基于H橋的LED照明設(shè)計(jì)方案

基于 H 橋的 LED 照明新技術(shù) H 橋是一種以用戶定義方式驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的經(jīng)典電路，如正/反方向或通過四個(gè)分立/集成開關(guān)或機(jī)電繼電器的 PWM 輔助控制的 RPM。它廣泛應(yīng)用于機(jī)器與功率 電子中。本設(shè)計(jì)實(shí)例是該技術(shù)的一種全新的實(shí)現(xiàn)方法，能以全波限流模式，從交流電源直接驅(qū)動(dòng)白光 LED 陣列，從而實(shí)現(xiàn)一種無閃爍、高能效的固態(tài)照明燈。電路 會(huì)在激勵(lì)電壓的正、負(fù)偏移期間，采用交替電開關(guān)工作方式，將激勵(lì)電壓的負(fù)半周和正半周內(nèi)的 LED 激勵(lì)電流控制并維持在一個(gè)恒定的水平。這種方法可對交流電 壓做電流控制的整流，使之成為串聯(lián) LED 的直流供電電壓，有干凈幾乎無紋波的電流，大大改進(jìn)了功率因數(shù)。

原 理見圖1，晶體管 Q1、Q3和 Q5與二極管 D4，還有晶體管 Q2、Q4和 Q6與二極管 D3均配置為串聯(lián)的壓控電流開關(guān)，構(gòu)成 H 橋的兩個(gè)臂；二極管 D1和 D2構(gòu)成橋的另外兩個(gè)臂。 LED 串連接在橋的中點(diǎn)之間，兩個(gè)點(diǎn)分別叫 VLED+和 VLEDGND。交流電通過一個(gè)限流 PTC 電阻 R5、串聯(lián)電容 C4和 C5（構(gòu)成一只無極性電容 CEFF），以及電感 L1施加到電路上。同樣，主交流電的中性線通過電感 L2連接到電路的大地。

在 正半周內(nèi)，交流電源總線相對大地為正，晶體管 Q1通過電阻 R1獲得適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置。電流流經(jīng)二極管 D4、晶體管 Q1，以及電阻 R3，如箭頭 A1所示，然后 流過由12只中功率 LED（LED1~LED12）構(gòu)成的 LED 串，通過二極管 D2進(jìn)入大地，如箭頭 A2所示。同樣，在負(fù)半周時(shí)，交流電源總線相對大地為 負(fù)，晶體管 Q2通過電阻 R2獲得基極偏置。電流流經(jīng)二極管 D3、晶體管 Q2，以及電阻 R4，如箭頭 A3所示，然后流過 LED 串，通過二極管 D1進(jìn)入交流電 源總線，如箭頭 A4所示。這樣，在一個(gè)完整周期內(nèi)，電流以相同方向流過 LED 串，獲得了一個(gè)全波整流橋的效果。不過，電流 ILED 的幅度保持恒定，因?yàn)槭?到了作為壓控電流源的相應(yīng)開關(guān)的調(diào)節(jié)。

由于晶體管 Q3和 Q4的基射結(jié)分別連接在電流檢測電阻 R3和 R4上，當(dāng) R3和 R4上的 壓降上升到 Q3和 Q4的基射電壓以上時(shí)，兩個(gè)晶體管導(dǎo)通。在這個(gè)點(diǎn)，Q1和 Q2的基極均被拉低，擾亂了在相應(yīng)交流電源半周內(nèi)通過它們的電流。流過晶體管的 電流以這種方式保持恒定，永遠(yuǎn)不會(huì)超過某個(gè)閾值，這個(gè)閾值通過選擇 R3和 R4的值進(jìn)行設(shè)置。Q5和 Q6將 Q1和 Q2的基極電流限制在一個(gè)安全值（大約為 150μA），確保它們永遠(yuǎn)不會(huì)過驅(qū)。當(dāng) Q1和 Q2各自基射電壓超過了分別與 R1和 R2串聯(lián)的 R6和 R8上的壓降時(shí)，Q1和 Q2基極電流的相當(dāng)大部分通過 Q5和 Q6，被分流給 R3和 R4。

進(jìn)入總線的交流電流幅度受到主頻率下 CEFF 電抗（1/2πfCEFF）的限制，可以通過 選擇 C4 和 C5而改變，兩只電容構(gòu)成一個(gè)無極性電容。電路也可以由一個(gè)阻性電源驅(qū)動(dòng)，方法是用一個(gè)50Ω~200Ω的合適大功率電阻代替 CEFF。這樣有 助于獲得出色的功率因數(shù)，但付出的代價(jià)是限流電阻有非常大的功耗?？梢愿鶕?jù)所需要恒流水平，適當(dāng)選擇 R3和 R4。D5為 LED 串提供高反壓保護(hù)，而 R5限 制了上電時(shí)的浪涌電流。電感 L1和 L2與電容 C1幫助盡量減少 EMI/RFI，同時(shí)提高功率因數(shù)?？梢耘c交流電源并排插一個(gè)金屬氧化物壓敏變阻器，以保護(hù) 電路不發(fā)生瞬變。

電 路中的12只0.5W 的 LED 在120mAdc（135mARMS）下工作，而相應(yīng)的電流檢測電阻 R3和 R4選為1Ω。不過，LED 的數(shù)量可以增加到18 只，只要 LED 串上施加的電壓超過單只 LED 正向電壓之和（白光 LED 的正向電壓在3.3V~4V 范圍內(nèi)變化）。LED 上的電壓是自限的（本例中，大約是 42V），不需要任何額外的調(diào)節(jié)，因?yàn)楫?dāng)工作在正偏模式時(shí)，串聯(lián) LED 的行為就像大功率齊納二極管。電路在230V 交流電源下消耗功率為11.5W，功率 因數(shù)為0.93，LED 上沒有任何閃爍現(xiàn)象?？梢赃x擇在 VLED+和 VLEDGND 之間連接一只220μF 的電容 C2，進(jìn)一步抑制紋波，見圖2。另外，可 以用六個(gè)并聯(lián) LED 串取代現(xiàn)有燈串，每一串上有12只 ~18只標(biāo)稱20mA 的高亮度 LED。晶體管 Q1和 Q2必須裝有散熱片，以避免熱失控。