CN103648205A

CN103648205A - Hvled稳亮宽压驱动器

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Publication number: CN103648205A
Application number: CN201310556376.6A
Authority: CN
Inventors: 吕大明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开了HVLED稳亮宽压驱动器技术方案，克服LED灯丝一维线性高压驱动器‘电压升LED亮数增、电压降LED亮数减’缺陷导致的两大痼疾：①灯光随电网电压高低而明暗波动②灯光有工频闪烁。本驱动器将整串LED灯丝分段组合，随电网电压升降实时调控，既调LED灯丝一维‘长度’，也调其二维阵列‘宽度’，使LED照明光源亮度稳定、适应输入电压范围超宽，成为本技术发明独具亮点：既消除LED灯光工频闪烁，又不受市电网电压波动影响LED灯光亮度，使基于本发明HVLED稳亮宽压驱动器的LED照明灯能获得高品质照明效果。本发明优越之处在于：适应市电网供电各种环境，即使电网电压大幅剧烈波动，也能可靠保障LED照明光源高效安全又稳定的照明效果。

Description

HVLED稳亮宽压驱动器

【技术领域】

本发明涉及一种LED照明电路驱动器IC，具体涉及一种HVLED稳亮宽压驱动器集成电路IC技术方案。本发明属于节能环保半导体照明领域，亦属于微电子集成电路IC领域。

【背景技术】

LED作为照明光源，高效节能、安全长寿，得到广泛应用。在发展过程中，不断涌现各类驱动方案：PWM开关电源、阻容降压电路、恒流管CRD、…，也有无驱动器技术方案。

市电网供电LED灯具渐多采用高电压直接驱动方案：从两串反向并联LED灯丝，(LED灯丝即HVLED，LED指单PN结LED，以下同)，到4段LED灯丝搭成‘发光整流桥’加单串LED灯丝段的AC LED，及各种配整流桥的单串LED灯丝。所述LED灯丝如图1，是指由两个以上LED串联成一独立组件，其伏安特性是灯丝中所有LED伏安特性线性叠加。

要使整串LED灯丝电路能实时与市电网整流脉动直流电压高低变化相匹配而平稳工作，一维线性调控方案采用‘同比’控制导通LED数量：整串LED灯丝中导通LED正向电压降之总和与脉动直流电压相匹配，其余LED截止，所以有：电压升则导通LED数量增，电压降则导通LED数量减；脉动直流电压数值V与导通LED个数n的关系大体为n=V／V_Fm，该V_Fm是LED灯丝中所有LED正向电压V_F的统计期望值。

本文的讨论，仅限于单整串LED灯丝拓扑结构的范围，至于为加大功率增加亮度而采用二整串及以上LED灯丝并联使用的情况，其基本原理相同，在此略而不论。

动态追逐电压LED灯丝一维线性驱动电路，最直观的是为LED灯丝中每个LED配接电子开关逐个控制，显然电路冗余布线拥挤成本高故障多，实不可取。实际可行方案是将整串LED灯丝优化分成若干段。图2为大幅精简的高压LED灯丝一维线性驱动电路原理示意图。对数量不多的LED灯丝段进行组合开关控制，主要分两类：①将整串LED灯丝按二进制组合分段，以二进制可逆计数器输出信号参与实时切换控制；②优化分段并安排各LED灯丝段LED数量，按顺序逐段增减控制。此二类方案各有利弊：方案①控制细微精准，电能利用效率≥99％，PF≥0.98，但IC尺寸大成本高PCB拥挤；方案②划分LED灯丝段灵活，利于应用产品设计和制造，但效率稍低，介于80-94％之间，PF≥0.90，指标尚可接受。

然而，在灯光质量和用电环境适应性两方面，一维线性驱动方案存在明显不足。一方面，导通LED数量周期增减变化导致灯光工频闪烁；另一方面，当电网电压波动较大，导致灯光照度亮暗差异较大；在偏远地区或输变电远端用电环境，有时照明效果会变差。

为克服一维线性驱动方案缺陷，使LED灯在电网电压偏低时也能正常照明，并消除灯光工频闪烁，本发明公开了‘HVLED稳亮宽压驱动器’技术方案。基于本方案的HVLED稳亮宽压驱动器IC，向LED灯丝提供稳定的功率，确保市电直接驱动的LED照明灯发光稳定，克服了工频闪烁难题，亮度不随电网波动而发生明暗变化，有助于推广LED节能照明。

