一. 高壓LED
“高壓LED”，一種是LED生產(chǎn)廠家提供串聯(lián)好的小功率LED，如圖1左圖所示，它只是集成LED的一種，而右圖所示的集成LED和前者的主要區(qū)別是，前者是全部串聯(lián)，后者是串并聯(lián)。集成LED的特點是在大晶片上采用開槽的方法，將其切割成若干小LED，然后用絕緣層把這些溝槽填平，按照串并聯(lián)要求鋪設連接各個LED的導線。
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圖1 高壓LED
無論哪種“高壓LED”，本文所討論的線性高壓LED驅動方案，是較小電流(理論小于100mA)，較高電壓的LED驅動方案。
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圖 2 LED 負載特性
LED 的負載特性如圖2 所示，根據(jù)LED 的負載特性，需要有一種可控恒流源來控制。經(jīng)過整流的工頻交流電電壓，如果將此電壓直接加到輸出LED 上面，這樣的問題是無法實現(xiàn)恒流，即整個工頻周期內(nèi)通過LED 電流不恒定。一. 無法實現(xiàn)亮度的控制。二. LED 燈珠壽命大大縮短。
而高頻開關電源，做 CC(恒流)控制是一種常見的辦法。但性能提高的同時，成本大大提高。
在 LED 燈珠負載里串接有源或無源器件，使線路產(chǎn)生“恒流-變壓”效果，這樣在LED負載通過的就是恒定電流，而外接線路承受了變化的電壓。這就是類似LDO(Low Dropout Regulator 低壓差線性穩(wěn)壓器)的工作原理。下面詳細介紹這種實現(xiàn)恒流的驅動方式及其發(fā)展趨勢。
相比與高頻開關電源，線性高壓方案的優(yōu)點主要有：一.省去了輸入電解電容、輸出電容，是一種無電解電容的線路。電解電容壽命是電源壽命的瓶頸，省去了電解電容，驅動電源壽命就延長了。二. 電路工作在工頻線性模式，不是工作在高頻模式，省去了高頻電感，同時沒有EMI的問題，省去了EMC電路。三，省去了高頻電感等外圍元件，進一步降低成本。
二. 四代HV LED 驅動方法
線性高壓 LED 驅動方案發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了四代。
2.1 第一代阻容控制方法
阻容降壓工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流，電容降壓實際上是利用容抗限流，而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色。如圖3所示，由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩(wěn)壓管VS的動態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻RL一般為100~200，而濾波電容一般為100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。若用R代表除C1以外所有元器件的等效電阻，可以畫出圖3下圖的交流等效電路。同時滿足了Xc1>R的條件,所以可以畫出電壓向量由于R甚小于Xc1，R上的壓降VR也遠小于C1上的壓降，所以VC1與電源電壓V近似相等，即Vc1=V。根據(jù)電工原理可知：串聯(lián)電容的容抗為，以1uF、50Hz交流電為例，其容抗Xc=3185歐姆，整流后的直流電流平均值Id,與交流電平均值I的關系為Id=V/Zc。
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圖3 阻容降壓驅動高壓LED示意
阻容降壓線路極簡，主要優(yōu)點是低成本。缺點如下：1. 恒流不準，輸入電壓波動時，電流隨之波動。2. PF值低，從輸入端看，負載呈容性。 3. 電容耐受高壓，選型較困難，壽命較短。
2.2 第二代單開關線性控制方法
