隨著技術的發展，LED光源的光效不斷提升、有效壽命時間遠遠超過了傳統的氣體放電光源，LED路燈的應用越來越廣泛。市場上絕大多數的LED路燈使用的都是直流(以下簡稱DC)驅動的方式，DC電源的優點是技術成熟，工作電壓范圍寬。但同時受制于DC驅動電源電路的復雜性，以市場上使用較多的120W LED路燈電源舉例，電子元器件的數量數百個，這樣帶來龐大的物料管理成本和生產管理成本;另外，DC電源都要使用到的電解電容的壽命遠遠低于LED光源的壽命，這樣客觀上也使得LED路燈使用的后期維護成本大大提升。
本文要介紹的是一種原理上不同于DC驅動的LED路燈技術，交流(以下簡稱AC)直接連接到LED光源，使用線性開關的方式控制LED光源的開通，所使用的高壓(以下簡稱HV)LED光源的工作電壓超過50V，這種工作方式簡稱為AC-HV技術。
一、AC-HV路燈工作原理及特性分析
1.AC 驅動方式的電路原理
如圖1：
圖1 AC 驅動方式的電路原理
AC輸入電壓由ACL、ACN輸入，經過BD1全橋整流后的脈動交流電直接連接到由LED1~LED5組成的光源模組，專用驅動芯片控制的S1、S2、S3、S4在對應的四個開啟電壓點分別把LED1～LED5點亮;由R1、R2、R3、R4電阻檢測每個LED導通時的電流反饋回驅動芯片，通過與芯片內部產生的基準電平Vref比較來控制S1~S5的導通狀態，以此來達到控制LED工作的功率。S1~S4在電路中處于放大狀態，調節每個LED回路的導通電流，工作電壓電流波形圖如圖2。
圖2 AC輸入電壓電流表波形圖
2.系統效率分析
為了分析方便，假設輸入電壓為220VAC 50Hz，5組LED的導通電壓均為50V，在輸入呈正弦變化的輸入電壓分別達到100V、150V、200V、250V時LED1至LED5分別導通，其工作狀態如圖3。
圖3 AC HV 開關工作狀態
為了分析方便，我們分析1/4導通周期內LED模組上的電壓和電流信號，假設輸入電流為I1，4塊陰影部分分別代表了4組LED導通時候的電流。輸入電壓到達LED的門限開啟電壓后LED工作在恒流狀態，如圖4所示，超過LED正向導通壓降的壓降會落在S1～S4開關上，如圖中所示打紅叉的部分。整個電路回路中主要的功耗來自于4個處于放大狀態的開關管，在輸入電壓不高于250V時，S1～S4近似于工作在開關模式，損耗較小，輸入電壓超過250V時，所增加的電壓全部落在S4上，所以S4的損耗最大，下面就電源的系統效率做近似的分析。
圖4 AC 驅動電流電壓波形模型
輸入功率Pin等于輸入電壓為正弦的包絡電壓，輸入電流為第一串LED的工作電流，即I1，其計算結果：
輸出功率為圖4所示的陰影部分的面積，第1階段LED沒有導通，從第2階段到第5階段為LED實際導通時將，其計算結果：
系統電源效率近似的計算結果為188/161=86%，在實際產品設計中，如果分段開關的級數越高，陰影部分的面積也接近電壓包絡，其Pout也越接近Pin，理論上，級數為無窮大時，Pout等同于Pin，也就是系統電源效率為100%。
3.可靠性分析
排除線路設計問題以及使用環境的差異，電子線路的失效一般由電子元器件的失效造成，那么理論上系統總的可靠度(Reliability)由每個元器件的可靠度相乘而得，假設一個系統的器件數量為100個，那么系統總的可靠度可以表述為：
Rsystem=R1×R2×R3×...R100
下面我們來對比一下AC技術和DC驅動電源的系統可靠性，AC技術所使用的電子元器件為電阻和半導體器件，數量不超過20個，而DC驅動電源的電子元器件一般由電阻、電容、半導體器件、電解電容等構成，器件的總數可達上百個，兩種方式的可靠性分別為
假設所涉及的元器件在規定的時間內失效率為萬分之五，那么計算結果是：
顯而易見，AC技術的系統可靠性要優于DC驅動電源，且隨著功率的增加，DC電源的電路復雜程度更高，電子元器件數量更大，系統可靠性差異將進一步凸顯。