本发明立足完全自主创新，给出多种合理而简洁的驱动器电路设计，方便不同应用选择最适合的设计方案，较好地解决了频闪和电网波动导致LED灯亮度变化的难题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是：克服市电高压LED灯一维线性驱动器的不足。本发明公开了HVLED稳亮宽压驱动器技术方案，克服LED灯丝一维线性高压驱动器‘电压升LED亮数增、电压降LED亮数减’缺陷导致的两大痼疾：①灯光随电网电压高低而明暗波动②灯光有工频闪烁。本驱动器将整串LED灯丝分段组合，随电网电压升降实时调控，既调LED灯丝一维‘长度’，也调其二维阵列‘宽度’，使LED照明光源亮度稳定、适应输入电压范围超宽，成为本技术发明独具亮点：既消除LED灯光工频闪烁，又不受市电网电压波动影响LED灯光亮度，使基于本发明HVLED稳亮宽压驱动器的LED照明灯能获得高品质照明效果。

本发明优越之处在于：适应市电网供电各种环境，即使电网电压大幅剧烈波动，也能可靠保障LED照明光源高效安全又稳定的照明效果。破除一维线性控制束缚，独辟蹊径在二维空间既调LED灯丝‘长短’，也调其阵列‘宽窄’：动态组合各LED灯丝段阵列，使市电网电压无论偏低还是正常，LED灯丝中导通LED数量都能保持稳定，使LED灯适应市电网供电各种环境，特别是边远地区恶劣环境，以极低成本，实现高品质LED节能照明。

本技术方案改进之处在于，将一维线性HVLED驱动器存在三变的缺点，改进为三不变：

【1】一维驱动器所驱动LED灯丝中导通发亮LED数量，随脉动直流电压升降而增减；本HVLED稳亮宽压驱动器，驱动导通发亮LED数量保持相对稳定；

【2】一维驱动器提供LED灯丝照明的功率，随脉动直流电压升降而增减；本HVLED稳亮宽压驱动器提供LED灯的照明功率稳定，不随电网电压波动变化而变化；

【3】一维驱动器驱动的LED灯，随市电网电压升降，其照明亮度明暗变化；本HVLED稳亮宽压驱动器所驱动的LED灯，即使电网电压波动，其照明亮度不发生明暗变化。

实现三变到三不变的升级换代，要依靠合理的技术方案，现说明如下。

先按电网标准确定构成LED灯的单整串LED灯丝所需单PN结LED总数量。按AC220V并考虑电路负载，取脉动电压上限300VDC，单整串LED灯丝LED数量N：N=300V／V_Fm，取V_Fm=3V，N=100，即：整串LED灯丝全部LED数量是100个。为便于均等分割整串LED灯丝以方便LED灯丝段排列组合切换变阵，取96或88个LED组成整串灯丝。

再按照理想状态分析。本技术方案‘HVLED稳亮宽压驱动器’在整个脉动直流电压变化范围内，安排整串LED灯丝中全部LED尽可能多地导通发光。欲达此技术目标，本方案采用的技术手段是：LED灯丝二维分段变阵组合法。

如同军营96名士兵行进队列变阵：随着威武雄壮有节奏的“变”阵口令声，一路纵队，变成两路纵队、三路纵队、四路纵队，…，继而变成方阵，再逐渐变宽，…，渐成四列横队、三列横队、二列横队，最后变成一列横队，至此为半个变阵周期；再继续变换回到一路纵队，完成一个方阵变换完整周期；周而复始无穷无尽，然则行进阵列中士兵总数始终未变。

据此原理，让我们先从脉动直流电压过零点上升时刻开始分析：当电压上升接近3.6V前，整串LED灯丝被拆成96段：1个LED为1段组成96并，相当士兵一列横队，这样即使脉动电压在不到3.6V_DC低压下，也能确保100％的LED正常导通发光；随着脉动电压继续上升，超过3.6V_DC但不到7.2V_DC，立即重排LED灯丝使其变‘窄’：每段2个LED串联、48个LED灯丝段并联，即2串48并，相当于士兵阵列两列横队，仍然是100％的LED导通发光；电压继续升高，LED灯丝再度变‘窄’变‘长’：变成3串32并，接着4串24并、6串16并、8串12并、12串8并、16串6并、24串4并、32串3并、48串2并，在脉动直流电压接近峰值时，最终变成一串96个LED串联的最‘长’单串完整LED灯丝，如一路纵队士兵阵列，完成了LED灯丝段阵列由‘宽’变‘长’的半个变换组合周期，全过程始终100％‘全员’LED导通，自然亮度不变；紧接下来脉动直流电压从峰值下降，便启动另半个由‘长’变‘宽’的组合变换周期，…，如是等等，其原理相同方法类似，不再赘述。

