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无纹波频闪线性高压LED驱动方案（ORG8511)

日期：2024-11-18 18:46
浏览次数：3864
摘要：
 无纹波频闪线性高压LED驱动方案（ORG8511)
一. 高压LED
“高压LED”，一种是LED生产厂家提供串联好的小功率LED，如图1左图所示，它只是集成LED的一种，而右图所示的集成LED和前者的主要区别是，前者是全部串联，后者是串并联。集成LED的特点是在大晶片上采用开槽的方法，将其切割成若干小LED，然后用绝缘层把这些沟槽填平，按照串并联要求铺设连接各个LED的导线。
图1 高压LED
无论哪种“高压LED”，本文所讨论的线性高压LED驱动方案，是较小电流(小于100mA)，较高电压的LED驱动方案。
图2 LED负载特性
LED的负载特性如图2所示，根据LED的负载特性，高压LED需要有一种可控恒流源来控制。经过整流的工频交流电电压，如果将此电压直接加到输出LED上面，这样的问题是无法实现恒流，即整个工频周期内通过LED电流不恒定。一. 无法实现亮度的控制。二. LED灯珠寿命大大缩短。
根据控制要求不同，主要的恒流控制方法有：开关电源驱动、阻容降压驱动以及线性高压驱动。
二. 技术路线PK
2.1线性高压驱动 vs. 高频开关电源驱动
在LED灯珠负载里串接MOSFET，让MOSFET闭环受控于LED负载电流，工作在线性区，使线路产生“恒流-变压”效果，这样在LED负载通过的就是恒定电流，而串接的MOSFET承受了变化的电压。这就是类似LDO(Low Dropout Regulator低压差线性稳压器)的工作原理。简单说来，这就是线性高压驱动LED的工作原理。
高频开关电源驱动，是通过高频开关、磁性元器件，将交流市电转换为LED需求的电压、电流。高频开关电源驱动又分为隔离和非隔离两种。
相比与高频开关电源，线性高压方案的优点主要是：线路简单，电路工作在工频线性模式，不是工作在高频模式，省去了高频电感，同时没有EMI的问题，省去了EMC电路。
而高频开关电源驱动相比于线性高压方案，在线路复杂许多，但可以灵活实现各种负载输出需求。两者应用场合不同，严格意义上讲不具有可比性，这就比如你可以比较两种品牌的汽车的功率、扭矩等等，但你拿开汽车跟骑马比哪一种更好呢，因为马匹没有扭矩。我们接下去着重比较线性高压方案和它的主要对手：传统阻容降压方案。
2.2 线性高压驱动 vs. 阻容降压驱动
阻容降压工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制*大工作电流，电容降压实际上是利用容抗限流，而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。如图3所示，由于整流管的导通电阻只有几欧姆，稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右，限流电阻R1及负载电阻一般为100~200，而滤波电容一般为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电阻，可以画出图3下图的交流等效电路。同时满足了>R的条件,所以可以画出电压向量由于R甚小于，R上的压降也远小于C1上的压降，所以VC1与电源电压V近似相等，即=V。根据电工原理可知：串联电容的容抗为 ，以1uF、50Hz交流电为例，其容抗=3185欧姆(1/2*3.14*50*10e-6)，整流后的直流电流平均值Id。
图3 阻容降压驱动高压LED示意
目前，阻容降压方案依然是市场上存在的用量巨大的方案。存在即合理，它的简单，对于LED市场阶段发展需求，起到了不可磨灭的贡献。但笔者的观点是，阻容降压无法充分发挥LED光源的两大优势：1. 长寿命。 2. **的可控性。 长期趋势，阻容降压会渐渐被线性高压和高频开关电源驱动方案所替代。而阻容降压方案当前面临的*大直接竞争对手，就是异军突起的线性高压方案。比较典型高压工艺芯片ORG8511，单芯片内集成控制器，是单开关控制的经典简化方案。
 
 
 
 
取18W T8 LED日光灯应用，使用线性高压和阻容降压两种方案，请看下文的性能、成本直接对比详解。
设计目标：
输入电压范围：200~265VAC/50Hz 效率：>82%
输出电压范围：260VDC 输出电流：70mA
标称输出功率：18W
18W T8应用线路图比较
图4 阻容降压应用线路图
 
图5 ORG8511线性高压原理图
从上面线路图上来看，两种方案外围元器件个数相当，主要是阻容降压两个大容量高压CBB(1uF/400V*2 CBB)或更大与高压线性方案控制芯片ORG8511的差别;1uF/400V CBB电容市场价大概0.8RMB左右，两个CBB与芯片的成本相当，所以这两种方案从元器件成本上来说是相当;
18W T8 PCB板上的对比
图6 阻容降压应用PCB版图(W:17mm; L:90mm)
图7 ORG8511内置于LED灯板(W:12mm; L:1170mm)
 
