AC-HV路灯技术简介及优势分析

时间：2021-05-23来源：佚名

随着技术的发展，LED光源的光效不断提升、有效寿命时间远远超过了传统的气体放电光源，LED路灯的应用越来越广泛。市场上绝大多数的LED路灯使用的都是直流(以下简称DC)驱动的方式，DC电源的优点是技术成熟，工作电压范围宽。但同时受制于DC驱动电源电路的复杂性，以市场上使用较多的120W LED路灯电源举例，电子元器件的数量数百个，这样带来庞大的物料管理成本和生产管理成本;另外，DC电源都要使用到的电解电容的寿命远远低于LED光源的寿命，这样客观上也使得LED路灯使用的后期维护成本大大提升。

本文要介绍的是一种原理上不同于DC驱动的LED路灯技术，交流(以下简称AC)直接连接到LED光源，使用线性开关的方式控制LED光源的开通，所使用的高压(以下简称HV)LED光源的工作电压超过50V，这种工作方式简称为AC-HV技术。

一、AC-HV路灯工作原理及特性分析

1.AC 驱动方式的电路原理

如图1：

图1 AC 驱动方式的电路原理

AC输入电压由ACL、ACN输入，经过BD1全桥整流后的脉动交流电直接连接到由LED1~LED5组成的光源模组，专用驱动芯片控制的S1、S2、S3、S4在对应的四个开启电压点分别把LED1～LED5点亮;由R1、R2、R3、R4电阻检测每个LED导通时的电流反馈回驱动芯片，通过与芯片内部产生的基准电平Vref比较来控制S1~S5的导通状态，以此来达到控制LED工作的功率。S1~S4在电路中处于放大状态，调节每个LED回路的导通电流，工作电压电流波形图如图2。

图2 AC输入电压电流表波形图

2.系统效率分析

为了分析方便，假设输入电压为220VAC 50Hz，5组LED的导通电压均为50V，在输入呈正弦变化的输入电压分别达到100V、150V、200V、250V时LED1至LED5分别导通，其工作状态如图3。

图3 AC HV 开关工作状态

为了分析方便，我们分析1/4导通周期内LED模组上的电压和电流信号，假设输入电流为I1，4块阴影部分分别代表了4组LED导通时候的电流。输入电压到达LED的门限开启电压后LED工作在恒流状态，如图4所示，超过LED正向导通压降的压降会落在S1～S4开关上，如图中所示打红叉的部分。整个电路回路中主要的功耗来自于4个处于放大状态的开关管，在输入电压不高于250V时，S1～S4近似于工作在开关模式，损耗较小，输入电压超过250V时，所增加的电压全部落在S4上，所以S4的损耗最大，下面就电源的系统效率做近似的分析。

图4 AC 驱动电流电压波形模型

输入功率Pin等于输入电压为正弦的包络电压，输入电流为第一串LED的工作电流，即I1，其计算结果：

输出功率为图4所示的阴影部分的面积，第1阶段LED没有导通，从第2阶段到第5阶段为LED实际导通时将，其计算结果：

系统电源效率近似的计算结果为188/161=86%，在实际产品设计中，如果分段开关的级数越高，阴影部分的面积也接近电压包络，其Pout也越接近Pin，理论上，级数为无穷大时，Pout等同于Pin，也就是系统电源效率为100%。

3.可靠性分析

排除线路设计问题以及使用环境的差异，电子线路的失效一般由电子元器件的失效造成，那么理论上系统总的可靠度(Reliability)由每个元器件的可靠度相乘而得，假设一个系统的器件数量为100个，那么系统总的可靠度可以表述为：

Rsystem=R1×R2×R3×...R100

下面我们来对比一下AC技术和DC驱动电源的系统可靠性，AC技术所使用的电子元器件为电阻和半导体器件，数量不超过20个，而DC驱动电源的电子元器件一般由电阻、电容、半导体器件、电解电容等构成，器件的总数可达上百个，两种方式的可靠性分别为

