基于H橋的LED照明設(shè)計方案

基于 H 橋的 LED 照明新技術(shù) H 橋是一種以用戶定義方式驅(qū)動直流電機(jī)的經(jīng)典電路，如正/反方向或通過四個分立/集成開關(guān)或機(jī)電繼電器的 PWM 輔助控制的 RPM。它廣泛應(yīng)用于機(jī)器與功率 電子中。本設(shè)計實例是該技術(shù)的一種全新的實現(xiàn)方法，能以全波限流模式，從交流電源直接驅(qū)動白光 LED 陣列，從而實現(xiàn)一種無閃爍、高能效的固態(tài)照明燈。電路 會在激勵電壓的正、負(fù)偏移期間，采用交替電開關(guān)工作方式，將激勵電壓的負(fù)半周和正半周內(nèi)的 LED 激勵電流控制并維持在一個恒定的水平。這種方法可對交流電 壓做電流控制的整流，使之成為串聯(lián) LED 的直流供電電壓，有干凈幾乎無紋波的電流，大大改進(jìn)了功率因數(shù)。

原 理見圖1，晶體管 Q1、Q3和 Q5與二極管 D4，還有晶體管 Q2、Q4和 Q6與二極管 D3均配置為串聯(lián)的壓控電流開關(guān)，構(gòu)成 H 橋的兩個臂；二極管 D1和 D2構(gòu)成橋的另外兩個臂。 LED 串連接在橋的中點之間，兩個點分別叫 VLED+和 VLEDGND。交流電通過一個限流 PTC 電阻 R5、串聯(lián)電容 C4和 C5（構(gòu)成一只無極性電容 CEFF），以及電感 L1施加到電路上。同樣，主交流電的中性線通過電感 L2連接到電路的大地。

在 正半周內(nèi)，交流電源總線相對大地為正，晶體管 Q1通過電阻 R1獲得適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置。電流流經(jīng)二極管 D4、晶體管 Q1，以及電阻 R3，如箭頭 A1所示，然后 流過由12只中功率 LED（LED1~LED12）構(gòu)成的 LED 串，通過二極管 D2進(jìn)入大地，如箭頭 A2所示。同樣，在負(fù)半周時，交流電源總線相對大地為 負(fù)，晶體管 Q2通過電阻 R2獲得基極偏置。電流流經(jīng)二極管 D3、晶體管 Q2，以及電阻 R4，如箭頭 A3所示，然后流過 LED 串，通過二極管 D1進(jìn)入交流電 源總線，如箭頭 A4所示。這樣，在一個完整周期內(nèi)，電流以相同方向流過 LED 串，獲得了一個全波整流橋的效果。不過，電流 ILED 的幅度保持恒定，因為受 到了作為壓控電流源的相應(yīng)開關(guān)的調(diào)節(jié)。

由于晶體管 Q3和 Q4的基射結(jié)分別連接在電流檢測電阻 R3和 R4上，當(dāng) R3和 R4上的 壓降上升到 Q3和 Q4的基射電壓以上時，兩個晶體管導(dǎo)通。在這個點，Q1和 Q2的基極均被拉低，擾亂了在相應(yīng)交流電源半周內(nèi)通過它們的電流。流過晶體管的 電流以這種方式保持恒定，永遠(yuǎn)不會超過某個閾值，這個閾值通過選擇 R3和 R4的值進(jìn)行設(shè)置。Q5和 Q6將 Q1和 Q2的基極電流限制在一個安全值（大約為 150μA），確保它們永遠(yuǎn)不會過驅(qū)。當(dāng) Q1和 Q2各自基射電壓超過了分別與 R1和 R2串聯(lián)的 R6和 R8上的壓降時，Q1和 Q2基極電流的相當(dāng)大部分通過 Q5和 Q6，被分流給 R3和 R4。

進(jìn)入總線的交流電流幅度受到主頻率下 CEFF 電抗（1/2πfCEFF）的限制，可以通過 選擇 C4 和 C5而改變，兩只電容構(gòu)成一個無極性電容。電路也可以由一個阻性電源驅(qū)動，方法是用一個50Ω~200Ω的合適大功率電阻代替 CEFF。這樣有 助于獲得出色的功率因數(shù)，但付出的代價是限流電阻有非常大的功耗?？梢愿鶕?jù)所需要恒流水平，適當(dāng)選擇 R3和 R4。D5為 LED 串提供高反壓保護(hù)，而 R5限 制了上電時的浪涌電流。電感 L1和 L2與電容 C1幫助盡量減少 EMI/RFI，同時提高功率因數(shù)?？梢耘c交流電源并排插一個金屬氧化物壓敏變阻器，以保護(hù) 電路不發(fā)生瞬變。

電 路中的12只0.5W 的 LED 在120mAdc（135mARMS）下工作，而相應(yīng)的電流檢測電阻 R3和 R4選為1Ω。不過，LED 的數(shù)量可以增加到18 只，只要 LED 串上施加的電壓超過單只 LED 正向電壓之和（白光 LED 的正向電壓在3.3V~4V 范圍內(nèi)變化）。LED 上的電壓是自限的（本例中，大約是 42V），不需要任何額外的調(diào)節(jié)，因為當(dāng)工作在正偏模式時，串聯(lián) LED 的行為就像大功率齊納二極管。電路在230V 交流電源下消耗功率為11.5W，功率 因數(shù)為0.93，LED 上沒有任何閃爍現(xiàn)象。可以選擇在 VLED+和 VLEDGND 之間連接一只220μF 的電容 C2，進(jìn)一步抑制紋波，見圖2。另外，可 以用六個并聯(lián) LED 串取代現(xiàn)有燈串，每一串上有12只 ~18只標(biāo)稱20mA 的高亮度 LED。晶體管 Q1和 Q2必須裝有散熱片，以避免熱失控。