上述所有变阵排列组合中，LED是100％E常导通正常发光，可见本技术方案‘HVLED稳亮宽压驱动器’，以二维变阵法巧妙地从根本上解决了工频闪烁难题。至于应对电网电压波动，本技术方案稳定灯光亮度的原理完全一样，显然拓宽了电压输入范围，无需赘述。

以上是基于本技术方案基本原理的理想化讨论，实际电路不能像理想化分析那样设计，LED灯丝切分细节锱铢必较。事实上，在LED灯丝分段的任何节点，二维变阵功能的实现，都需要依靠电子开关阵列按照严苛时序执行精准操作，还要有精益求精的电路设计配合。

图3为实用电路原理图，整串LED灯丝分四段：LED_SUA、LED_SUB、LED_SUC和LED_SUD，简记A、B、C、D，四段LED串联长度N相等，此例N为24，AC220V系统20≤N≤26，其余电网据此类推N并可适当增减；整流脉动直流电压V_H加至IC和LED灯丝段A正极；虚线方框为IC封装界限、其内为基于本发明驱动集成电路IC(以下同)；IC外各LED灯丝段不直接相连，由IC内部开关阵列On／Off组合状态实施调控。表1反映电路工作过程。

表1左第一栏‘脉动电压段’、‘V_P=标称峰值’，在AC220V可设V_P为300V_DC。

表1

结合图4的三幅波形示意图，可以观察到随着脉动直流电压的变化，导通LED灯丝上所承载电压的变化、流经各导通LED灯丝段总电流∑I_F的变化以及对应功率变化的波形。

从图3和表1中可见，K0至K9共有10个高压电子开关，其中K0是总开关，一旦关闭则全部LED灯丝无电流通过：∑I_F=0，LED灯熄灭，所以K0是整个电路的保护神；在LED灯丝段切换非稳态瞬间，有时也需K0关闭配合，确保避免意外发生。事实上开关阵列控制时序精准，无需K0频繁地开关动作。K0提供系统保险有两种模式：【1】彻底关闭模式Off，LED灯丝无电流通过而停止工作；【2】限流模式Limit：不彻底关闭，而是限制总导通电流大小适度，将系统功耗控制在安全水平之内，既能缓解故障又能维系电路适度工作状态。

K1、K4、K7分别负责LED灯丝段B、C、D上端正极连接电源供电线路，导通则相应LED灯丝段可直接从整流脉动直流电压V_H获得供电，A挂在V_H上无需考虑；K3、K6、K9分别负责A、B、C段下端负极经过K0的接地通道，以构成电流I_F回路，D段下端直接K0同样无需考虑‘K2、K5、K8控制各相邻LED灯丝段的连接通道，On导通则上下串联，Off断开则相邻段可实施并联。这10个开关在LED灯丝段阵列的高速切换变阵中至关重要。

表1左第一栏自上而下，电压上升分4个阶段，A、B、C、D四段组合方式也跟着变化：第一段0～V_P／4即0V_DC到75V_DC电压段，四段ABCD并联，组成24串4并LED阵列，100％LED导通；第二段V_P/4～V_P／2即75V_DC到150V_DC，ABCD四段两串两并，即48串2并，导通LED仍100％；第三段V_P／2～3V_P/4即150V_DC到225V_DC，有三段串联成一串，组成72串的单串组合，导通LED亦占75％；第四段3V_P／4～V_P即225V_DC到300V_DC，所有四段串联成一整串，即96串的单整串组合，导通LED又占100％。下半个周期反向变化如是类推。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：随电网整流脉动直流电压高低变化，作为LED照明光源电路驱动控制核心的本驱动器IC，对其外以下述连接方式的LED灯丝电路，以下述调控方式进行驱动：所述连接方式是：驱动器IC的有些引脚分别连接至少两段LED灯丝段的正极和负极，而所述至少两段LED灯丝段在IC外相互隔离，没有任何电路连接;所述调控方式进行驱动是：当所述脉动直流电压较低时，IC内部电路将所述至少两段LED灯丝段组成并联形式并使工作电流驱动其正常发光，而当电压较高时，IC内部电路将所述至少两段LED灯丝段组成串联形式并使工作电流驱动其正常发光。

需要说明的是第三阶段V_P/2～3V_P/4即150V_DC到225V_DC，有ABC和BCD两种三个LED灯丝段串联组合。由于电路中为LED_SUD安排了恒流管CRD，所以常用BCD组合。若图中椭圆虚线处的K9回路中也串有恒流管CRD，则ABC和BCD都一样，可随意二选其一。

