AC直接驅(qū)動(dòng)的LED燈絲燈

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2017-03-16

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　　LED 燈必須用恒定直流來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮,，因此LED燈都離不開(kāi)AC/DC的恒流電源，目前大多數(shù)使用的是開(kāi)關(guān)恒流電源或高壓線性恒流電流,。一般來(lái)說(shuō),，一個(gè)LED燈，LED燈珠約占 LED 燈的總成本的 60%,，而驅(qū)動(dòng)電源約占15-25%,。為了降低LED燈的成本,，減少電源所使用的零件、減少整燈的配件,、和減少人工都成為設(shè)計(jì)師的主要工作和企業(yè)家的追求,。

　　LED燈能否省去AC/DC驅(qū)動(dòng)電源？直接用AC來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮呢,？也是LED照明發(fā)展的一個(gè)美麗夢(mèng)想,！

　　LED燈珠實(shí)質(zhì)是一個(gè) PN 結(jié)的二極管，它既可以發(fā)光,，同時(shí)也具備整流的功能,。只是囿于某些技術(shù)的原因，多年來(lái)一直在開(kāi)發(fā)和弘揚(yáng)LED燈珠的照明功能而忽略其整流功能,。

　　無(wú)電源的AC LED應(yīng)用方案在2008年初曾經(jīng)萌生,，限于LED燈珠的VF離散性太大，多串LED的均流當(dāng)時(shí)沒(méi)有找到實(shí)用而低耗電的主動(dòng)電子器件解決方案,。因此擱置,。

　　AC LED光源的可行性

　　AC LED光源的可行性研究在2008年已經(jīng)萌生。LED是一個(gè)典型的PN二極管,，裝修照明,，因此不僅能通電發(fā)光亮，當(dāng)然也可以對(duì)交流電進(jìn)行整流,。

　　AC LED光源的工作原理如圖 1,，將VF值基本相同的LED微小晶粒綁定在藍(lán)寶石、陶瓷或金屬基板上,，對(duì) LED 晶粒用金線串聯(lián),。將同樣的五串LED晶粒串組成類似一個(gè)整流橋（圖 1 左），整流橋的兩端分別聯(lián)接交流電源,，另兩端聯(lián)接一串LED晶粒,。四個(gè)橋臂的LED晶粒串在接上交流電瞬間既對(duì)交流電整流，又發(fā)出光亮,。

　　交流的正半周沿藍(lán)色通路流動(dòng),，3串LED晶粒發(fā)光；負(fù)半周沿綠色通路流動(dòng),，又有3串 LED晶粒發(fā)光,；四個(gè)橋臂上的LED晶粒串輪番發(fā)光，相對(duì)橋臂上的LED晶粒串同時(shí)發(fā)光,，中間一串LED晶粒串因共用而一直在發(fā)光,。在50Hz或60Hz的交流電中會(huì)以每秒50或60次的頻率輪替點(diǎn)亮。整流橋取得的直流是脈動(dòng)直流（圖1右），LED的發(fā)光因此是有閃爍的,。

　　采用長(zhǎng)余輝LED有斷電余輝續(xù)光的特性,，余輝可保持幾十微秒，因人眼對(duì)流動(dòng)光點(diǎn)記憶是有惰性的,，結(jié)果人眼對(duì)LED光源的發(fā)光+余輝的工作模式解讀是連續(xù)在發(fā)光,。LED有一半時(shí)間在工作，有一半時(shí)間在休息,，大功率led照明,，LED照明品牌，因而發(fā)熱得以減少40%～20%,。因此AC LED的使用壽命較DC LED長(zhǎng),。但整個(gè)橋路的AC LED光源發(fā)光效率會(huì)因此減少30%左右。

圖1  AC LED光源工作原理

　　自恒流IC燈絲

　　LED燈絲燈經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展,，今天已經(jīng)誕生一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新的“IC 燈絲”,！因此可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有的LED燈絲燈進(jìn)行革命性的變化IC燈絲可以簡(jiǎn)單而有效的恒定每根燈絲的電流,，解決一個(gè)燈泡內(nèi)幾根LED燈絲因VF的些微差異而引起各根燈絲的工作電流不等,。

　　在一個(gè)燈泡內(nèi)，并聯(lián)N根LED燈絲的應(yīng)用,，VF小的燈絲會(huì)承受較大的電流,，日長(zhǎng)時(shí)久，工作電流大的燈絲會(huì)先光衰,！IC燈絲是一個(gè)低成本的有效解決方案,！IC燈絲由于需要散熱適用于各種金屬基板燈絲。

　　IC燈絲如圖2所示,。IC燈絲是直接將兩端口線性恒流IC裸芯片綁定在燈絲基板上,，LED射燈，LED天花燈,，恒流IC裸芯片在燈絲基板上與N顆LED燈珠芯片直接串聯(lián)成一體,，成為有自控?zé)艚z電流的新型電子LED燈絲。IC燈絲能自恒流,、自整流,。

