用荧光灯交流电子镇流器驱动LED的解决方案

用荧光灯交流电子镇流器驱动LED的解决方案
（山东沂光电子股份有限公司副总经理高级工程师）
摘要：目前荧光灯电子镇流器电路已十分成熟，用其驱动LED只要求输出级电路稍作变动，在成本上几乎没有增加，从而为设计离线式AC-DC LED驱动电路提供了一种现成的解决方案。

关键词：荧光灯镇流器驱动LED 电路
1、引言
众所周知，荧光灯交流电子镇流器已有20余年的发展历史，在技术上早已十分成熟，并且在世界范围内得到广泛应用，目前几乎全部取代了电感式镇流器。

能否用荧光灯交流电子镇流器电路来驱动LED呢？毫无疑问，答案是肯定的，在技术上是完全可行的。

只要将荧光灯电子镇流器电路稍作改动，就可以用来驱动LED。

2、LED与荧光灯对于驱动要求完全不同
荧光灯是一种低压汞蒸气放电灯，其大部分光是由放电产生的紫外线激发灯管内壁上的荧光物质涂层释放光子产生的。

荧光灯的工作温度较低，通常约为40℃，寿命约在5000h 与10000h之间。

荧光灯需要灯丝预热，可以是电流预热，也可以是电压预热，目的是延长灯的寿命。

荧光灯需要一个约1000V的高压触发启动，在运行期间需要一个工频（50Hz/60Hz）或高频（约40kHz）电流来支持。

荧光灯交流电子镇流器电路是一种AC-DC和DC-AC两级转换器，其核心是直流-交流（DC-AC）高频逆变器，将DC电压转换成高频电源。

LED是一种含有一个PN结的半导体器件，其工作原理与荧光灯完全不同。

当PN结加一个正向偏置电压时，N区电子通过降低了的势垒区注入到P区，P区的空穴注入到N区，注入的电子和空穴在PN结处相遇复合，将多余的能量以光的形式释放出来，从而观察到PN
结处发光。

LED是一种半导体器件，LED照明即半导体照明，亦称为固态照明。

LED的结温一般不起过125℃，在工作过程中需要散热。

LED的寿命很高，目前可达60000h。

LED是一种点光源，为了照亮较大的区域，需要多个LED组成LED阵列。

LED不需要预热，也不需要用一个高压来启动，而仅需要一个恒流驱动，并要求LED阵列中的每个LED电流相匹配。

因此，欲用荧光灯电子镇流器来驱动LED，必须将其高频输出转换为直流，并且去除其预热和触发（jgniton）功能。

3、用荧光灯电子镇流器改作LED驱动器
3.1 用基于控制器IR53HD420的电子镇流器驱动LED
图1为基于IR53HD420的13W紧凑型荧光灯（CFL）电子镇流器电路。

IR53HD420是美国国际整流器公司生产的自振荡半桥厚膜电路，采用单列直插式9引脚（其中引脚5与引脚8未引出）封装，集成了一个半桥控制与驱动器电路和两个半桥高/低端功率MOSFET（耐压BV DSS≥500V，额定电流I D为2.4A）。

图1中，二极管D1~D4和电容C1组成全波桥式整流滤波电路，R1为IR53HD420引脚V CC 上的启动电阻，C2为V CC退耦电容，C3为自举操作二极管。

振荡器频率f OSC由IC引脚②与③之间的电阻R T和IC③脚与④脚（地）之间的电容C T来设计，计算公式为：
由于R T=20kΩ，C T=1nF，因此振荡频率为35.6KHz。

半桥逆变器在IC引脚V O上输出占空因数约为50%的高频方波。

C4、L1和C5组成谐振电路。

在启动期间，谐振电路发生谐振，在电容C5上产生一个高压加至灯管两端，使灯管击穿而被点亮。

该电子镇流器电路并不带预热功能，是一种快速启动型电路。

由于电子镇流器输出的是高频信号，当为LED供电时，必须将其转换为直流。

因此，必须加进整流滤波电路，如图2所示。

其中，D5-D8组成桥式整流器，C5、C6分别是高频旁路电容和退耦电容。

由于不需要产生高压导通LED，所以图1中并联在灯管上的谐振电容C5被去除。

由于R T=33kΩ，C T=330pF，半桥输出频率约为65kHz。

D5~D8选用1000V、1A的超快速恢复二极管。

64个串联在一起的LED，选用欧司朗（Osram）公司的SFH484（其工作电流为80mA）。

3.2 用基于IRS2530D的电子镇流器驱动LED
3.2.1 基于IRS2530D的调光电子镇流器电路
目前广为采用的荧光灯调光镇流器电路组成框图如图3所示。

图中，输入EMI滤波器用作堵塞镇流器产生的电磁干扰（EMI）噪声进入电网，同时也防止电网的干扰信号进入镇流器；桥式整流和平滑滤波电路将AC输入转换为DC总线电压；基于控制IC的半桥转换器产生高频方波电压；谐振输出级为荧光灯提供预热、触发和运行信号；闭环反馈电路用作调节灯电流；隔离的1~10V的DC电压调光接口电路用作调节灯亮度。

