LED燈芯片-LED燈恒流驅動芯片詳解及LED驅動技術方案詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-22
1.方案特點
集成高壓啟動模塊，燈具即開即亮，無啟動電阻長期使用老化開路問題
內置高壓智能MOS（690V2.5Ω），采用DIP7封裝，高低壓管腳距離充足，避免打火炸機
QR控制模式，降低開關損耗
100kHz工作頻率，縮小變壓器體積
過溫調節功能（OTC），抗干擾力強，多系統不閃燈，灌膠后輸出電流不變，恒流精度3%以內
全面智能保護：輸出開/短路保護、過壓/欠壓/過流保護、CS電阻開路保護等
2.方案簡介
雙面板工藝，單面元器件，尺寸：49.2mm*20.2mm
輸入電壓：176~264Vac電壓范圍
輸出功率：24W
輸出效率：≥90%
按輸出功率分類：
0.4W、1.28W、1.4W、3W、4.2W、5W、8W、10.5W、12W、15W、18W、 20W、23W、25W、30W、45W、60W、100W、120W、150W、200W、300W 等。
按輸出電壓分類：
DC4V、6V、9V、12V、18V、24V、36V、42V、48V、54V、63V、81V、105V、135V等。
按外形結構分類：
PCBA裸板和有外殼的兩種。
按安全結構分類：
隔離和非隔離的兩種。
按功率因數分類：
帶功率因數校正和不帶功率因數。
按防水性能分類：
防水和不防水兩種。
按激勵方式分類：
自激式和它激式。
按電路拓撲分類：
RCC、Flyback、Forward、Half-Bridge、Full-Bridge、Push-PLL 、LLC等。
按轉換方式分類：
AC-DC與DC-DC兩種。
按輸出性能分類：
恒流、恒壓與既恒流又恒壓三種。
接觸過LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡 圖1.1（正向動態電阻非常小），要給LED正常供電就比較困難。不能像普通白熾燈一樣，直接用電壓源供電，否則電壓波動稍增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。為了穩定LED的工作電流，保證LED能正常可靠地工作，具有”鎮流功能”的各種各樣的LED驅動電路就應運而生。最簡單的是串聯一只鎮流電阻，而比較復雜的是用許多電子元件構成的“恒流驅動器”。
此方案的原理電路圖見圖1。這是一種極其簡單，自LED面世以來至今還一直在用的經典電路。
LED工作電流I按下式計算：
I與鎮流電阻R成反比；當電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I不超出LED的允許范圍。
此電路的優點是簡單，成本低；缺點是電流穩定度不高；電阻發熱消耗功率，導致用電效率低，僅適用于小功率LED范圍。
一般資料提供的鎮流電阻R的計算公式是：
按此公式計算出的R值僅滿足了一個條件：工作電流I 。而對驅動電路另兩個重要的性能指標：電流穩定度和用電效率，則全然沒有顧及。因此用它設計出的電路，性能沒有保證。
電路的工作是基于在交流電路中，電容存在容抗XC也有”鎮流作用”的原理。另外電容消耗無功功率，不發熱；而電阻則消耗有功功率，會轉化為熱能耗散掉，所以鎮流電容比鎮流電阻，能節省一部分電能，并能設計成將LED燈直接接到市電～220V上，使用更為方便。
此方案的優點是簡單，成本低，供電方便；缺點是電流穩定度不高，效率也不高。僅適用于小功率LED范圍。當LED的數量較多，串聯后LED支路電壓較高的場合更為適用。
上面已經提到電阻、電容鎮流電路的缺點是電流穩定度低（△I/I達±20～50％），用電效率也低（約50～70％），僅適用于小功率LED燈。
為滿足中、大功率LED燈的供電需要，利用電子技術常見的電流負反饋原理，設計出恒流驅動電路。和直流恒壓電源一樣，按其調整管是工作在線性，還是開關狀態，恒流驅動電路也分成兩類：線性恒流驅動電路和開關恒流驅動電路。
圖4是最簡單的兩端線性恒流驅動電路。它借用三端集成穩壓器LM337組成恒流電路，外圍僅用兩個元件：電流取樣電阻R和抗干擾消振電容C
上述線性恒流驅動電路雖具有電路簡單、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等優點，但使用中也發現幾點不足：
a、調整管工作在線性狀態，工作時功耗高發熱大（特別是工作壓差過大時），不僅要求較大尺寸的散熱器，而且降低了用電效率。
b、電源電壓要求按公式（13）與LED工作電壓嚴格匹配，不允許大范圍改變。也就是說它對電源電壓及LED負載變化的適應性差。