安排CRD能吸收高于LED灯丝所需电压的增量部分，对LED电流I_F起稳定作用，但CRD要耗能发热使IC升温。CRD是恒流环节，可就近安排实时负载采样点(也有其它采样方式)，采样信号送至AD变换器或比较器输入端ADin，对开关阵列的控制决策至关重要。应用设计时考虑到CRD电压降对LED灯丝段的影响，可将串有CRD的灯丝段LED数量适当减少，例如减1至4颗LED；为使各LED灯丝段阻抗一致，可在图3的K3、K6、K9下方虚线椭圆环位置为每一LED灯丝段回路都串入CRD，虽多用3个CRD，驱动器转换效率损失一些，但应用制造企业在生产中更方便快捷，有助于产能提高故障下降综合成本降低。

控制单元设置LED灯丝电流信息传感器，据此决策串并联组合方案、开关节奏以及执行时刻。因此基于本技术方案的驱动电路IC，自适应不同电压电网，应用工程师只需按特定电网电压标准，调整整串LED灯丝和各LED灯丝段的串联LED数量即可，具体算法不再赘述。

图3电路图中还有两处虚线部分加以说明；

【1】SEL端，用以辅助功能选择，例如选择功率或电流大小：有接地和悬空两个选项。

【2】Adj端，可接入功率微调电阻R_Adj，对LED灯消耗功耗进行微调。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC有不少于9只引脚或腹部带接地金属片的8只引脚，其中8只引脚用于连接构成LED灯发光电路的四段LED灯丝段，各LED灯丝段的串联LED数量相等，且每段仅与IC的2只引脚连接，各段之间相互不直接相连；在电网电压正常的正弦变化周期内，当电压较低时四段LED灯丝被组成并联电路而导通发光，当电压较高时四段LED灯丝被组成串联电路而导通发光。

对图3稍作改变如图5：按LED数量2：1在LED_SUD中‘抽头’分成D1、D2两段，抽头点连到IC新定义引脚L_D12上，同时控制程序增加一个环节：将表2的3V_P/4～V_P阶段分为两段：3V_P／4～11V_P／12和11V_P／12～V_P；其控制过程如表2所列；图5电路波形图的变化仅在于电压包络波形接近顶部的区域：电压和功率波形多一个小台阶，提高了效率。IC电路仅增加一只高压电子开关，控制程序代码增加一位，重排控制程序。图5电路波形图省略。

表2

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC有不少于10只引脚或腹部带接地金属片的9只引脚；9只引脚连接LED灯发光电路的五段LED灯丝段，其中三段串联LED数量相等，且仅与驱动器IC引脚连接，各LED灯丝段之间无电路相连，也不与剩下两LED灯丝段连接；剩下两LED灯丝段首尾相接串联在一起，其LED数量之和与前三段中任一段LED数量相等；这两段LED灯丝段LED数量比例大致为2：1;第一、第二、第三各段LED灯丝段串联LED数量相等且等于其它两段串联LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量细节可适当调整；在电网电压正常的正弦变化周期内，电压低时四路五段并联，电压高时五段串联。

精简图3电路驱动IC外部：将选项功能放在封装前裸片Dies阶段，将地线V_SS/Gnd连到腹部金属片上，则可用8pin封装如SOP8等做成更紧凑体积更小和成本更低的IC。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC有8只引脚，分别连接四段LED数量相等的LED灯丝段两端，各段互不相连；驱动电路地线V_SS／Gnd和脉动高压地线共用IC腹部金属片，高电压V_H输入端与某段LED灯丝段正极共用IC一引脚；在电网电压正常的正弦变化周期内，电压低时四段并联，电压高时四段串联。

图4用上、中、下三幅波形示意图，清楚地分析了上述图3的两款封装形式IC的4段HVLED稳亮宽压驱动器工作时，LED灯丝段电路的电压、电流和功耗情况。三幅图上下对应，都有左、中、右三个高低不同的脉动直流包络曲线(半波正弦虚线)，‘正常电压’‘超高电压’‘超低电压’分别表示供电网电压的三种状态，既可表现长期，也可反映瞬间状态。

从4-11、4-12、4-13电压波形看：有CRD对LED灯丝电流I_F的限制，LED灯丝所承载电压呈阶梯状，波形台阶肩部与脉动直流电压曲线(半波正弦虚线)之间形成近乎三角区域的面积，就是恒流二极管CRD所承担负载。显然引入CRD消耗了可观的能量。

三幅图位于中间的是‘超高电压’极端情况，当电压超限，K0立即关断电流I_F，导致无电流无功率，波形出现缺口；图中缺口宽度有些夸张，只为突显K0保护作用；一旦电网电压恢复正常，立即再次正常工作：K0打开，电流I_F流经LED灯丝，LED灯又正常发光。

