市电LED照明自适应恒流驱动器

求新求变促进自主研发

笔者于多年前进入大规模应用LED 的产品领域，见证了LED 照明器件由质次价高到逐渐提高品质，从低发光强度产品向高亮度、超高亮度发展。随着相对大的功率和高光效的器件出现，产品价位也有很大幅度的下降;以至于有可能从显示及信号灯的应用范围向更广阔的普通照明应用市场拓展，也为从事LED 应用的工作者提供了施展能力的基础。

当年面对大规模应用LED 的交通信号灯产品时，产生了一种思维观念：认为虽然使用的LED 还有许多局限性乃至不足之处，但不能就此无所作为，而应该各司其职。作为LED 应用产业不得不考虑的是，在现有器件的水平下如何充分利用好它的潜质，也就是说需要深入了解LED 特性、用好LED 。

LED 从本质上说是一种电流器件，是通过电流而产生光效;在电特性上又相当于一个稳压管，当流过的电流发生变化，引起两端电压的变化是很小的。但是如果外加的电压比LED 的稳压值稍大些时，则流过的电流就要发生很大的变化，所以LED 必须由电流源供电，而且要求恒流。企图稳压供电再用电阻限流方式，也并非上策;因为LED 在工作时发热、老化等致使压降变化，最后压差变化了还是要造成工作电流变异。

在人们质疑所用的LED 性能或失效率不如人意时，对LED 的先天不足应持客观的态度，因为任何事物的发展、进步都需要有个过程，更何况现在已显露出LED 有着不凡的前景。可以先化点精力仔细检查并测试一下器件的工作状态及生产加工过程。

必须明白LED 是种娇贵的器件，所以应用上总是想从LED 中获得尽可能多的光通量以降低成本。工作电流往往就接近上限值，但是因电源浪涌，感生电流等即使短期的意外过载都必然会对器件产生伤害。所以一定要保证必要的电流宽裕度或有严格可靠的保护措施。

而LED 内部的银膏导电结构和环氧封装等，遇热胀冷缩环境不可避免地有应力损害，大电流及高温下也要加剧光衰不能不防。

温度和散热条件有时更可能是致命的杀手，所以生产过程中焊接的温度和时间都要控制不得超标，随后的及时冷却也致关重要。因为要便于从引线散热，热阻就做得小，热量同样容易从引脚传入，当引脚处理得短时传热更甚;有时器件失效率的升高往往是焊接过程中疏忽所造成的。

虽有这么多难题要解决，但也不必因此消极气馁，这可是LED 应用工作者发挥作用的大好时期。可以看到世界上那么多公司开发出形形式式的LED 驱动芯片，既体现了业界精英们的智慧和积极性，也显示出蓬勃发展的商机产生的促进力。本来照明产品就有非常大的比例直接在市电电网上使用，所以绿色节能的市电LED照明将会有巨大的市场需求潜力。

要推广LED 在市电照明的应用，必须要找出它的特殊性，才有可能达到事半功倍的效果。与以前成熟应用的直流低压条件不同，市电电压相对比较高，除了人身安全外还有击穿、打火的可能。因此驱动器就需有所不同;为了降低驱动的功耗提高照明效率，LED 组件应该布置成适合在高电压小电流下工作，就是要串联使用LED 。这和大电网输电线路要用超高电压传送降低损耗有异曲同工的道理。所以串联使用许多个低功率LED ，比使用少量功率型LED更省电(功率型LED其内部实际相当于许多低功率LED 芯片并联而成)。而且从产品指标上也看得出，三个1W的LED 加起来要比一个3W的光效增加不少，当多个器件分散布置时更有利于散热和降温，同样会提高光效，都支持这种最节电的设计理念。

自主创新源于技术的经历和累积

发展市电LED 照明产品，观念上先要拓宽，仅模仿过去的产品改头换面不会有出路，要替代白炽灯就想将LED 和驱动电路塞进灯泡里，要做成日光灯就忘不了那根细长的管子。[!--empirenews.page--]

太仿真了就成不了真，拘泥于旧形式就创不出新局面。要沿用白炽灯的罗口标准没有错，但不妨将灯罩也一起设计上去，使用 一点工程塑料就可将多个LED 和驱动电路分散布置得很好，就可创造出自然通风散热的环境。带个塑料灯罩的LED 照明灯增加不了多少成本，却能为LED 安全、稳定使用和光照分布的满意度起到决定性的作用。

至于日光灯主要是天花板顶部照明器具，何苦总要做成长条形，完全可顺其自然做成所需要的『面积照明』 。那时散热性、照度均匀性等问题都会迎刃而解。

而作为市电还有其交流方面的特殊性能，作者三十几年前因为不满足钨丝二极管传感器加电抗器控制的交流稳压器的性能，研究过一种应用前馈技术的精密交流稳压器电路，虽没有机会形成产品却对市电有过一番琢磨。几年前又发散了一下思维，研究出市电自适应恒流驱动LED 的原理，创造了独特的使用市电的LED 照明控制电路专有(专利)技术。详情见专题论述。

