H橋?yàn)長(zhǎng)ED照明鋪新路

H橋是一種以用戶(hù)定義方式驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的經(jīng)典電路，如正/反方向或通過(guò)四個(gè)分立/集成開(kāi)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(jì)實(shí)例是該技術(shù)的一種全新的實(shí)現(xiàn)方法，能以全波限流模式，從交流電源直接驅(qū)動(dòng)白光LED陣列，從而實(shí)現(xiàn)一種無(wú)閃爍、高能效的固態(tài)照明燈。電路會(huì)在激勵(lì)電壓的正、負(fù)偏移期間，采用交替電開(kāi)關(guān)工作方式，將激勵(lì)電壓的負(fù)半周和正半周內(nèi)的LED激勵(lì)電流控制并維持在一個(gè)恒定的水平。這種方法可對(duì)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(wú)紋波的電流，大大改進(jìn)了功率因數(shù)。

原理見(jiàn)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(kāi)關(guān)，構(gòu)成H橋的兩個(gè)臂;二極管D1和D2構(gòu)成橋的另外兩個(gè)臂。LED串連接在橋的中點(diǎn)之間，兩個(gè)點(diǎn)分別叫VLED+和VLEDGND。交流電通過(guò)一個(gè)限流PTC電阻R5、串聯(lián)電容C4和C5(構(gòu)成一只無(wú)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(xiàn)通過(guò)電感L2連接到電路的大地。

在正半周內(nèi)，交流電源總線(xiàn)相對(duì)大地為正，晶體管Q1通過(guò)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(guò)由12只中功率LED(LED1~LED12)構(gòu)成的LED串，通過(guò)二極管D2進(jìn)入大地，如箭頭A2所示。同樣，在負(fù)半周時(shí)，交流電源總線(xiàn)相對(duì)大地為負(fù)，晶體管Q2通過(guò)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(guò)LED串，通過(guò)二極管D1進(jìn)入交流電源總線(xiàn)，如箭頭A4所示。這樣，在一個(gè)完整周期內(nèi)，電流以相同方向流過(guò)LED串，獲得了一個(gè)全波整流橋的效果。不過(guò)，電流ILED的幅度保持恒定，因?yàn)槭艿搅俗鳛閴嚎仉娏髟吹南鄳?yīng)開(kāi)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(cè)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(shí)，兩個(gè)晶體管導(dǎo)通。在這個(gè)點(diǎn)，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(guò)它們的電流。流過(guò)晶體管的電流以這種方式保持恒定，永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)某個(gè)閾值，這個(gè)閾值通過(guò)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(gè)安全值(大約為150μA)，確保它們永遠(yuǎn)不會(huì)過(guò)驅(qū)。當(dāng)Q1和Q2各自基射電壓超過(guò)了分別與R1和R2串聯(lián)的R6和R8上的壓降時(shí)，Q1和Q2基極電流的相當(dāng)大部分通過(guò)Q5和Q6，被分流給R3和R4。

進(jìn)入總線(xiàn)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(guò)選擇C4和C5而改變，兩只電容構(gòu)成一個(gè)無(wú)極性電容。電路也可以由一個(gè)阻性電源驅(qū)動(dòng)，方法是用一個(gè)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(jià)是限流電阻有非常大的功耗。可以根據(jù)所需要恒流水平，適當(dāng)選擇R3和R4。D5為L(zhǎng)ED串提供高反壓保護(hù)，而R5限制了上電時(shí)的浪涌電流。電感L1和L2與電容C1幫助盡量減少EMI/RFI，同時(shí)提高功率因數(shù)?？梢耘c交流電源并排插一個(gè)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(cè)電阻R3和R4選為1Ω。不過(guò)，LED的數(shù)量可以增加到18只，只要LED串上施加的電壓超過(guò)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?yàn)楫?dāng)工作在正偏模式時(shí)，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(méi)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(jiàn)圖2。另外，可以用六個(gè)并聯(lián)LED串取代現(xiàn)有燈串，每一串上有12只~18只標(biāo)稱(chēng)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。