与其它线性高压直驱方案区别的本质所在，也是本技术方案创新点所在，表现于中图的电流波形图：电流图纵坐标不以‘电流I’或‘导通电流I_F’标示，而是采用∑I_F‘总导通电流’之概念，着意于要表征这是集合流经各LED灯丝段的、从源头V_H到归宿V_SS的各路I_F并联电流之和的总电流∑I_F。图中可见总电流与脉动直流电压的关联变化特点：不是电流随电压正相关同步升降的常规，而是反其道以行之：电压低时电流反而大，电压高时电流反而小。如此来看，本技术方案‘HVLED稳亮宽压驱动器’，倒像是一个负载阻抗变换器：负载是LED灯丝，在电压低时将LED灯丝变成低阻，电压升高时则变成高阻，于是p=V²／R中出现两个变量：电压V和电阻R，且互为同向变化，最终达成P为恒定值，故此才有灯光稳定。

众所周知：电功率是电压电流的乘积。本技术方案目标在于：做亮度稳定的LED灯。无论电网电压如何变化，甚至大幅超出国家供电质量标准，基于本IC制造的LED灯照样稳定发光不受影响。这从图4的下图可清楚看到，4-31、4-32波形上部有两个小豁口，像古代城墙上的垛口，这是LED灯丝段组合变阵到‘LED灯丝三段一路串联’时，其功耗降为75％所致，除4-32有过压保护I_F=0所致宽而深的豁口外，在低压时的4段并联、中压时的2串2并，都是100％满功率，这在4-33‘超低电压’情况下看得最明显：除脉动直流电压波形过零点转换瞬间截止外，整段以方波出现：LED灯的发光电路功率稳定，意味着照明效果稳定。

图6电路，也是本原理IC应用之一。与图3相比，虽也驱动四段LED灯丝段，但IC内部精简电路、放弃四路并联控制功能，IC外部将整串LED灯丝平分成两段，其一段插入2个抽头，成为四段A、B、C、D，各段LED数量为：A=6N，B=3N、C=2N、D=IN，N=8，总数还是96。A只与2只IC引脚连接，B、C、D三段首尾串联，其两端及两个抽头与4只IC引脚相连，其间再无其它电路连接。下面结合表3和图6电路及其波形图7，加以说明。

表3

在脉动直流电压过零点开始上升的第一阶段，即0～V_P／2栏大约在150V_DC以下时，电子开关阵列将LED灯丝段组成A／／(B+C+D)两路并联组合形式，即B、C、D三段串联后与A并联，其效果是48串2并，LED灯的全部LED导通发光；第二阶段V_P／2～3V_P/4，由2路并联变一路串联：有48颗LED的A与24颗LED的B首尾连接，组成72颗LED串联电路，此时导通LED占75％；进到第三阶段3V_P/4～11V_P/12，变成A、B、C三段串联，组成88颗LED串联电路，导通LED数量占总数91.67％;到第四阶段11V_P/12～V_P，变成A、B、C、D四段串联的96颗LED全部串联的完整LED灯丝，导通LED数量还是100％。

从图7波形图看，图6电路导通占空比低于图3电路，特别在低压时占空比下降更明显，原因在于图6子方案放弃LED灯丝段4路并联控制过程，使LED灯丝段导通最低阈值电压提升一倍使导通角变小；但图6驱动器电源效率略高于图3驱动器，特别是IC内部电路得以大幅精简，只用6只电子开关，精简了40％，外部LED连线也得以简化。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC至少有7只引脚或6只引脚加腹部接地金属片，LED灯发光电路有四段LED灯丝段，第一段由占总数一半的LED串联而成，其首尾两端仅连IC两只引脚；第二段LED数量是第一段的一半，第三段是第二段的三分之二，剩下LED串联成第四段；第二、第三、第四段首尾相接串联成与第一段LED数量相等的LED灯丝段，其两端和中间两个接点连接到IC另外4只引脚；在实施电路中，第一LED灯丝段串联LED数量等于其它三段串联LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量可适当调整;在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

图8电路也是本原理IC应用之一，与图6有相似之处：放弃四段并联控制，精简内部电路，不同在于IC内运用二进制逻辑电路组合控制，使驱动器效率提高。IC外四段LED灯丝段A、B、C、D，A=7N、B=4N、C=2N、D=IN，LED总数14N，AC220V选N=7或6；LED灯丝段A等于B、C、D三段串联LED数量总和。A仅与IC的两只引脚连接；B、C、D三段则首尾串联相接。图8中微调电阻R_Adi和IC引脚Adj为选择和调整功率提供便利。