这里简言之，就是利用市电的特性，在直接驱动LED 照明器具时，使之能适应电网电压的波动而始终保持在设定的恒流状态。

最近看到NXP 公司推出了据称是世界首款集成可调光市电LED 驱动器SSL2101 。经过比较之后，发觉所创造的市电自适应控制电路，比SSL2101 要简单得多。简单到芯片内总共只需集成十多个低功耗的通用二极管、双极型晶体管。无需专门的Vcc 电源，不用变压器、电感线圈等，直接使用220V市电并可立即驱动LED ，除了有手动调光功能外，还能极方便地自动调光。

已制成用121 个LED 的晚上可自动降低发光亮度的，符合欧洲节能标准的交通信号灯样品，还做成可根据环境光亮度，在白天关闭、夜间自动点亮的用16个LED 组成的照明灯。在市电180V～250V工作范围内，做到约1 %的恒流稳定度，二年后测试仍保持不变。说明在市电应用中，市电自适应LED 恒流驱动器，无论在LED 使用的个数上或者对自动调光的方式上都能游刃有余，在性能、成本上比SSL2101 有独到的地方。

市电自适应LED 恒流驱动器芯片引脚见图1 ，典型应用框图如图2、图3 所示。

图中的驱动芯片还没有厂投产故未标型号，作者先用分立器件模块代替。但是显而易见，那些通用的小功率晶体二极管、三极管，在IC生产厂都可以很容易地集成出来。图2中RV1 用来调节恒流值，即灯光亮度。RV2用来调整照明灯开启和关闭时的环境光亮度的阈值。图3 中的RV1 用来调整交通信号灯的工作电流值，图中RB为感光后起自动调节作用的光敏电阻。外围电路只用不到十个的低功耗电阻和四个低压电容器。图7 、图8 、为已制作成的样品外形图。图9为减少引脚后的IC封装图，这里仅以低压制作工艺的一种芯片型式，就可封装成12脚的有二种光控功能的IC，和封装成二种 8脚的有某一种调光功能的IC。

市电LED自适应驱动器理论上的控制功耗非常小(约5%及更少)，这种低成本的市电LED 自适应恒流驱动器，在没有了解其节电控制原理前，也许令人不可思议，但确实是真的。可以作直观一点的介绍，在实例中的16个LED 组成的照明灯，为了加强自然对流降温，在所有引脚都焊上约 1平方厘米的铜质翼片散热，当35度高温天气下工作一段时间后LED 灯上就感到很热，而恒流驱动器的MOSFET控制管上不加散热器也只感到温热，在气温低的时候则感受不到热量。[!--empirenews.page--]

LED 是一种工况要求严谨的器件，通常经不起反复负载冲击折腾。现在生产LED 的厂家虽然很多，高亮度也做得到，但是能生产功率型LED 器件的就不多，因为对器件的耐受性要求很高，工艺和材质要求更严，生产成本也高。所以即使具有高耐受性的优质低功率LED 也比通常的要贵不少。

但有的LED 照明器具，比如交通信号灯有时就必须工作在反复开、关的状态，使用带有变压器等电感的驱动电路时，LED 就容易提前失效。作者做过批量试验，曾将报废的灯具中可利用的LED 器件制成信号灯样本。筛选掉早期失效器件后，用原带变压器的驱动控制线路在0.5 秒开、0.5 秒关的状态下连续工作，基本上每天(8 小时内)总还会发生LED 失效。而同样品质的利用器件，未经过早期筛选就做信号灯样本，用市电自适应LED 驱动器供电，进行相同的反复开、关试验，历时数星期都没有LED 失效。

由此想到，采用市电LED照明自适应驱动器后，可以不一定非要用到优质的功率型LED ，即使是生产一般性能的高亮度、低功率 LED 厂家也可以在市电照明领域中占得份额，而且成本价格上具有优势，经济效益也好。SSL2101 驱动器被认为是高成本效益比的产品，市电LED 照明自适应驱动器或许有机会被称为具有超高成本效益比的产品。

开拓产品应用类型效果可观

市电LED照明自适应驱动器可应用的产品类型，除了已试制的交通信号灯和自动启闭照明灯外，台灯、射灯、日光灯、吸顶灯、楼道灯、庭园灯等等都属于相似类型，拓展当不成问题。更吸引人的应用是大尺寸液晶LED白光或RGB背光照明，还有LED在投影机中开拓应用。电路精简、高节能、低成本等优点当能与显示电路整合后，效果就更可观。

下面就目前最希望能做到的，高效LED照明灯直接替代低效率白炽灯的具体各部分构成作一些探讨和设想：

白炽灯是一种成熟、稳定、廉价的大众化产品，就因为白炽灯既传统又经典，所以要成功替换并不容易。好在社会发展到对节能的严格要求，已进入倒计时阶段;促进力足以扶助LED的成长不够充分这个弱点。但取得成功的关键还在于LED器件的价格水平。能进一步提高亮度，改善显色性能当然最好。

