AC直接驅(qū)動的LED燈絲燈

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2017-03-16

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　　LED 燈必須用恒定直流來驅(qū)動點亮，因此LED燈都離不開AC/DC的恒流電源，目前大多數(shù)使用的是開關(guān)恒流電源或高壓線性恒流電流。一般來說，一個LED燈，LED燈珠約占 LED 燈的總成本的 60%，而驅(qū)動電源約占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)動電源？直接用AC來驅(qū)動點亮呢？也是LED照明發(fā)展的一個美麗夢想！

　　LED燈珠實質(zhì)是一個 PN 結(jié)的二極管，它既可以發(fā)光，同時也具備整流的功能。只是囿于某些技術(shù)的原因，多年來一直在開發(fā)和弘揚LED燈珠的照明功能而忽略其整流功能。

　　無電源的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)時沒有找到實用而低耗電的主動電子器件解決方案。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)然也可以對交流電進行整流。

　　AC LED光源的工作原理如圖 1，將VF值基本相同的LED微小晶粒綁定在藍寶石、陶瓷或金屬基板上，對 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。四個橋臂的LED晶粒串在接上交流電瞬間既對交流電整流，又發(fā)出光亮。

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

　　采用長余輝LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結(jié)果人眼對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有一半時間在工作，有一半時間在休息，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。但整個橋路的AC LED光源發(fā)光效率會因此減少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)過幾年的發(fā)展，今天已經(jīng)誕生一個技術(shù)創(chuàng)新的“IC 燈絲”！因此可能會對現(xiàn)有的LED燈絲燈進行革命性的變化IC燈絲可以簡單而有效的恒定每根燈絲的電流，解決一個燈泡內(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。

　　在一個燈泡內(nèi)，并聯(lián)N根LED燈絲的應(yīng)用，VF小的燈絲會承受較大的電流，日長時久，工作電流大的燈絲會先光衰！IC燈絲是一個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，即使我們在LED燈絲生產(chǎn)時使用原廠篩選后的LED晶粒方片，再經(jīng)努力配對，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燈絲組合在一個燈泡里，由一個恒流電源供電，VF小的燈絲得到的電流會多一點，商業(yè)照明，時間長了，這根VF小的LED燈絲會先發(fā)生光衰。這是目前LED燈絲燈的一個隱性的癌癥，也是COB燈絲的一個難以攻克的技術(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燈絲原本只是一個由LED封裝廠生產(chǎn)的被動的COB器件，加入IC恒流控制芯片以后，IC燈絲因電子化而使LED燈絲從被動器件躍變成為新一代主動電子器件了！

　　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、溫度補償、過溫保護、電流采樣、運放、恒流控制、MOS等功能模塊組成。使用簡單，可直接驅(qū)動高壓LED燈串，無需調(diào)試，沒有取樣電阻，應(yīng)用線路非常簡潔。芯片內(nèi)部限定恒流，出廠時設(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EMI問題。內(nèi)置過溫保護。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)動輸入端，ROSH認證，接HVLEDs負端，同時給這驅(qū)動芯片本身供電。

　　LA2012的設(shè)定恒流工作區(qū)域為3.7-60VDC。對HVLEDs恒流精度優(yōu)于±3%。IF可以在IC 芯片出廠時預(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。芯片具有溫度補償及高溫保護，芯片結(jié)溫攝氏160度時自動開路。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)的溫度補償模塊，酒店led照明，在LED燈絲溫度升高到攝氏135度時，可以自動控制LED的工作電流按照設(shè)定曲線減小，溫度接近攝氏155度時LED電流快速下降到0。溫度補償功能可以避免LED因為環(huán)境溫度升高，造成因高溫引起的頻繁過溫保護的物理閃爍。

　　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芯片可能會成為2017 年LED照明電源驅(qū)動芯片的一個熱點產(chǎn)品！估計 N 家電源驅(qū)動芯片集成電路設(shè)計制造公司都會很快擠入這個市場！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)用有點不便。

　　AC直接驅(qū)動LED燈絲燈

　　LED燈珠是一個典型的PN二極管，它不僅具有發(fā)出光亮的功能，同時也具有對AC交流電整流的功能，因此四根LED燈絲可以組成一個完整的整流橋路。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LED燈絲燈可以用五根長余輝LED燈絲來組成。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，即四個橋臂都用IC燈絲。

　　這三種應(yīng)用方案有不同的性價比，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，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結(jié)果人眼對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。這個橋路上的LED燈珠有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發(fā)熱得以減少 40%～20%。因此AC LED的使用壽命較DC LED長。但整個橋路的AC LED光源發(fā)光效率會因此減少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交流電整流的功能，因此在AC直接驅(qū)動的LED燈絲燈中沒有了專門的AC/DC恒流電源、沒有整流橋堆，由此節(jié)省了驅(qū)動電源和人工安裝、與接線的成本，這類新穎的AC直接驅(qū)動的LED燈絲燈的BOM成本與現(xiàn)在的LED燈絲燈相比降低15-25%，對現(xiàn)有的燈絲燈方案和設(shè)計理念也許是一個沖擊和一個革命性的變化！

　　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，打開直絲LED燈絲燈，其燈下中間會呈現(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狀，弧絲LED燈絲燈下面不會有光的暗區(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燈絲燈開辟了LED光源無需AC/DC的恒流電源的新時代！實現(xiàn)LED照明發(fā)展的又一個美麗夢想！（本文作者：顏重光）

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