AC直接驱动的LED灯丝灯

LED 灯必须用恒定直流来驱动点亮,因此LED灯都离不开AC/DC的恒流电源,目前大多数使用的是开关恒流电源或高压线性恒流电流。一般来说,一个LED灯,LED灯珠约占 LED 灯的总成本的 60%,而驱动电源约占15-25%。为了降低LED灯的成本,减少电源所使用的零件、减少整灯的配件、和减少人工都成为设计师的主要工作和企业家的追求。

LED灯能否省去AC/DC驱动电源?直接用AC来驱动点亮呢?也是LED照明发展的一个美丽梦想!

LED灯珠实质是一个 PN 结的二极管,它既可以发光,同时也具备整流的功能。只是囿于某些技术的原因,多年来一直在开发和弘扬LED灯珠的照明功能而忽略其整流功能。

无电源的AC LED应用方案在2008年初曾经萌生,限于LED灯珠的VF离散性太大,多串LED的均流当时没有找到实用而低耗电的主动电子器件解决方案。因此搁置。

AC LED光源的可行性

AC LED光源的可行性研究在2008年已经萌生。LED是一个典型的PN二极管,因此不仅能通电发光亮,当然也可以对交流电进行整流。

AC LED光源的工作原理如图 1,将VF值基本相同的LED微小晶粒绑定在蓝宝石、陶瓷或金属基板上,对 LED 晶粒用金线串联。将同样的五串LED晶粒串组成类似一个整流桥(图 1 左),整流桥的两端分别联接交流电源,另两端联接一串LED晶粒。四个桥臂的LED晶粒串在接上交流电瞬间既对交流电整流,又发出光亮。

交流的正半周沿蓝色通路流动,3串LED晶粒发光;负半周沿绿色通路流动,又有3串 LED晶粒发光;四个桥臂上的LED晶粒串轮番发光,相对桥臂上的LED晶粒串同时发光,中间一串LED晶粒串因共用而一直在发光。在50Hz或60Hz的交流电中会以每秒50或60次的频率轮替点亮。整流桥取得的直流是脉动直流(图1右),LED的发光因此是有闪烁的。

采用长余辉LED有断电余辉续光的特性,余辉可保持几十微秒,因人眼对流动光点记忆是有惰性的,结果人眼对LED光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。LED有一半时间在工作,有一半时间在休息,因而发热得以减少40%~20%。因此AC LED的使用寿命较DC LED长。但整个桥路的AC LED光源发光效率会因此减少30%左右。


图1  AC LED光源工作原理

自恒流IC灯丝

LED灯丝灯经过几年的发展,今天已经诞生一个技术创新的“IC 灯丝”!因此可能会对现有的LED灯丝灯进行革命性的变化IC灯丝可以简单而有效的恒定每根灯丝的电流,解决一个灯泡内几根LED灯丝因VF的些微差异而引起各根灯丝的工作电流不等。

在一个灯泡内,并联N根LED灯丝的应用,VF小的灯丝会承受较大的电流,日长时久,工作电流大的灯丝会先光衰!IC灯丝是一个低成本的有效解决方案!IC灯丝由于需要散热适用于各种金属基板灯丝。

IC灯丝如图2所示。IC灯丝是直接将两端口线性恒流IC裸芯片绑定在灯丝基板上,恒流IC裸芯片在灯丝基板上与N颗LED灯珠芯片直接串联成一体,成为有自控灯丝电流的新型电子LED灯丝。IC灯丝能自恒流、自整流。


图2 金属基IC灯丝内部结构示意图

由于大批量生产的LED灯珠晶粒其参数的离散性很大,即使我们在LED灯丝生产时使用原厂筛选后的LED晶粒方片,再经努力配对,还是不能保证批量生产的LED灯丝,每一根的VF完全一样。

把VF有些许差异的几根LED灯丝组合在一个灯泡里,由一个恒流电源供电,VF小的灯丝得到的电流会多一点,时间长了,这根VF小的LED灯丝会先发生光衰。这是目前LED灯丝灯的一个隐性的癌症,也是COB灯丝的一个难以攻克的技术难题。IC灯丝在N根 LED 灯丝并联的应用中能做到N根LED灯丝的均流,改善VF允差不等带来的缺陷。

把恒流IC裸芯片直接组合到灯丝上,与LED灯珠芯片一起绑定成新一代的带IC的COB灯丝。LED灯丝原本只是一个由LED封装厂生产的被动的COB器件,加入IC恒流控制芯片以后,IC灯丝因电子化而使LED灯丝从被动器件跃变成为新一代主动电子器件了!

LED灯丝因此能自控电流而做到根根均流恒定!对灯丝的VF再也不需苛求了!也许 LED灯丝灯因此而省掉AC/DC恒流电源,有了IC的LED灯丝可以使LED灯丝灯成为真正的电子白炽灯!