恒流二級管(CRD, Current Regulative Diode)、恒流三極管(CCT, Constant Current Transistor)以及MOSFET(壓控恒流源)，按照控制方式來說，也是單開關控制方法。恒流二極管不同于普通的二極管，它的的負載曲線有一段較長的“恒流-變壓”區(qū)，類似三極管的可變電阻區(qū)，如圖4所示：
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圖4 恒流二極管I-V曲線
恒流三極管比恒流二極管多一個控制管腳，特點是輸出的恒流可以利用調(diào)整端加外部元器件進行調(diào)整,較適合做LED調(diào)光電路。另外一個特點是，若不使用調(diào)整電流時,它和CRD的性能及使用完全相同，工作曲線如下：
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圖5 恒流三極管I-V曲線
MOSFET和恒流三極管的區(qū)別是：前者是壓控電流源，后者是電流控制電流源。
LED燈珠負載中串接單個MOSFET，其工作在可變電阻區(qū)，檢測輸入交流電壓幅值，按比例控制MOSFET門極，從而控制MOSFET漏極到源極壓降，這樣使多個串聯(lián)LED燈珠的壓降保持恒定，就保證了在一個半波導通的周期內(nèi)LED的恒流。比較典型的是占空比半導體公司的高壓工藝芯片DU1501，單芯片內(nèi)集成控制器和高壓MOSFET，是第二代單開關控制的經(jīng)典簡化方案。[!--empirenews.page--]
相比與第一代阻容降壓方式，以上控制方式的優(yōu)點是：一. LED燈珠電流恒定，燈珠壽命增長。二. LED燈珠電流可控，亮度可控。
這樣的線路非常簡單，但缺點也很明顯。如圖2所示，每顆LED燈珠兩端必須有足夠的正向壓降才能夠導通，也就是說，多個LED串聯(lián)的高壓LED，必須有足夠的正向壓降才會導通。以60個LED燈珠串聯(lián)為例，正常工作大約總壓降是180V，而使其導通需要VF=60*2.5V=150V的壓降。這就意味著，當整流以后的半波壓降低于150V時，LED燈珠串是不亮的。整個線路“暗燈時間”(后文統(tǒng)一稱為死區(qū))較長，按工頻倍頻周期(100Hz或120Hz)交疊出現(xiàn)。
人眼的重要特性是視覺惰性，即光一旦在視網(wǎng)膜成像，視覺對此光像的感覺會維持一個有限時間值，這種生理現(xiàn)象叫做視覺暫留性。對中等亮度光刺激，視覺暫留時間約為0.05至0.2秒，這就是為什么50Hz電腦屏幕刷新頻率人眼無法感到閃爍而相機可以捕捉到。所以，工頻倍頻也就是100Hz~120Hz的閃爍人眼是無法感覺到的。但長期、劇烈的閃爍依然可能危害到健康。所以線性高壓驅動繼續(xù)發(fā)展的目標，是要減少乃至消除這種閃爍。第三代分段式開關線性控制方法應運而生。
2.3 第三代分段式開關線性控制方法
針對第一代單開關控制的缺點，發(fā)展出了第三代分段式控制方法。這種控制方法原理是一個控制芯片檢測輸入交流電壓，來給幾個串接在LED負載的MOSFET提供門極信號，根據(jù)輸入交流電壓的高低，分段的開通LED負載。
還是以60串為例子，將60串分成3個20串的組合，檢測交流輸入電壓值，分3段開通，每段開通20串。這就意味著，當輸入交流電大于20*2.5V=50V時，LED燈珠串就開始導通。死區(qū)時間大大減少。同時，分段開通使得每個MOSFET承擔的線性區(qū)壓降降低，從而使效率升高。
相比與第一代、第二代控制方法，分段式控制使PF值有了提高，電路整體效率也有了提高。外置MOSFET，在配置不同的負載時電流選擇比較靈活，通過接不同Rdson的MOSFET，來對應不同的負載。但外置MOSFET封裝成本將是制約成本因素，靈活配置不同負載可以通過后文第四代優(yōu)化分段的并聯(lián)方式完成。
從輸入交流電網(wǎng)看進去，這種分段開通的線路，電流不但相位跟隨正弦電壓波形，形狀也相近，可以認為是一種接近純阻性的負載，所以：1. PF值很高。2. 可控硅調(diào)光兼容性好(因為傳統(tǒng)的可控硅調(diào)光，是針對純阻性負載的白熾燈設計的，PF值很高意味著負載呈純阻性，可控硅調(diào)光兼容性必然很好)。3.相比第二代，效率有提高。