图8电路控制过程分两阶段：当电压低于V_P／2时，LED灯丝段组合为7N串联2路并联，100％LED可导通发光；电压上升过限，LED灯丝段组合立即进入一路串联阶段；所以分成：前阶段2路并联，后阶段一路串联。串联阶段再细分两个小阶段：电压在V_P／2到11V_P／14时，LED灯丝段A+B：7N+4N=11N串联，其LED导通数量占总数量11／14=78.6％，光通量仍可保持稳定，而无需采取过细的二进制组合控制，以免影响照度稳定；当电压继续上升，超过11V_P／14之后，开始二进制切换K5和K6，只需三个动作实现12N串、13N串、14N串，就完成这一阶段开关控制而达到脉动电压峰值。由于其波形图与图8很接近，只是波形上部多一个小台阶，因此略去做图，直接用电路图8和开关控制过程表4加以说明。

表4

当然，第二阶段可以全程用二进制组合控制，波形再增加3个小台阶，电源效率再稍有提高，但光照会稍变闪烁，略。

图8电路与图6电路所封装IC引脚的定义和分配以及与LED灯丝段的连接定义几乎完全一样，控制概念和LED灯丝段电路设计方案却有明显区别，电源转换效率还略胜一筹。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC至少有7pin或6pin加腹部接地金属片，LED灯有四段LED灯丝段，LED总数是14N，在AC220V，N=8，其余电网类推；第一段用7N颗LED，其两端仅连IC两只引脚，第二段4N颗，第三段2N颗，剩下1N颗串联成第四段；第二、第三、第四段串联成与第一段LED数量相等的LED灯丝段，其两端和中间两个接点仅连到IC另外4只引脚；在实施电路中，第一段串联LED数量等于其它三段串联LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量可适当调整；在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

将图6电路进一步精简成图9电路，内部有5只电子开关，封装成不少于6引脚或5引脚加腹部接地金属片的IC。LED灯的三段LED灯丝段共6N颗LED，AC220V电网，N=16，其余电网类推。第一段用3N颗LED串联而成，第二段2N颗，第三段1N颗；这三段分配LED数量的关键是：第一段串联LED数量等于其余两段串联LED数量之和，至于某段串联LED的具体数量及其间比例并不苛求，例如这三段可以是46、30、16颗LED等。驱动IC的5只引脚安排是：第一段LED灯丝段两端只接IC两只引脚，不接其余LED灯丝段，另两段串联LED灯丝段的两端和接点，也只连接到IC的三只引脚；电网脉动直流高压仅与一段LED灯丝段正极共用，例如第一段；电网脉动直流的负极与驱动电路地线接到IC腹部金属片；若IC引脚不够安排，IC功率选择以及其它选项可在IC封装前Dies调整阶段完成。

图9电路的电气波形示意图如图10所示，其稳定输出光通量的特性明显可见。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC至少有6pin或腹部带金属片的5pin，LED灯有三段LED灯丝段，LED总数是6N，在AC220V，N=16，其余电网类推；第一段有3N颗LED，两端仅连IC两引脚；第二段2N颗LED，第三段1N颗LED；第二、第三段串联，其两端和中间接点仅连IC另3只引脚；在实施电路中，第一段LED数量等于其它两段LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量可适当调整;在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

将图9再进一步精简：只驱动LED数量相等的两段LED灯丝，如图11所示。其电路精简到IC内部用于控制LED灯丝段变阵组合的电子开关只有3个，用于连接LED灯丝段的引脚只需4只，可封装于腹部带金属散热片的4Pin贴片式SMD中。

特别要说明图11电路经如此简化后的实际使用效果：LED伏安特性曲线显示其开始导通电压在其V_F标称值大约2／3处，一旦导通，其电流I_F将超过电压上升速率而迅速上升；图11电路为两段LED灯丝通路安排了恒流管CRD，用于确保电流不致失控;图12是其电压波形示意图，给出图11电路中LED灯丝的电压波形：曲线在V_P／2处的台阶后沿根部，是驱动IC将两段LED灯丝段从并联组合切换变成串联组合的分界线；图中电压波形的粗虚线为机械式绘出的波形，粗实线为实测波形，可见真实波形的效率远高于机械理解的波形。

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器至少有4pin加腹部金属片，LED灯有2段LED数量相等且互不连接的LED灯丝段连到IC，电网脉动直流电压正极与其中一段正极共用一只IC引脚，在4脚IC中电路地线和脉动直流电压负极连到腹部金属片；在实施电路中，两段LED灯丝段互不连接且串联LED数量相等的原则不变，各LED灯丝段实际串联LED数量细节可调整；在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