4.調光特性
通過調整交流輸入電壓波形的導通相位角而實現調光的切相調光方式在傳統的白熾燈調光中得到廣泛地應用。這種方法使用到AC驅動模組上是否也可以實現調光呢?試驗結果表明，切相調光方法在分段線性電源驅動的LED裝置中是可以實現功率調整功能的，但是在調整過程中，會帶來程度不一的可見頻閃以及嚴重的EMI問題。
從圖6中可看出，由于雙向可控硅調光器在正負半周的切相不完全對稱，它在給LED模組作切相調光時，在工頻輸入端的正負半周產生不對稱的切相角，正半周導通時間2.45ms，負半周導通時間2.13ms，LED模組中流過50Hz的驅動電流，導致明顯的頻閃。
圖6 切相調光方式下交流輸入電流波形
為了在AC驅動技術中實現深度調光，同時避免在深度調光時電源芯片的誤動作和LED的頻閃，我們可以采用調幅調光的方式來實現。該方法的示意圖在圖7中給出，這種調光方法的原理是使用標準的1～10V模擬調光信號，先轉換為0V～1V的直流電平，再將該直流電平送到驅動芯片內部和基準電平做比較。當輸入電平由0V到1V調整過程中，芯片內部可以改變輸出驅動S1～S4的信號，使得S1～S4處于不同的放大狀態，這時候落在S1～S4上的電壓高低變化決定了流過LED模組上電流的大小，試驗表明，通過1～10V電壓的改變，可以實現LED的線性調光。
圖7 交流驅動LED可控電流源偏置調幅調光的示意圖
圖8波形表明，調幅調光的方法可以在AC驅動的LED模組中實現深度調光的目的，同時系統工作穩定，無絲毫的頻閃出現，也無EMI的問題。
圖8 調幅調光不同調光幅度下的交流輸入電流波形
二、實際產品性能測試分析
以上海亞明照明有限公司已經實現量產的30W模組為例，下面圖9給出了具體的模組和120W路燈燈具的實物圖片。從單獨模組上看，LED光源和AC驅動電源全部貼片安裝在同一個PCB上;燈具由4個單獨的模組組成且模組的數量可以自由增加或減少，模組有獨立的防水能力，可以直接更換其中一個模組而不影響其他模組的使用，這樣的結構給無論是生產組裝還是后期維護都帶來極大的便利。
圖9 AC HV 30W模組和120W路燈
為了更清楚地對比AC-HV技術和傳統的DC驅動技術，下面表1給出了AC和DC兩種驅動方式的120W路燈的實測數據：
由上述的數據可見，在電性能參數方面AC-HV技術和DC驅動技術幾乎不相上下，但在燈具尺寸、重量和壽命上，AC-HV技術具有相當大的優勢。
下面圖10還給出了AC-HV模組的調光特性曲線，由圖可見，調光功率涵蓋了100%低至0%的范圍，且在調光過程中，模組功率始終保持平滑的線性關系。
AC驅動條件下LED的脈動正向工作電流是否會造成LED的光束加速呢?讓我們通過連續4000小時光衰數據來說明，只要最大導通電流不超過額定值，那么光衰的表現和DC是一個結果如圖11。
圖11 AC HV 路燈光衰曲線
由以上數據顯而易見，經過4000小時的點燈測試，基本沒有產生光衰，說明AC工作方式不會加速LED的光衰過程。
三、總結
AC技術路燈實現了模組標準化，且單獨驅動，單獨實現防水功能，彼此不影響使用，這種變化大大區別于傳統的DC電源技術，其主要的核心來自于AC驅動技術，具體來說，其具有以下幾個特點：
1.所使用的電子元器件數量少，種類少，規格少，便于物流管理;
2.模組上使用的所有器件均為貼片安裝，體積小，高度低，便于光學透鏡設計;
3.無電解電容設計，所使用的元器件為電阻和半導體器件，相差無幾的工作環境，理論上這些元器件的壽命等同于LED光源的壽命;
4.線路中的開關管工作在低頻放大狀態，幾乎沒有高頻干擾;
5.可進一步實現光源和驅動的集成式封裝，即LED光源和電子元器件在封裝端同步組裝，進一步縮短工藝流程，模組的體積更小，給其他類型的燈具的設計帶來極大的想象空間;
無論從材料成本本身，還是組裝過程，AC技術均實現了設計過程的大幅度簡化，這給LED燈具的競爭力提高提供了極為堅實的基礎。（本文選自《半導體照明》雜志第39期）