c、它僅能工作在降壓狀態，不能工作在升壓狀態。即電源電壓必須高于LED工作電壓。
d、供電不太方便，一般要配開關穩壓電源，不能直接用～220V供電。
輸入整流:將正負變化的交流電變成單向變化的直流電
濾波:將變化的電壓波形平滑成波動較小的直流電壓波形
變壓器:儲存能量,產生需要的輸出電壓.原、副邊隔離。
輸出穩壓:穩定輸出電壓
取樣反饋:將輸出電壓的變化反映到控制電路,以便采取相應的措施保證輸出電壓在規定的范圍內
PWM+開關:控制電路,根據反饋回來的信號控制變壓器儲存能量的多少,從而保證輸出的穩定
采用開關電源驅動的優點:效率高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩定。輸出紋波小。且這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。
（1）恒壓式
a、當穩壓電路中的各項參數確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；
b、恒壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。
c、 以穩壓驅動電路驅動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；
d、 亮度會受整流而來的電壓變化影響。
（2）恒流式
a、 恒流驅動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；
b、 恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。
c、 恒流驅動電路驅動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。
d、 應注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數量；
非隔離型降壓式電源設計方法概論
非隔離降壓型電源是現在普遍使用的電源結構，幾乎占了日光燈電源百分之九十以上。很多人都以為非隔離電源只有降壓型一種，每每一說到不隔離，就想到降壓型，就想到說對燈不安全（指電源損壞）。其實降壓型不只是一種，還有兩種基本結構，即升壓，和升降壓，即BOOST AND BUCK-BOOST，后兩種電源即使損壞。不會影響到LED的好處。降壓式電源也有其好處，它適合用于220，但不適用于110，因為110V本來電壓就低，一降就更低了，那樣輸出的電流大，電壓低，效率做不太高。 降壓式220V交流，整流濾波后約三百伏，經過降壓電路，一般將電壓降到直流150V左右，這樣即可實現高壓小電流輸出，效率可以做得較高。一般用MOS 做開關管，做這種規格的電源，我的經驗是，可以做到百分之九十那樣差不多，再往上也困難。原因很簡單，芯片一般自損會有0.5W到1W，而日光燈管電源不過就是10W左右。所以不可能再往上走。現在電源效率這個東西很虛，很多人都是吹，實際根本達不到。
常見有些人說什么3W的電源效率做到百分之八十五了，而且還是隔離型的。告訴大家，即便是跳頻模式的，空載功耗最小，也要0.3W，還什么輸出3W低壓，能到百分之八十五，其實有百分之七十算很好了，反正現在很多人吹牛不打草稿，可以忽悠住外行，不過現在做LED的懂電源的也不多。
效率要高，首先就要做非隔離的，然后輸出規格還要高壓小電流，可以省去功率元件的導通損耗，所以象這種LED電源的主要損耗，一就是芯片自有損耗，這個損耗一般有零點幾W到一W的樣子，還有一個就是開關損耗了，用MOS做開關管可以顯著減小這個損耗，用三極管開關損耗就大很多。所以盡量不要用三極管。還有就是做小電源，最好不要太省，不要用RCC，因為RCC電路一般的廠家根本做不好質量，其實現在芯片也便宜，普通的開關電源芯片，集成MOS管的，最多不過兩元錢，沒必要省那么一點點，RCC只省點材料費，實際上加工返修等費用更高，到頭到反而得不償失的那樣。
降壓式電源的基本結構就是將電感和負載串入300V高壓中，開關管開關的時候，負載即實現了低于300V的電壓，具體的電路很多，網上也很多。現在9910，還有一般的市場上的恒流IC基本都是用這種電路來實現的。但這種電路就是開關管擊穿的時候，整個LED燈板就玩完，這應該算是最不好的地方了。因為當開關管擊穿的時候，整個300V的電壓就加在燈板上，本來燈板只能承受一百多伏電壓，現在成了三百伏了，這種情況一發生。LED肯定要燒掉。所以很多人說非隔離的不安全，其實就是說降壓的，只是因為一般非隔離的絕大多數是降壓的，所以認為非隔離的損壞一定要壞 LED。其實另外兩種基本的非隔離結構，電源損壞，不會影響LED的。
