H橋為LED照明鋪新路

H橋是一種以用戶定義方式驅動直流電機的經(jīng)典電路，如正/反方向或通過四個分立/集成開關或機電繼電器的PWM輔助控制的RPM。它廣泛應用于機器與功率電子中。本設計實例是該技術的一種全新的實現(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、負偏移期間，采用交替電開關工作方式，將激勵電壓的負半周和正半周內(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，構成H橋的兩個臂;二極管D1和D2構成橋的另外兩個臂。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?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)構成的LED串，通過二極管D2進入大地，如箭頭A2所示。同樣，在負半周時，交流電源總線相對大地為負，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開關的調節(jié)。

由于晶體管Q3和Q4的基射結分別連接在電流檢測電阻R3和R4上，當R3和R4上的壓降上升到Q3和Q4的基射電壓以上時，兩個晶體管導通。在這個點，Q1和Q2的基極均被拉低，擾亂了在相應交流電源半周內(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，永遠不會超過某個閾值，這個閾值通過選擇R3和R4的值進行設置。Q5和Q6將Q1和Q2的基極電流限制在一個安全值(大約為150μA)，確保它們永遠不會過驅。當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基極電流的相當大部分通過Q5和Q6，被分流給R3和R4。

進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，兩只電容構成一個無極性電容。電路也可以由一個阻性電源驅動，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，適當選擇R3和R4。D5為LED串提供高反壓保護，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節(jié)，因為當工作在正偏模式時，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?？梢赃x擇在VLED+和VLEDGND之間連接一只220μF的電容C2，進一步抑制紋波，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。