基于集成芯片的交流直接驅動LED電源設計與實現

南京科技職業學院 王 運 劉金鑫 馮 薇

基于集成芯片的交流直接驅動LED電源設計與實現

南京科技職業學院 王 運 劉金鑫 馮 薇

設計并實現了一款利用集成芯片交流直接驅動的50WLED電源，沒有電解電容和變壓器，具有高效率和高功率因數，體積小、壽命長，是目前去電源化趨勢下LED燈具驅動電路的新興產品。分析了分段式恒流驅動LED電路的結構和工作原理，給出了主要元件參數和實測結果。

交流直接驅動；分段式恒流驅動；LED

1　引言

LED具有壽命長節能、安全、綠色環保、色彩豐富等顯著優點。是全球新興產業，LED 有巨大節能作用，將會取代傳統光源，從而引發人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環境，緩解全球日益嚴峻的能源危機。

由于LED的導通工作電壓只有幾伏，傳統的LED驅動電源需要把220V的交流電進行降壓、整流、濾波，或是利用開關電源降壓，這樣不可避免地浪費部分能源降低效率，同時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年來自新加坡的山本建司和林國強提出的分段交流直接驅動方案，根據整流后的瞬時電壓的不同，點亮數量不同的LED。該方案于2011年3月獲得專利權。隨后各個國家利用此方法開發出不同功率的驅動集成芯片，設計生產的驅動電源無變壓器，無電感，無電容，體積小，效率高、功率因數（PF）高，成為目前去電源化趨勢下LED燈具驅動電路的新興產品。

本設計選用國內某公司的四段式交流直接驅動芯片設計的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，可以分別設置四段的LED電流，內置恒光通控制，補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　引腳功能說明

3　電路結構及原理

電路結構如圖2所示。圖中LED1、LED2、LED3、LED4代表一組由單顆1W的LED燈珠串并聯組成的LED串，芯片內部的控制器可以動態適應不同正向電壓的LED串，但是總的LED串聯電壓需要小于輸入交流電壓的峰值。電子開關Q1、Q2、Q3、Q4采用常用的耗盡型MOSFET，其具有響應速度高，噪音系數低，輸出阻抗很大等特點、電流具有負溫度系數，具有自我保護功能。

220V市電經過熔斷器F1、壓敏電阻MOV的過流、過壓保護，再經過小電容濾除電網高頻紋波直接送給整流橋BD進行全波整流。驅動芯片U1和四組LED串直接由整流橋輸出的0.9*220V的脈動直流電壓UA供電，UA為全波整流波形。

當UA從0V開始上升時，到達LED1的開啟電壓Vf值時，只有LED1串和Q1導通，同時芯片內部的狀態機控制電路通過控制MOS管的柵極電壓，控制LED1的電流恒流定在I1，I1流經檢測電阻R1、R2、R3、R4的串聯電路，LED1串被恒光通點亮。當UA繼續上升達到LED1的Vf與LED2的Vf的和時，芯片控制關斷Q1，同時打開Q2控制LED1和LED2保持在恒流導通狀態2，電流上升為I2，I2經過R2、R3、R4，R1被短接。以此類推，隨著UA逐漸上升，依次打開后一個電子開關同時關斷前一個電子開關，增加新一組的LED串進入新的恒流狀態，直至Q4打開，所有LED燈珠被點亮，電流I4達到最大，只流過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。然后周而復始。

芯片內部的控制電路會檢測輸入電壓與流經每段LED的電流，據此來決定內部狀態機的運作。內部控制邏輯根據不同分段的LED電流和AC輸入電壓，設置外部MOSFET工作在打開、關斷、線性恒流模式。流經LED的電流由VREFI與檢測電阻R1、R2、R3、R4決定。

第一個階梯電流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　電路實現及實驗結果

本設計為一款50WLED驅動模組電路。負載采用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，其中LED1串連接方式見圖3，其余三串全部為串聯，這樣的好處是LED利用率增加，總的光通量增加，但一個周期內的導通時間減少，頻閃加重。

電路選用的MOS管為2N60，同時為安全和控制結溫，第四階段采用兩個MOS管Q4和Q5并聯工作。利用穩壓管D1把芯片的VCC箝制在9.1V。標準參考電壓VREFO為1V，通過R5分壓調整，VREFI輸入電壓為0.25V。穩壓二極管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導通壓降進行電位箝制，防止因意外或干擾電壓升高引起所設定的恒定電流變大從而燒壞LED。

實例中選擇電流檢測反饋電阻R1、R2、R3、R4分別為0.68、0.2、0.1、0.91歐姆。實際用照表測量在一米處照度為1650Lux。實測電路效率約為90%，功率因數0.94。

圖3　第一段LED1串連接圖

5　結論

本文介紹了一種基于集成芯片的交流直接驅動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、低成本、小體積、性能穩定、長壽命等特點。并且可以在此基礎之上組成100W、150W等多種規格的模組電路。該電路可以廣泛應用于投光燈、工礦燈、防爆燈、路燈等，應用前景廣泛。

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