降壓式電源要設計成高壓小電流，效率才能高，細說一下，為什么?因為高壓小電流，可以讓開關管電流的脈寬大一些，這樣峰值電流就小一些，還有就是，對電感的損耗也小一些，通過電路結構就可以知道，電路不方便畫，具體也難以再敘述下去了。就隨便總結一下，降壓電源的好處是，適合于220高壓輸入使用，以使得功率器件承受的電壓應力小，適合做大電流輸出，比如做100MA電流，比后兩種方式來的輕松，效率要高。效率算比較高的，對電感的損耗較小，但對開關管損耗大一些，因為所有經過負載的功率必須要經過開關管傳輸，但輸出的功率，只有一部分經過電感，如300V輸入，120V輸出的降壓型電源，只有 180V的部分要經過電感，120V的部分是直接導通進入負載的，所以說對電感損耗比較小，但輸出的功率，全部要經過開關管轉化。
下面要詳解的是，兩種恒流控制模式的開關電源，從而產生兩種做法。這兩種做法，無論是原理，還是器件應用，還是性能差別，相當都較大。
首先說原理。第一種以現在恒流型LED專用IC為代表，主要如9910系列，AMC7150，凡是現在打LED恒流驅動IC的牌子基本都是這種，且叫他恒流IC型的吧。但我認為這種所謂恒流IC做恒流，效果卻不怎么好。其控制原理相對來說較簡單，就是在電源工作的原邊回路，設定一個電流閥值，當原邊MOS導通，此時電感的電流是線性上升的，當上升到一定值的時候，達到這個閥值，就關斷電流，下一周期再由觸發電路觸發導通。其實此種恒流應該是一種限流，我們知道，當電感量不同的時候，原邊電流的形狀是不同的，雖然有相同的峰值，但電流平均值不同。因此，象這種電源一般就是批量生產時，恒流大小的一致性不太好控制。還有就是此種電源有一個特點，一般是輸出電流是梯形的，即波動式電流，輸出一般是不用電解平滑的，這也是一個問題，如果電流峰值過大，會對LED產生影響。如果電源的輸出級沒有并電解來平滑電流的那種電源，基本上都屬此類。即判斷是否是這種控制方式，就看其輸出有沒有并上電解濾波了。這種恒流我原來一直叫其為假恒流，因為其本質就是一種限流，并不是經過運放比較，而得到的恒流值。
第二種恒流方式，應該可以叫做開關電源式的。這種控制方式和開關電源的恒壓控制方式相似。大家都知道用TL431做恒壓吧，因為其內部有一個2.5伏的基準，然后用電阻分壓方式。當輸出電壓高一點的時候，或低一點的時候，就產生一個比較電壓，經過放大，去控制PWM信號，所以此種控制方式可以很精確的控制電壓。這種控制方式，需要一個基準，還需要一只運放，如果基準夠準，運放放大倍數夠大，那么就定的很準。同樣的，做恒流，就是需要一個恒流基準，一個運放，用電阻過流檢測，作為信號，然后用這個信號放大，去控制PWM，可惜現在就是不太好找到很準的基準信號，常用的有三極管，這個做基準溫漂大，還有就是可以拿二極管約1V的導通值做基準，這樣的也可以，可都不高，最好的是用運放加TL431當基準，但電路復雜。但這樣做的恒流電源，恒流精確度還是好控制的多。而這種模式控制的恒流，其輸出一定得加電解濾波，所以輸出電源是平滑直流，不是脈動的，脈動的話就沒法取樣了。所以要判定是哪種只要看其輸出是否有電解就行了。
兩種恒流控制模式決定了使用兩類不同的器件，一是從而決定了兩種電路器件使用不同，性能的不同，成本亦不同。以9910系列為代表的恒流型控制IC 做的LED電源，實際是限流，控制較簡單，嚴格的說起來，其不屬于開關電源控制的主流模式，開關電源控制的主流模式是一定要有基準和運放的。但這種IC出來就只能用于LED，很難用于其它的東西，只是因為LED對紋波要求極低。但因為是只用于LED，所以現在價格較高。基本就是使用9910加MOS管制作，輸出無電解，一般我看很多人就是用工字電感做功率轉換電感的。這種電源，一般廠家的芯片資料上有出圖，基本都是降壓式。
二是開關電源控制模式的恒流驅動器。這種，就是以普通的開關電源芯片為核心轉換器件，這種芯片很多，如PI的TNY系列，TOP系列，ST的VIPER12，VIPER22，仙童的 FSD200等，甚至只用三極管或是MOS管的RCC等，都可以做。好處是成本低，可靠性也不錯。因為普通的開關電源芯片不但價格好，而且都是經過大量使用的經典產品。象這種IC其實一般集成了MOS管，比9910外加MOS方便，但控制方式復雜一些，需要外加恒流控制器件，可以用三極管，或是運放。磁性元件可以用工字電感，亦可用帶氣隙的高頻變壓器。
關于此種電源的要求和電路結構的問題
對于看法是，因為電源要內置在燈里，而發熱是LED光衰最大的殺手，所以發熱一定要小，就是效率一定得高。當然得有高效率的電源。對于T8一米二長的那種燈，最好是不要用一支電源，而是用二支，兩端各一只，將熱量分散。從而不使熱量集中在一個地方。