假设所涉及的元器件在规定的时间内失效率为万分之五，那么计算结果是：

显而易见，AC技术的系统可靠性要优于DC驱动电源，且随着功率的增加，DC电源的电路复杂程度更高，电子元器件数量更大，系统可靠性差异将进一步凸显。

4.调光特性

通过调整交流输入电压波形的导通相位角而实现调光的切相调光方式在传统的白炽灯调光中得到广泛地应用。这种方法使用到AC驱动模组上是否也可以实现调光呢?试验结果表明，切相调光方法在分段线性电源驱动的LED装置中是可以实现功率调整功能的，但是在调整过程中，会带来程度不一的可见频闪以及严重的EMI问题。

从图6中可看出，由于双向可控硅调光器在正负半周的切相不完全对称，它在给LED模组作切相调光时，在工频输入端的正负半周产生不对称的切相角，正半周导通时间2.45ms，负半周导通时间2.13ms，LED模组中流过50Hz的驱动电流，导致明显的频闪。

图6 切相调光方式下交流输入电流波形

为了在AC驱动技术中实现深度调光，同时避免在深度调光时电源芯片的误动作和LED的频闪，我们可以采用调幅调光的方式来实现。该方法的示意图在图7中给出，这种调光方法的原理是使用标准的1～10V模拟调光信号，先转换为0V～1V的直流电平，再将该直流电平送到驱动芯片内部和基准电平做比较。当输入电平由0V到1V调整过程中，芯片内部可以改变输出驱动S1～S4的信号，使得S1～S4处于不同的放大状态，这时候落在S1～S4上的电压高低变化决定了流过LED模组上电流的大小，试验表明，通过1～10V电压的改变，可以实现LED的线性调光。

图7 交流驱动LED可控电流源偏置调幅调光的示意图

图8波形表明，调幅调光的方法可以在AC驱动的LED模组中实现深度调光的目的，同时系统工作稳定，无丝毫的频闪出现，也无EMI的问题。

图8 调幅调光不同调光幅度下的交流输入电流波形

二、实际产品性能测试分析

以上海亚明照明有限公司已经实现量产的30W模组为例，下面图9给出了具体的模组和120W路灯灯具的实物图片。从单独模组上看，LED光源和AC驱动电源全部贴片安装在同一个PCB上;灯具由4个单独的模组组成且模组的数量可以自由增加或减少，模组有独立的防水能力，可以直接更换其中一个模组而不影响其他模组的使用，这样的结构给无论是生产组装还是后期维护都带来极大的便利。

图9 AC HV 30W模组和120W路灯

为了更清楚地对比AC-HV技术和传统的DC驱动技术，下面表1给出了AC和DC两种驱动方式的120W路灯的实测数据：

由上述的数据可见，在电性能参数方面AC-HV技术和DC驱动技术几乎不相上下，但在灯具尺寸、重量和寿命上，AC-HV技术具有相当大的优势。

下面图10还给出了AC-HV模组的调光特性曲线，由图可见，调光功率涵盖了100%低至0%的范围，且在调光过程中，模组功率始终保持平滑的线性关系。

AC驱动条件下LED的脉动正向工作电流是否会造成LED的光束加速呢?让我们通过连续4000小时光衰数据来说明，只要最大导通电流不超过额定值，那么光衰的表现和DC是一个结果如图11。

图11 AC HV 路灯光衰曲线

由以上数据显而易见，经过4000小时的点灯测试，基本没有产生光衰，说明AC工作方式不会加速LED的光衰过程。

三、总结

AC技术路灯实现了模组标准化，且单独驱动，单独实现防水功能，彼此不影响使用，这种变化大大区别于传统的DC电源技术，其主要的核心来自于AC驱动技术，具体来说，其具有以下几个特点：

1.所使用的电子元器件数量少，种类少，规格少，便于物流管理;

2.模组上使用的所有器件均为贴片安装，体积小，高度低，便于光学透镜设计;

3.无电解电容设计，所使用的元器件为电阻和半导体器件，相差无几的工作环境，理论上这些元器件的寿命等同于LED光源的寿命;