基于H桥的LED照明设计方案

基于 H 桥的 LED 照明新技术 H 桥是一种以用户定义方式驱动直流电机的经典电路，如正/反方向或通过四个分立/集成开关或机电继电器的 PWM 辅助控制的 RPM。它广泛应用于机器与功率 电子中。本设计实例是该技术的一种全新的实现方法，能以全波限流模式，从交流电源直接驱动白光 LED 阵列，从而实现一种无闪烁、高能效的固态照明灯。电路会在激励电压的正、负偏移期间，采用交替电开关工作方式，将激励电压的负半周和正半周内的 LED 激励电流控制并维持在一个恒定的水平。这种方法可对交流电 压做电流控制的整流，使之成为串联 LED 的直流供电电压，有干净几乎无纹波的电流，大大改进了功率因数。

原理见图1，晶体管 Q1、Q3和 Q5与二极管 D4，还有晶体管 Q2、Q4和 Q6与二极管 D3均配置为串联的压控电流开关，构成 H 桥的两个臂；二极管 D1和 D2构成桥的另外两个臂。 LED 串连接在桥的中点之间，两个点分别叫 VLED+和 VLEDGND。交流电通过一个限流 PTC 电阻 R5、串联电容 C4和 C5（构成一只无极性电容 CEFF），以及电感 L1施加到电路上。同样，主交流电的中性线通过电感 L2连接到电路的大地。

在正半周内，交流电源总线相对大地为正，晶体管 Q1通过电阻 R1获得适当的基极偏置。电流流经二极管 D4、晶体管 Q1，以及电阻 R3，如箭头 A1所示，然后流过由12只中功率 LED（LED1~LED12）构成的 LED 串，通过二极管 D2进入大地，如箭头 A2所示。同样，在负半周时，交流电源总线相对大地为负，晶体管 Q2通过电阻 R2获得基极偏置。电流流经二极管 D3、晶体管 Q2，以及电阻 R4，如箭头 A3所示，然后流过 LED 串，通过二极管 D1进入交流电 源总线，如箭头 A4所示。这样，在一个完整周期内，电流以相同方向流过 LED 串，获得了一个全波整流桥的效果。不过，电流 ILED 的幅度保持恒定，因为受到了作为压控电流源的相应开关的调节。

由于晶体管 Q3和 Q4的基射结分别连接在电流检测电阻 R3和 R4上，当 R3和 R4上的压降上升到 Q3和 Q4的基射电压以上时，两个晶体管导通。在这个点，Q1和 Q2的基极均被拉低，扰乱了在相应交流电源半周内通过它们的电流。流过晶体管的电流以这种方式保持恒定，永远不会超过某个阈值，这个阈值通过选择 R3和 R4的值进行设置。Q5和 Q6将 Q1和 Q2的基极电流限制在一个安全值（大约为 150μA），确保它们永远不会过驱。当 Q1和 Q2各自基射电压超过了分别与 R1和 R2串联的 R6和 R8上的压降时，Q1和 Q2基极电流的相当大部分通过 Q5和 Q6，被分流给 R3和 R4。

进入总线的交流电流幅度受到主频率下 CEFF 电抗（1/2πfCEFF）的限制，可以通过 选择 C4 和 C5而改变，两只电容构成一个无极性电容。电路也可以由一个阻性电源驱动，方法是用一个50Ω~200Ω的合适大功率电阻代替 CEFF。这样有 助于获得出色的功率因数，但付出的代价是限流电阻有非常大的功耗。可以根据所需要恒流水平，适当选择 R3和 R4。D5为 LED 串提供高反压保护，而 R5限制了上电时的浪涌电流。电感 L1和 L2与电容 C1帮助尽量减少 EMI/RFI，同时提高功率因数。可以与交流电源并排插一个金属氧化物压敏变阻器，以保护电路不发生瞬变。

电路中的12只0.5W 的 LED 在120mAdc（135mARMS）下工作，而相应的电流检测电阻 R3和 R4选为1Ω。不过，LED 的数量可以增加到18 只，只要 LED 串上施加的电压超过单只 LED 正向电压之和（白光 LED 的正向电压在3.3V~4V 范围内变化）。LED 上的电压是自限的（本例中，大约是 42V），不需要任何额外的调节，因为当工作在正偏模式时，串联 LED 的行为就像大功率齐纳二极管。电路在230V 交流电源下消耗功率为11.5W，功率因数为0.93，LED 上没有任何闪烁现象。可以选择在 VLED+和 VLEDGND 之间连接一只220μF 的电容 C2，进一步抑制纹波，见图2。另外，可以用六个并联 LED 串取代现有灯串，每一串上有12只~18只标称20mA 的高亮度 LED。晶体管 Q1和 Q2必须装有散热片，以避免热失控。