　　圖2 金屬基IC燈絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　由于大批量生產(chǎn)的LED燈珠晶粒其參數(shù)的離散性很大，即使我們?cè)贚ED燈絲生產(chǎn)時(shí)使用原廠篩選后的LED晶粒方片,，再經(jīng)努力配對(duì),，還是不能保證批量生產(chǎn)的LED燈絲，每一根的VF完全一樣,。

　　把VF有些許差異的幾根LED燈絲組合在一個(gè)燈泡里,，由一個(gè)恒流電源供電，VF小的燈絲得到的電流會(huì)多一點(diǎn)，商業(yè)照明,，時(shí)間長(zhǎng)了,，這根VF小的LED燈絲會(huì)先發(fā)生光衰。這是目前LED燈絲燈的一個(gè)隱性的癌癥,，也是COB燈絲的一個(gè)難以攻克的技術(shù)難題,。IC燈絲在N根 LED 燈絲并聯(lián)的應(yīng)用中能做到N根LED燈絲的均流，改善VF允差不等帶來(lái)的缺陷,。

　　把恒流IC裸芯片直接組合到燈絲上,，與LED燈珠芯片一起綁定成新一代的帶IC的COB燈絲。LED燈絲原本只是一個(gè)由LED封裝廠生產(chǎn)的被動(dòng)的COB器件,，加入IC恒流控制芯片以后,，IC燈絲因電子化而使LED燈絲從被動(dòng)器件躍變成為新一代主動(dòng)電子器件了！

　　LED燈絲因此能自控電流而做到根根均流恒定,！對(duì)燈絲的VF再也不需苛求了,！也許 LED燈絲燈因此而省掉AC/DC恒流電源，企業(yè)資訊,，有了IC的LED燈絲可以使LED燈絲燈成為真正的電子白熾燈,！

　　單通道兩端口線性恒流控制IC

　　單通道兩端口線性恒流控制IC是一顆芯片內(nèi)部高度集成的恒流電源芯片，它由微調(diào),、基準(zhǔn)電壓,、穩(wěn)壓電源、溫度補(bǔ)償,、過(guò)溫保護(hù),、電流采樣、運(yùn)放,、恒流控制,、MOS等功能模塊組成。使用簡(jiǎn)單,，可直接驅(qū)動(dòng)高壓LED燈串,，無(wú)需調(diào)試，沒(méi)有取樣電阻,，應(yīng)用線路非常簡(jiǎn)潔,。芯片內(nèi)部限定恒流，出廠時(shí)設(shè)置固定輸出10mA,、12mA,、20mA、30mA 電流,，按訂單需要生產(chǎn),。

　　芯片內(nèi)置600V MOS,。應(yīng)用線路無(wú)EMI問(wèn)題。內(nèi)置過(guò)溫保護(hù),。應(yīng)用于IC燈絲十分方便,，可恒定由N顆LED燈珠芯片串聯(lián)的HVLEDs燈絲電流。也可廣泛應(yīng)用于各種類型的光電引擎,。

　　單通道兩端口線性恒流控制IC芯片以萊托思LA2012為例,，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。DRAIN為兩端口恒流控制IC芯片的驅(qū)動(dòng)輸入端,，ROSH認(rèn)證,，接HVLEDs負(fù)端，同時(shí)給這驅(qū)動(dòng)芯片本身供電,。

　　LA2012的設(shè)定恒流工作區(qū)域?yàn)?.7-60VDC,。對(duì)HVLEDs恒流精度優(yōu)于±3%。IF可以在IC 芯片出廠時(shí)預(yù)先設(shè)置,，如10mA,、12mA、20mA,、30mA 等,。線性調(diào)整率優(yōu)于1mA，溫度系數(shù)優(yōu)于-10uA/C,，芯片本身工作電流約 100uA,，芯片本身功耗約為1-2mW,。芯片具有溫度補(bǔ)償及高溫保護(hù),，芯片結(jié)溫?cái)z氏160度時(shí)自動(dòng)開(kāi)路。LA2012裸芯片兩端分別為 DRAIN 和GND,，使用十分方便,。

　　圖3  LA2012兩端口恒流控制IC芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖

　　兩端口線性恒流控制IC芯片內(nèi)的溫度補(bǔ)償模塊，酒店led照明,，在LED燈絲溫度升高到攝氏135度時(shí),，可以自動(dòng)控制LED的工作電流按照設(shè)定曲線減小，溫度接近攝氏155度時(shí)LED電流快速下降到0,。溫度補(bǔ)償功能可以避免LED因?yàn)榄h(huán)境溫度升高,，造成因高溫引起的頻繁過(guò)溫保護(hù)的物理閃爍。