图13是基于本HVLED稳亮宽压驱动器原理的电路之一类代表，与前述各电路略存差异之处在于；对并联调控过程的至少两段LED灯丝各段，进行同比例的细分，使至少两段的并联调控可分段逐步进行，以进一步降低导通阈值电压，拓展工作周期导通角，效率有所提高；为此图13电路将整串LED灯丝，从中分成互不连接但又数量相等结构相同的两部分，给并联控制阶段增加了一次微调。结合表5和图14可以进一步分析图13电路的控制过程。

表5

一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：整串LED灯丝分成仅连到IC引脚、相互隔离的N个组合段，各组合段细分成串联LED数比例相同的M段；在HVLED稳亮宽压驱动器IC调控的脉动直流电压正弦变化周期中，有这N段并联导通的工作阶段，也有全部LED串联组合成一整串LED灯丝的单整串导通工作阶段；并联阶段还可细分成M个小阶段以提高效率、改善控制效果；N和M为2≤N≤4、2≤M≤3的整数。

所述LED灯丝串联组合段就是由若干较短的LED灯丝段串联组成更长的LED灯丝段。

本发明的关键点和优越点在于：把构成作为电网负载的LED灯的串联LED灯丝，用拆分组合变阵技术将其进行阻抗变换以适应电网电压高低变化：无论电压高低，LED灯中导通LED数量保持稳定、LED灯亮度保持稳定，这是本发明的关键点之一，也是优越点之一。

【附图说明】

图1：1-1为直流LED灯丝通用电路符号，1-2为其所表示的串联数≥2的串联LED电路；1-3为交流LED灯丝通用电路符号，1-4为其所表示的两路串联又反向并联的LED电路。

图2：一种一维线性LED灯丝组合驱动器示意图，控制电路驱动相应电子开关，组合控制LED灯丝段导通数量，以适应市电网电压变化。

图3是本发明HVLED稳亮宽压驱动器电路原理示意图，虚线框为驱动IC封装界限，其内部是驱动电路示意简图，其外4段LED数量相等的LED灯丝段分别仅连接IC的8只引脚；IC内部10个电子开关控制这4段串并联组合形式，确保导通LED总数量稳定。

图4：是图3中LED灯丝电路的电气特性组图，4-11是LED灯丝在正常电网电压时的波形图，4-12和4-13分别是过压和欠压波形图，图中每个台阶都是LED灯丝段组合变换的结果：从下向上第一台阶是4段并联波形，第二台阶是2段串联2路并联波形，第三台阶是3段串联成一路波形，第四台阶是4段全部串成一路的波形；其中4-12中部的断裂是过压保护将K0关闭所致，若不是关闭而是限流，波形不是这样，4-13因电网电压过低，LED只能在四段并联和2段串2路并联之间循环转换；4-21、4-22和4-23是供电网三种状态下流经LED电流的状况：4段并联时有4路电流I_F，总电流=4I_F，2并2串时电流=2I_F，一路串不管是3段还是4段都是1路I_F；4-31、4-32和4-33则是LED灯丝段上的功耗，也间接反映LED灯的发光功率与亮度，可见在LED导通阶段功率稳定、亮度稳定。

图5：是图3电路稍加变形，将第四段LED_SUD分为LED_SUD1和LED_SUD2，控制前三阶段与图3完全相同，只在第四台阶分两次：先串LED_SUD1生成较低台阶，再串LED_SUD2台阶填满，这样处理减小了LED电压与电网包络曲线间三角区面积，可提高驱动效率。

图6：是图3电路进一步精简，放弃4段并联，重划各段LED数量，在一路串联阶段，LED灯丝段的增减分三段实现，优化了负载波形，也减少了IC引脚数，封装可做得更小。

图7：是图6电路波形示意图。

图8：是图6电路的内部组合变形：变为二进制控制逻辑和时序，进一步优化了驱动效率。

图9：是图6进一步简化，只控三段LED灯丝段，布线和制造更简化，便于更小IC封装，

图10：是图9电路波形示意图。

图11：是图9电路一步简化，可做成腹有金属片的4Pin封装IC；只对数量相等的两段LED灯丝段进行2段并联和2段串联的无限循环调控；布线和制作工艺更简化，效果不错。

图12：是图11LED电压波形示意图，台阶粗虚线是简化分析波形，粗实线是实测波形。

图13：LED灯的两段为结构相同、LED数量相等的组合LED灯丝段，在电压低于50％阶段，驱动器将这其组成2路并联，实行先3N／／3N再4N／／4N的精细化控制，比前述几个方案的控制效果有改善：拓宽了导通角、提高了电源转换效率，而电路复杂度增加不多。