但用现有条件水平的LED要做成照明灯来替代白炽灯时，我们也可对各组成部分作一番盘算。

一、 LED驱动器部分

市电LED照明自适应驱动器具有电路精简、可靠，对LED的适应性强，成本低、调光功能多等优点，所以非常适合用于LED替代白炽灯时应用。

二、LED发光单元部分

国产的低功率高亮度白光LED(20mA)单价已能降到0.1元的水平，步入规模应用的价位。但是白光LED要提高『光/价』比，除了等待芯片的价格随着生产发展而降低外，在LED照明单元的封装型式上还期待通过突破性变革，来提高光效并降低成本。

设想的一种构造是：芯片阵列式直接散热布局的多透镜一体化面积型照明封装。

通过将许多LED芯片分散集成在一片较大的PCB上，并直接传导散热，会大大提高器件的热性能。还避免了通常可能产生的LED焊接损伤。多透镜一次性封装，能保证二次光学处理的精准效果，同时也降低成本。

三、光学处理和整体结构部分

LED照明灯的光学指标除了光通量、显色指数外，还有对眩光的要求。前者决定于LED本身的品质特性，而眩光的感观是因光源中光强分布不均，局部有特别强的光引起刺目所致。LED是点光源，所以由多颗LED组成的照明灯应该有二次光学处理。作者多年前看到过欧洲制造的交通信号灯的一种结构：由八颗功率LED分布组成的光源经过二次光学处理的一张薄光片后，就使出光面的亮度做到非常均匀，绝无眩目的感觉。过去我们在完成光学设计后，有时还需要多次设计、开模具试光修正，很费时、费钱。而现在光学设计技术已经发展成熟，应用ZEMAX、TRACEPRO等软件，便于非成像光学类型的二次光学设计。所以二次光学处理应该是LED照明灯的不可或缺的部分，即使要减少5%的光效，增加5%的成本，换来所需范围的均匀照度和舒适不眩目的光感，也完全值得。[!--empirenews.page--]

通常的白光LED器件光的色温多数偏高，故显色性指数就低，既会使人不易看清物体的本色，又要影响眼睛的视觉舒适性。能做一下加法添些红光最好，但需增加器件、费用也大。在替代白炽灯的LED照明灯中必要时也可做点减法，那些使人不舒服的光线成分实际成了光污染。用色片滤除不需要的色光成分，就可提高显色性能。虽然在测试光通量时会显得少一些，但去除这些有碍的光线成分后，不至于就降低实际视觉光效，对观感效果反而有益处。

替代白炽灯的LED灯有时为了要做得像白炽灯，就将LED的光布置得向球面各方照射，真难说不是弄巧成拙。记得白炽灯应用的前期，因为尚显精贵，往往就配以各种灯罩，既避免直射的光线刺目，又能显现灯具的多姿多态。从光学上看是使光线集中照射，效果更佳。但是当各类新颖照明灯纷现，白炽灯成为最普通、最低档的照明时，随便用个裸灯泡照明就习以为常。如要以此为准，显然有悖常理。

LED照明灯如以灯罩为结构主体，能使螺旋灯头、驱动电路、LED照明单元、二次光学片、反光罩、通风散热通道等有机地共聚一体，实用、安全也经济。

实现社会价值需要政、商、科、技的融洽

有一种观点认为，自主创新要能完美地实现，应包含三个『自主』 。除了『自主』创新的科学思维外还应有『自主』的知识产权和『自主』的开发平台。

对照检查一下市电LED 照明自适应驱动器：

一、既不是用传统的模拟技术控制方法，也不用PWM 方式、电荷泵型式，更不是开关电源的工作模式。而是应用了与现有控制技术都截然不同的，完全『自主』创新的市电自适应恒流技术。

二、独立创造的市电自适应LED 恒流控制技术，并非由其它专利技术的派生或发展而得，当然完全可拥有『自主』的知识产权。

三、所创新的IC电路采取业内低压通用制造工艺就可生产，很容易建立『自主』开发的平台。

笔者认为除了三个『自主』之外，自主创新还需要有机遇。而只有科技发展和创新才是促进目前世界经济复苏的主要动力，因此是个长期的机遇过程，明年的上海世博会以及业界的高层论坛、各类展览、大赛也都有机遇的可能。最近国家发改委宣布计划在三年内逐步用高效照明器具完全淘汰白炽灯的决定，购买节能灯曾有过30～50%的财政补贴，是个实足的机遇，将成为市电LED照明灯发展的强劲动力。

成就科学技术的社会价值是科技工作者的目标，当然不仅仅是追求价值的本身，更重要的是要实现对社会的创造性贡献。市电LED自适应驱动照明器具产业，也需要政策的关注和工商业界的发展决断及风险投资的助推。社会发展需要和谐，产业的成长离不开各界的融合、融通及融洽。

附录 SSL2101 参考资料

作者简介

章耀坤 66届电子仪表专业，从事过电子元件产品性能试验，仪器仪表设计、制造、修理、计量等项工作，后任上海广电凯歌洗衣机厂主工艺师，主设计师，上海广电长岱饮用水有限公司主设计师、副总工程师，现上海澳星照明电器有限公司退休工程师。

有一项非职务专利于首届全国星火杯发明竞赛中获奖;在上海市的一次专利技术应用成果统计时，作者所创造的一项职务专利实施一年半内就支持了企业独占市场的产品产值逾1400万元。