图8 局部放大图一
 
图9 局部放大图二
从上面PCB layout 可以看出，因为ORG8511方案只有一个电解是插件，其它均为贴片器件，且10uF/400V电解可内置于T8灯头内，故可省略驱动电源板。而阻容降压因为其两个CBB电容(1uF/400V)的体积大且输出端还有一个电解电容(10uF/400V)，无法内置于灯板上。从整个系统上来看，由于ORG8511方省去了驱动板，工厂生产和安装上都带来方便，成本上也有下列节省：1).无需连接线材;2).无需驱动PCB; 这使得整个系统节省RMB1.0左右。
 
性能对比
阻容降压的缺点如下：
1). 无法恒流，输入电压越大输出电流越大;
2). 正温度特性，温度越高输出电流越大;
3). 输出电流纹波大：为100HZ正弦波，存在严重频闪;
4). 耐电压冲击能力差，输出易产生过冲电流;
以上缺点，导致使用阻容降压电源LED普遍光衰严重，整灯寿命短。
ORG8511高壓啟動技术线性高压方案特点：
1). 闭环恒流;
2). 回授电流补偿，当出现250V以上高電壓的情况可保证LED不损坏;LED寿命长，方案**性高
3). 无任何输出电流纹波：高频和低频;
4） 支持前切、后切、两边切可控硅调光
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
阻容及ORG8511的测试对比：
阻容测试：
应用线路：
 
 
测试数据：
输入电压（V）
总功耗
(W) 
输入电流(mA)
LED电压(V) 
LED平均电流(mA) 
PFC
效率
LED的功耗(W) 
100
0
0
138
0
0
 
0.00 
110
0
0
149
1.1
0
 
0.16 
120
0.67
10
154
4.1
0.536
94.24%
0.63 
130
1.26
16
157
7.6
0.569
94.70%
1.19 
140
1.91
23
160
11.3
0.586
94.66%
1.81 
150
2.67
29
162
15.6
0.596
94.65%
2.53 
160
3.49
36
165
20.1
0.598
95.03%
3.32 
170
4.4
42
167
24.5
0.601
92.99%
4.09 
180
5.29
49
169
29.1
0.596
92.97%
4.92 
190
6.26
55
171
33.9
0.591
92.60%
5.80 
200
7.28
62
173
39
0.581
92.68%
6.75 
210
8.28
69
175
43.9
0.572
92.78%
7.68 
220
9.37
75
177
48.8
0.566
92.18%
8.64 
230
10.4
81
178
53.8
0.557
92.08%
9.58 
240
11.5
87
180
58.4
0.55
91.41%
10.51 
250
12.6
94
182
63.9
0.54
92.30%
11.63 
260
13.8
100
183
68.7
0.533
91.10%
12.57 
 
 
 
 
 
ORG8511测试方案：
应用线路图：
        
测试数据：
Test Result (2835/60mA灯珠 85颗）                 for reference only
输入电压（V)
总功耗(W)
LED电压(V)
LED平均电流(mA)
PFC
效率
NMOS管的大约功耗(W)
LED的功耗(W)
200
8.2
244
30.4
0.776
90.46%
0.78 
7.42 
210
9.09
245
32.6
0.814
87.87%
1.10 
7.99 
220
9.45
245
32.7
0.836
84.78%
1.44 
8.01 
230
9.49
245
32.2
0.844
83.13%
1.60 
7.89 
240
9.58
245
31.8
0.846
81.33%
1.79 
7.79 
250
9.29
244
30.2
0.833
79.32%
1.92 
7.37 
260
8.56
242
27.5
0.797
77.75%
1.91 
6.66 
 
测试数据分析：阻容式结构所谓的全电压只是代表输入电压低时可以点亮，同时输入及输出功率都会发生变化，同时输入及输出功率会随输入电压变化而变化。无法做到一定电压范围内功率及电流恒定。输入电压越高，输入及输出功率越大，相应的电流也越大。这样的结果会导致LED灯珠的寿命大大降低。ORG8511可以提供控制电流的方式达到一定的电压范围内输入功率或者输出功率恒定。这样对LED的寿命起到很好的保护，LED上的电流不会随着输入电压的升高而升高。
 
 
小计：ORG8511线性高压方案与阻容降压方案对比，技术上有重大突破，整体系统成本也有下降，是一种能更好替代阻容方案的先进技术。其主要局限是只能应用于单电压。
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