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廣州LED亮化工程--AC直接驅動的LED燈絲燈

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LED 燈必須用恒定直流來驅動點亮，因此LED燈都離不開AC/DC的恒流電源，目前大多數使用的是開關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計師的主要工作和企業家的追求。

LED燈能否省去AC/DC驅動電源？直接用AC來驅動點亮呢？也是LED照明發展的一個美麗夢想！

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

無電源的AC LED應用方案在2008年初曾經萌生，限于LED燈珠的VF離散性太大，多串LED的均流當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年已經萌生。LED是一個典型的PN二極管，因此不僅能通電發光亮，當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。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接交流電源，另兩端聯接一串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，又發出光亮。

交流的正半周沿藍色通路流動，3串LED晶粒發光；負半周沿綠色通路流動，又有3串 LED晶粒發光；四個橋臂上的LED晶粒串輪番發光，相對橋臂上的LED晶粒串同時發光，中間一串LED晶粒串因共用而一直在發光。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的發光因此是有閃爍的。

采用長余輝LED有斷電余輝續光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結果人眼對LED光源的發光+余輝的工作模式解讀是連續在發光。LED有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發熱得以減少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燈絲燈經過幾年的發展，今天已經誕生一個技術創新的“IC 燈絲”！因此可能會對現有的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，并聯N根LED燈絲的應用，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，恒流IC裸芯片在燈絲基板上與N顆LED燈珠芯片直接串聯成一體，成為有自控燈絲電流的新型電子LED燈絲。IC燈絲能自恒流、自整流。

圖2 金屬基IC燈絲內部結構示意圖

由于大批量生產的LED燈珠晶粒其參數的離散性很大，即使我們在LED燈絲生產時使用原廠篩選后的LED晶粒方片，再經努力配對，還是不能保證批量生產的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，時間長了，這根VF小的LED燈絲會先發生光衰。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難題。IC燈絲在N根 LED 燈絲并聯的應用中能做到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，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是一顆芯片內部高度集成的恒流電源芯片，它由微調、基準電壓、穩壓電源、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，可直接驅動高壓LED燈串，無需調試，沒有取樣電阻，應用線路非常簡潔。芯片內部限定恒流，出廠時設置固定輸出10mA、12mA、20mA、30mA 電流，按訂單需要生產。

芯片內置600V MOS。應用線路無EMI問題。內置過溫保護。應用于IC燈絲十分方便，可恒定由N顆LED燈珠芯片串聯的HVLEDs燈絲電流。也可廣泛應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，芯片的內部結構原理框圖如圖3所示。DRAIN為兩端口恒流控制IC芯片的驅動輸入端，接HVLEDs負端，同時給這驅動芯片本身供電。

LA2012的設定恒流工作區域為3.7-60VDC。對HVLEDs恒流精度優于±3%。IF可以在IC 芯片出廠時預先設置，如10mA、12mA、20mA、30mA 等。線性調整率優于1mA，溫度系數優于-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芯片的內部結構原理框圖

兩端口線性恒流控制IC芯片內的溫度補償模塊，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燈絲上的應用電路如圖4所示。

圖4  兩端口線性恒流控制IC的應用圖

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照明電源驅動芯片的一個熱點產品！估計 N 家電源驅動芯片集成電路設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，燈絲上應用有點不便。

AC直接驅動LED燈絲燈

LED燈珠是一個典型的PN二極管，它不僅具有發出光亮的功能，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，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，即四個橋臂都用IC燈絲。

這三種應用方案有不同的性價比，效果也略有差異。這三種應用電路如圖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。一個串聯回路必須至少串聯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，結果人眼對LED光源的發光+余輝的工作模式解讀是連續在發光。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光源發光效率會因此減少30%左右。

圖 5   AC直驅LED燈絲燈應用電路

由上述AC直驅LED燈絲燈的三種應用電路可知，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，由此節省了驅動電源和人工安裝、與接線的成本，這類新穎的AC直接驅動的LED燈絲燈的BOM成本與現在的LED燈絲燈相比降低15-25%，對現有的燈絲燈方案和設計理念也許是一個沖擊和一個革命性的變化！

圖6  AC直驅LED燈絲燈

采用金屬基IC燈絲的AC直驅LED燈絲燈結構圖如圖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熱、借助玻璃泡發散熱量的單一途徑。

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，打開直絲LED燈絲燈，其燈下中間會呈現暗區而周圍明亮。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。晶泰星已經批量生產金屬基石墨烯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LED照明發展的又一個美麗夢想！（本文作者：顏重光）

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