单通道两端口线性恒流控制IC

单通道两端口线性恒流控制IC是一颗芯片内部高度集成的恒流电源芯片,它由微调、基准电压、稳压电源、温度补偿、过温保护、电流采样、运放、恒流控制、MOS等功能模块组成。使用简单,可直接驱动高压LED灯串,无需调试,没有取样电阻,应用线路非常简洁。芯片内部限定恒流,出厂时设置固定输出10mA、12mA、20mA、30mA 电流,按订单需要生产。

芯片内置600V MOS。应用线路无EMI问题。内置过温保护。应用于IC灯丝十分方便,可恒定由N颗LED灯珠芯片串联的HVLEDs灯丝电流。也可广泛应用于各种类型的光电引擎。

单通道两端口线性恒流控制IC芯片以莱托思LA2012为例,芯片的内部结构原理框图如图3所示。DRAIN为两端口恒流控制IC芯片的驱动输入端,接HVLEDs负端,同时给这驱动芯片本身供电。

LA2012的设定恒流工作区域为3.7-60VDC。对HVLEDs恒流精度优于±3%。IF可以在IC 芯片出厂时预先设置,如10mA、12mA、20mA、30mA 等。线性调整率优于1mA,温度系数优于-10uA/C,芯片本身工作电流约 100uA,芯片本身功耗约为1-2mW。芯片具有温度补偿及高温保护,芯片结温摄氏160度时自动开路。LA2012裸芯片两端分别为 DRAIN 和GND,使用十分方便。


图3  LA2012两端口恒流控制IC芯片的内部结构原理框图

两端口线性恒流控制IC芯片内的温度补偿模块,在LED灯丝温度升高到摄氏135度时,可以自动控制LED的工作电流按照设定曲线减小,温度接近摄氏155度时LED电流快速下降到0。温度补偿功能可以避免LED因为环境温度升高,造成因高温引起的频繁过温保护的物理闪烁。

两端口线性恒流控制IC芯片在LED灯丝上的应用电路如图4所示。


图4  两端口线性恒流控制IC的应用图

集成电路制造商向LED灯丝厂提供两端口线性恒流控制IC裸芯片,便于与LED灯珠晶粒一起在灯丝基板上绑定、打线的生产工艺配合。

两端口线性恒流控制IC芯片可能会成为2017 年LED照明电源驱动芯片的一个热点产品!估计 N 家电源驱动芯片集成电路设计制造公司都会很快挤入这个市场!亚成微的单通道两端口恒流 LED 控制芯片 RM90023 也已上市,RM90023 的 DRAIN 和 GND 在裸芯片的同一端,灯丝上应用有点不便。

AC直接驱动LED灯丝灯

LED灯珠是一个典型的PN二极管,它不仅具有发出光亮的功能,同时也具有对AC交流电整流的功能,因此四根LED灯丝可以组成一个完整的整流桥路。当LED灯珠晶粒+两端口线性恒流IC裸芯片集成以后,就成了一根具备自整流、自恒流的IC灯丝。

AC直接驱动LED灯丝灯可以用五根长余辉LED灯丝来组成。其中可以用一根带两端口线性恒流控制IC的灯丝,必须安置在这桥路中间的那根常亮位置;也可以在其中用二根带两端口线性恒流控制IC灯丝,必须安置在桥路相邻的两臂;也可以在其中用四根带两端口线性恒流控制IC灯丝,即四个桥臂都用IC灯丝。

这三种应用方案有不同的性价比,效果也略有差异。这三种应用电路如图5自左至右所示,分别为一根IC灯丝,二根IC灯丝,四根IC灯丝。一个串联回路必须至少串联一颗两端口线性恒流控制IC芯片。

采用长余辉荧光粉使LED有断电余辉续光的特性,余辉可保持几十微秒,因人眼对流动光点记忆是有惰性的,结果人眼对LED光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。因而掩盖了50Hz、60Hz交流电频率变换引起的频闪。这个桥路上的LED灯珠有一半时间在工作,有一半时间在休息,因而发热得以减少 40%~20%。因此AC LED的使用寿命较DC LED长。但整个桥路的AC LED光源发光效率会因此减少30%左右。


图 5   AC直驱LED灯丝灯应用电路

由上述AC直驱LED灯丝灯的三种应用电路可知,LED灯丝串组成桥路后具有对交流电整流的功能,因此在AC直接驱动的LED灯丝灯中没有了专门的AC/DC恒流电源、没有整流桥堆,由此节省了驱动电源和人工安装、与接线的成本,这类新颖的AC直接驱动的LED灯丝灯的BOM成本与现在的LED灯丝灯相比降低15-25%,对现有的灯丝灯方案和设计理念也许是一个冲击和一个革命性的变化!


图6  AC直驱LED灯丝灯

采用金属基IC灯丝的AC直驱LED灯丝灯结构图如图6所示,金属基灯丝有利于LED晶粒和恒流IC裸芯片的散热,如在金属基灯丝的背面涂覆石墨烯,可将灯丝的热量利用石墨烯涂层将金属基材传来的热量很快辐射出去,改善LED灯丝灯只依靠氦气导热、借助玻璃泡发散热量的单一途径。

采用弧形LED灯丝可以有效改善整灯的配光曲线。直丝LED灯丝灯的配光曲线图成蝴蝶斑,打开直丝LED灯丝灯,其灯下中间会呈现暗区而周围明亮。而弧丝LED灯丝灯的配光曲线图呈满月状,弧丝LED灯丝灯下面不会有光的暗区。晶泰星已经批量生产金属基石墨烯IC灯丝,和金属基石墨烯IC灯丝灯。

采用金属基IC灯丝的AC直驱LED灯丝灯开辟了LED光源无需AC/DC的恒流电源的新时代!实现LED照明发展的又一个美丽梦想!(本文作者:颜重光)





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