第三代分段式開關線性控制方法，在第二代的基礎上，邁出了一大步，但還存在以下問題：1. 死區(qū)邊緣的高尖峰。結果是影響PF值并引入高次諧波。2.外置MOSFET，多個MOSFET的封裝成本制約了整體成本。3.沒有足夠的智能化保護和附加功能。
2.4 第四代優(yōu)化分段式開關線性控制方法
線性高壓技術繼續(xù)發(fā)展，進入第四代優(yōu)化分段式控制階段。第四代分段式開關線性控制，是在第三代的基礎上發(fā)展起來的。市場對第四代控制電路提出了以下具體要求：
1. 效率>0.9
2. PF>0.95
3. 90%以上可控硅調(diào)光器兼容性
4. 開關調(diào)光功能
5. 內(nèi)置線性溫度補償和過溫保護
6. 更低系統(tǒng)成本
占空比半導體公司針對第四代分段式開關線性控制要求，推出了四款產(chǎn)品：
DU1703 三段線性LED驅動芯片
DU1733 三段線性可開關調(diào)光LED驅動芯片DU1804 四段線性LED驅動芯片
DU1834 四段線性可開關調(diào)光LED驅動芯片
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圖6 第四代線性高壓驅動代表DU1703溫度補償
圖6顯示的是DU1703內(nèi)置的電流溫度補償功能。當芯片結溫上升到105度，輸出電流參考從100%下降到30%，這不是簡單的溫度保護，而是一種補償式溫度保護功能。在實際使用中會大大提高電路的可靠性。
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圖7 DU1703增大電流，并聯(lián)應用
針對較大電流的應用，可以將DU1703做成如圖7的并聯(lián)。
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圖8 DU1703串聯(lián)應用
DU1703(三段式)可以按照圖8的接法做串聯(lián)控制，若要做更精細的控制，可以和DU1804(四段式)組合，分4段、5段、6段，甚至更多。更多的分段，意味著更高的PF和更高的效率，當然，成本也相應增加。
另外，開關式調(diào)光，是第四代線性高壓技術的一種智能化的要求。要求利用普通墻壁開關，在較快時間里動作1次、2次、3次時，分別有30%、70%、100%的亮度，以上DU1733、DU1834集成的專利技術技術，實現(xiàn)了此智能化要求。
三. 市場前景展望
隨著LED市場的爆發(fā)，已經(jīng)開始進入紅海、競爭異常激烈。但完全犧牲性能，盲目追求惡性低價競爭，對于整個行業(yè)長期健康發(fā)展極為不利。目前線性高壓LED方案，作為一種降成本方案，必然有它的生存、發(fā)展的空間。不管哪家芯片廠商提供的方案，客觀而論，原理上依然有一些問題，需要應對，例如：1. 無可避免的死區(qū)時間，帶來的工頻倍頻頻閃，是否對人眼有傷害? 2. 高壓LED串分段開通，降低了LED燈珠使用率。 3. 電網(wǎng)大幅劇烈波動時，效率依然無法保證。
某些筆者為了推廣產(chǎn)品，盲目掩蓋其缺點，極力夸大優(yōu)點，是一種不嚴謹?shù)膽B(tài)度。有公司提出“去電源化”的概念，認為整燈失效，80%以上都是因為電源故障，因此電源是LED燈的瓶頸。筆者認為，LED光源，作為一種通過電流控制亮度的負載，具有很強的可控制性，高頻開關電源驅動LED，不但不會退出歷史舞臺，反而會因為其極方便的恒流可控性而深入發(fā)展，針對LED色溫、亮度控制等要求，向智能化方向發(fā)展。
同時，“去電源”的線性高壓LED方案，由于其線路及其簡單，并且性能也逐漸提升，成本、可靠性的優(yōu)勢使其也會有很大的發(fā)展。日后中國的LED市場會有明顯的層次化劃分，針對消費者的需要，高、中、低端都會有大量相應產(chǎn)品涌現(xiàn)。無可否認，目前的線性高壓LED驅動方案還不是終極方案，但發(fā)展到第四代，相比與前三代，已經(jīng)有了長足進步。高壓LED的發(fā)展，主要取決與高壓LED燈珠大量生產(chǎn)后，生產(chǎn)制造成本的大幅下降。一切的答案等待市場來揭曉!
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