电压波形，功率因数可达0.97以上，但LED电流有间断（频率为100Hz），故而表现为频率为100Hz的现象，同时，在周期内，LED亮度是分为6个亮度等级渐变的，可适当缓解频闪的效果。

　　同样的,在桥堆后面加上电解电容，能通过降低功率因数来实现无频闪，在Cin足够大，将电压的波谷值拉升至所有LED工作电压之上，频闪现象就将完全消失，但是功率因数也会将至0.5左右。如图4.3

　　图4.3

在电网电压不稳定时，线性驱动芯片会