　　兩端口線性恒流控制IC芯片在LED燈絲上的應(yīng)用電路如圖4所示,。

　　圖4  兩端口線性恒流控制IC的應(yīng)用圖

　　集成電路制造商向LED燈絲廠提供兩端口線性恒流控制IC裸芯片,，便于與LED燈珠晶粒一起在燈絲基板上綁定、打線的生產(chǎn)工藝配合,。

　　兩端口線性恒流控制IC芯片可能會(huì)成為2017 年LED照明電源驅(qū)動(dòng)芯片的一個(gè)熱點(diǎn)產(chǎn)品,！估計(jì) N 家電源驅(qū)動(dòng)芯片集成電路設(shè)計(jì)制造公司都會(huì)很快擠入這個(gè)市場(chǎng)！亞成微的單通道兩端口恒流 LED 控制芯片 RM90023 也已上市，RM90023 的 DRAIN 和 GND 在裸芯片的同一端,，企業(yè)資訊,，燈絲上應(yīng)用有點(diǎn)不便。

　　AC直接驅(qū)動(dòng)LED燈絲燈

　　LED燈珠是一個(gè)典型的PN二極管,，它不僅具有發(fā)出光亮的功能,，同時(shí)也具有對(duì)AC交流電整流的功能，因此四根LED燈絲可以組成一個(gè)完整的整流橋路,。當(dāng)LED燈珠晶粒+兩端口線性恒流IC裸芯片集成以后,，就成了一根具備自整流、自恒流的IC燈絲,。

　　AC直接驅(qū)動(dòng)LED燈絲燈可以用五根長(zhǎng)余輝LED燈絲來(lái)組成,。其中可以用一根帶兩端口線性恒流控制IC的燈絲，LED照明企業(yè),，必須安置在這橋路中間的那根常亮位置,；也可以在其中用二根帶兩端口線性恒流控制IC燈絲，必須安置在橋路相鄰的兩臂,；也可以在其中用四根帶兩端口線性恒流控制IC燈絲,，照明方案，即四個(gè)橋臂都用IC燈絲,。

　　這三種應(yīng)用方案有不同的性價(jià)比,，效果也略有差異。這三種應(yīng)用電路如圖5自左至右所示,，分別為一根IC燈絲,，二根IC燈絲，四根IC燈絲,。一個(gè)串聯(lián)回路必須至少串聯(lián)一顆兩端口線性恒流控制IC芯片,。

　　采用長(zhǎng)余輝熒光粉使LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒,，因人眼對(duì)流動(dòng)光點(diǎn)記憶是有惰性的,，結(jié)果人眼對(duì)LED光源的發(fā)光+余輝的工作模式解讀是連續(xù)在發(fā)光。因而掩蓋了50Hz,、60Hz交流電頻率變換引起的頻閃,。這個(gè)橋路上的LED燈珠有一半時(shí)間在工作，有一半時(shí)間在休息,，因而發(fā)熱得以減少 40%～20%,。因此AC LED的使用壽命較DC LED長(zhǎng)。但整個(gè)橋路的AC LED光源發(fā)光效率會(huì)因此減少30%左右,。

　　圖 5   AC直驅(qū)LED燈絲燈應(yīng)用電路

　　由上述AC直驅(qū)LED燈絲燈的三種應(yīng)用電路可知,，LED燈管,，工程照明，LED燈絲串組成橋路后具有對(duì)交流電整流的功能,，因此在AC直接驅(qū)動(dòng)的LED燈絲燈中沒(méi)有了專門的AC/DC恒流電源,、沒(méi)有整流橋堆，由此節(jié)省了驅(qū)動(dòng)電源和人工安裝,、與接線的成本,，這類新穎的AC直接驅(qū)動(dòng)的LED燈絲燈的BOM成本與現(xiàn)在的LED燈絲燈相比降低15-25%，對(duì)現(xiàn)有的燈絲燈方案和設(shè)計(jì)理念也許是一個(gè)沖擊和一個(gè)革命性的變化,！

　　圖6  AC直驅(qū)LED燈絲燈

　　采用金屬基IC燈絲的AC直驅(qū)LED燈絲燈結(jié)構(gòu)圖如圖6所示,，金屬基燈絲有利于LED晶粒和恒流IC裸芯片的散熱，如在金屬基燈絲的背面涂覆石墨烯,，可將燈絲的熱量利用石墨烯涂層將金屬基材傳來(lái)的熱量很快輻射出去,，改善LED燈絲燈只依靠氦氣導(dǎo)熱、借助玻璃泡發(fā)散熱量的單一途徑,。

　　采用弧形LED燈絲可以有效改善整燈的配光曲線,。直絲LED燈絲燈的配光曲線圖成蝴蝶斑，醫(yī)院led照明,，打開(kāi)直絲LED燈絲燈,，其燈下中間會(huì)呈現(xiàn)暗區(qū)而周圍明亮。而弧絲LED燈絲燈的配光曲線圖呈滿月?tīng)�,，弧絲LED燈絲燈下面不會(huì)有光的暗區(qū),。晶泰星已經(jīng)批量生產(chǎn)金屬基石墨烯IC燈絲，和金屬基石墨烯IC燈絲燈,。

　　采用金屬基IC燈絲的AC直驅(qū)LED燈絲燈開(kāi)辟了LED光源無(wú)需AC/DC的恒流電源的新時(shí)代,！實(shí)現(xiàn)LED照明發(fā)展的又一個(gè)美麗夢(mèng)想！（本文作者：顏重光）

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