基于新型控制器IRS2530D的节能灯调光镇流器电路如图4所示。

IRS2530D采用8引脚PDIP无铅封装，集成了调光镇流器控制电路、半桥驱动器、自举MOSFET及线路与负载故障保护电路。

IRS2530D提供灯丝预热，灯管触发和调光功能，而且预热时间可由半个电容来设定。

在通电后，AC电压经桥式整流器BR1和电容CF、CBUS及电感LF滤波，产生约300V的DC电压。

DC总线电压经启动电阻RVCC1、RVCC2对电容CVCC1充电。

一旦IC引脚VCC上的电压达到14V，IC则启动，进入预热和触发模式。

半桥开始在最大频率上振荡，IC内部的电流源从IC引脚VCO流出对外部电容CVCO充电。

随IC引脚VCO上的电压升高，输出频率降低，灯丝通过谐振电感LRES：A的副绕组LRES：B和LRES：C预热，灯电压V LAMP逐渐增加，如图5所示。

当输出频率接近LRES：A、CDC和CRES组成的谐振槽路的谐振频率时，则发生LC串联谐振，于是在电容CRES上产生一个约1000V的高压使灯管击穿而引燃，IC则进入调光模式。

在IC启动之后，一旦半桥产生高频输出，IC的VCC引脚则由电容CSNUB、二极管DCP1和DCP2组成的电荷泵电源供电，这样就可以使用低功率和低成本的启动电阻RVCC1/RVCC2。

电阻RLIM1、RLIM2用作限制电荷泵电流。

在调光模式，连接在下端灯丝上的电流传感电阻RCS检测高频灯电流。

在RCS上的测量信号V RCS经电阻RFB和电容CFB反馈至IC引脚DIM上，与该引脚上的DC调光参考信号V REF 相叠加，AC成分的谷底被保持在地电平（COM）上（如图6所示），AC灯电流幅度将随DC 输入调光电压变化增大或减小，从而使灯亮度被调节。

3.2.2 用基于IRS2530D的调光镇流器驱动LED
由于LED不需要预热和触发启动，并且需要用DC恒流来驱动，因此欲用图4所示的调光镇流器电路来驱动LED，必须对输出级电路作一些变动，如图7所示。

与图4所示的调光镇流器电路比较，图7所示的LED驱动电路的变更部分有三点：一是去掉了图4中与灯管并联的谐振电容CRES，在灯管处用D1~D4组成的桥式整流器和6个750mA 相串联的LED替代；二是因为需要对LED预热，故去掉图4中IC引脚VCO上的预热电容CPH 和电阻RVCO；三是用连接在IC引脚VCC与地之间由RMAX、RPOT1和RMIN组成的电阻分压器取代先前（图4中）的1~10V的DC调光接口电路。

AC电流感测仍利用RCS来执行。

图7所示电路与图2所示的LED驱动电路也不相同。

图2电路输出级是高频整流滤波电路，而图7只是一个全波桥式整流电路，没采用平滑电容器。

全波整流的LED电流被RCS
感测，经RFB和CFB耦合到IC的DIM引脚。

IC的调光控制环路通过调节半桥开关电路的频率来调整LED电流的幅度，致使LED的有效值（RMS）电流达到制造商给出的规范值（750mA）。

如果LED电流减小，IC将降低输出频率，电感器LRES：A的阻抗（Z L=2πfL）将减小，从而增加LED电流。

如果LED电流增大，半桥输出频率将升高，谐振槽路因电感LRES：A
阻抗增大而使增益降低，从而使LED电流减小，保持在一个恒定值上。

图8给出了LED电流、高频整流电压和IC引脚VS上的电压波形。

将图4所示的荧光灯调光镇流器电路改为图7所示的离线式AC-DC LED驱动电路，虽然增加了4个高频整流二极管D1~D4，但也去除了图4电路中的谐振电容CRES、灯丝预热线圈绕组LRES：B、LRES：C和电容CH1、CH2以及IC引脚VCO上的电阻RVCO、电容CPH，因此在成本上并没有增加。

4、结束语
荧光灯交流电子镇流器是一种AC-DC和开关型DC-AC转换器，目前在技术上十分成熟。

用荧光灯交流电子镇流器电路来驱动LED，只是在电路上稍加改动，将镇流器输出高频信号进行整流转换为恒定直流，在成本上几乎没有增加或仅增加人民币几角钱。

试验和应用表明，这种解决方案是可行的。

参考文献：
[1] 毛兴武，祝大卫. 新型电子镇流器电路原理与设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2007.
[2] 毛兴武等. 新一代绿色光源LED及其应用技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2008.
[3] 蒋孝平，毛兴武. 基于控制器IRS2530D的节能灯调光镇流器设计[J]. 电源技术应用，2009.7。