電源的效率主要取決于電路的結構和所用的器件。先說電路結構，有些人還說要隔離電源，我想絕對是沒必要的，因為這種東西本來就是置于燈體內部，人根本摸不到。沒必要隔離，因為隔離電源的效率比不隔離效率要低，第二是，最好輸出要高電壓小電流，這樣的電源才能把效率做高。現在普遍用到的是，BUCK電路，即降壓式電路。最好是把輸出電壓做到一百伏以上，電流定在100MA上那樣，如驅動一百二十只，最好是三串，每串四十只，電壓就是一百三十伏，電流 60MA。
這種電源用的很多，本人只是認為有一點不好，如果開關管失控通咱，LED會玩完。現在LED這么貴。我比較看好升壓式電路，此種電路的好處，我反復的說過，一是效率較降壓式的高些，二是電源壞了，LED燈不會壞。這樣能確保萬無一失，如果燒壞一個電源，只是損失幾塊錢，燒一個LED日光燈，就會賠掉上百元的成本。所以我一直首推還是升壓式的電源。
還有就是，升壓式電路，很容易把PF值作高，降壓式的就麻煩一些。我絕對升壓式電路用于LED日光燈的好處還是有壓倒性的強于降壓式的。只是有一年缺點，就是在220V市電輸入情況下，負載范圍比較窄，一般只能適用于100至140個一串或兩串LED，對于少于此數的，或是夾在中間的，卻用起來不方便。不過現在做LED日光燈的，一般60CM長那種都是用100至140，一米二的那種，一般就是用二百到二百六那樣，使用起來還是可以的。所以現在LED日光燈一般使用的是不隔離降壓電路，還有不隔離升壓電路。
最后說一下，區別這兩種電源，一個最重要的方法，就是看其輸出是否有電解電容作濾波。
關于供電問題——不管是做限流型恒流控制的電源，還是運放控制的恒流電源，都要解決供電問題。即開關電源芯片工作 的時候是需要一個相對穩定的直流電壓為其芯片供電的，芯片的工作電流從一個MA到幾個MA不等。有一種象FSD200，NCP1012，和HV9910，此種芯片是高壓自饋電的，用起來是方便，但高壓饋電，造成IC熱量的上升，因為IC要承受約300V的直流電，只要稍有一點電流，就算一個MA，也有零點三瓦的損壞耗了。一般LED電源不過十瓦左右，損失零點幾瓦以下就可以將電源的效率拉下幾個點。還有就是典型象QX9910。，用電阻下拉取電，這樣，損耗就在電阻上，大約也得損失它零點幾瓦吧。還有就是磁耦合，就是用變壓器，在主功率線圈上加一個繞組，就象反激電源的輔助繞組一樣，這樣可以避免損掉這零點幾瓦的功率。這也是我為什么不隔離電源還要用變壓器的原因之一，就是為了避免損失那零點幾瓦的功率，將效率提幾個點。
對高PF LED日光燈電源，大電流的LED日光燈電源的看法
個人認為這些做法有很多時候實在是舍本逐末而已。現在先請問一下LED相對于傳統燈具的優勢在哪，第一，節能，第二長壽，然后是不怕開關，對吧。但是現在使用的高PF的方法，均是使用無源填谷PF電路，由原來的驅動方式，即48串，6并改為，24串12并，這樣的話，在220V情況下，效率會降下五個百分點左右，于是LED日光燈電源，發熱量更高了，燈珠也會受到一點影響。
還有一個問題，就是，24串12并的做法，會讓LED日光燈燈珠的布線變的很難受，不好布線了。我看，最好的方式還是48串一串方式好，主要是效率高，發熱小，而且布線容易，不復雜。
更有甚者，現在還有人提出什么24并，12串，這種方式只適合用于隔離電源，不隔離電源根本不適用。更有些不懂電源常識的人覺得自己非隔離電源做到恒流600MA輸出就好牛X了，其實他都沒有自己仔細的放在燈管里試過，象這種不熱爆了才怪。
所以說，現在搞什么低壓大電流做LED日光燈電源，實是舍本求末的做法。
關于外形
現在LED日光燈電源，做燈的廠家普遍要求放在燈管內，如放T8燈管內。很少一部分外置。不知道為什么都要這樣。其實內置電源又難做，性能也不好。但不知道為什么還有這么多人這樣要求。可能都是隨風倒吧。外置電源應該說是更科學，更方便才對。但我也不得不隨風倒，客戶要什么，我就做什么。但做內置電源，有相當難度哦。因為外置的電源，形狀基本沒有要求，想做多大做多大，想做成什么形狀也沒關系。內置電源，只能做成兩種，一種是用的最多的，就是說放在燈板下面，上面放燈板，下面是電源，這樣就要求電源做的很薄，不然裝不進。而且這樣只能把元件倒下，電源上的線路也只有加長。我認為這樣不是個好辦法。不過大家普遍喜歡這樣搞。我就搞。還有就是用的少一些，放兩端的，即放在燈管兩頭，這樣好做些，成本也低些。我也有做過，基本就是這兩種內置形狀了。
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