图14：是图13电路波形示意图，可见2路并联阶段3N／／3N到4N／／4N转变时出现的台阶。

【具体实施方式】

实施例一、30W室外照明LED光源模块组件

本实施例如图5电路所示，省略了PCB布线工程图和结构设计图;本IC为5段HVLED稳亮宽压驱动器，含有4路并联和2路并联控制阶段，导通阈值电压仅为50VDC，导通角宽至141.6°占空比近80％，在电网电压不稳的用电环境能提供相当稳定的照明效果;其效率高于图3电路，内部电路仅增加1只电子开关；该电路可封装在8脚贴片IC中，仅用1cm²面积，无需外围器件；所驱动外围光源电路，分4个串联LED数量相等的段落，三段对应A、B和C，第四段分两段，对应D1和D2，IC引出9条连线，可组成LED光源相对集中排列的LED光源模。具体应用是：30W室外照明LED光源模组，用于各种室外大型照明装置，包括主干道LED路灯、广场灯等，也可用于室内的工矿灯等场合。

实施例二、LED灯泡

本实施例如图9所示，SOP8封装，虽只有2路并联控制阶段，但其低压稳定发光和无频闪照明效果依然非常好；由于本原理IC体积微小、无需外围器件，用其配合制造8W以下LED灯泡，成本低、寿命长，使用方便，光效稳定。

实施例三、LED直管灯

本实施例如图11所示，驱动电路IC为SOP8封装，虽只有2路并联控制阶段，但其低压稳定发光和无频闪照明效果依然非常好;本IC只占用0.3cm²PCB面积，无外围器件，只驱动两段LED灯丝，仅4条电路连线，且LED安排简易：LED亮度始终相同，很适于驱动窄而长的LED光源阵列，用其配合制造15W以下LED直管灯非常实用。

实施例四、LED灯泡

本实施例如图13所示，省略了PCB布线图和结构设计图；本驱动电路IC封装成SOP8形式，其2路并联控制阶段细分成两个小阶段，降低了阈值电压，拓宽了导通角，其低压稳定发光和无频闪照明效果依然非常好；IC只占用0.3cm²PCB面积，又无需外围器件，且只驱动两段LED灯丝，虽6条电路连线，但可驱动四段LED灯丝，所以很适用于驱动相对集中的LED光源阵列，用其配合制造9W以下LED灯泡非常实用。

Claims

1.一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：随电网整流脉动直流电压高低变化，作为LED照明光源电路驱动控制核心的本驱动器IC，对其外以下述连接方式的LED灯丝电路，以下述调控方式进行驱动：所述连接方式是：驱动器IC的有些引脚分别连接至少两段LED灯丝段的正极和负极，而所述至少两段LED灯丝段在IC外相互隔离，没有任何电路连接；所述调控方式进行驱动是：当所述脉动直流电压较低时，IC内部电路将所述至少两段LED灯丝段组成并联形式并使工作电流驱动其正常发光，而当电压较高时，IC内部电路将所述至少两段LED灯丝段组成串联形式并使工作电流驱动其正常发光。

2.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC有不少于9只引脚或腹部带接地金属片的8只引脚，其中8只引脚用于连接构成LED灯发光电路的四段LED灯丝段，各LED灯丝段的串联LED数量相等，且每段仅与IC的2只引脚连接，各段之间相互不直接相连；在电网电压正常的正弦变化周期内，当电压较低时四段LED灯丝被组成并联电路而导通发光，当电压较高时四段LED灯丝被组成串联电路而导通发光。

3.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC有不少于10只引脚或腹部带接地金属片的9只引脚；9只引脚连接LED灯发光电路的五段LED灯丝段，其中三段串联LED数量相等，且仅与驱动器IC引脚连接，各LED灯丝段之间无电路相连，也不与剩下两LED灯丝段连接；剩下两LED灯丝段首尾相接串联在一起，其LED数量之和与前三段中任一段LED数量相等；这两段LED灯丝段LED数量比例大致为2：1；第一、第二、第三各段LED灯丝段串联LED数量相等且等于其它两段串联LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量细节可适当调整；在电网电压正常的正弦变化周期内，电压低时四路五段并联，电压高时五段串联。

4.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC有8只引脚，分别连接四段LED数量相等的LED灯丝段两端，各段互不相连；驱动电路地线V_SS/Gnd和脉动高压地线共用IC腹部金属片，高电压V_H输入端与某段LED灯丝段正极共用IC一引脚；在电网电压正常的正弦变化周期内，电压低时四段并联，电压高时四段串联。

5.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC至少有7只引脚或6只引脚加腹部接地金属片，LED灯发光电路有四段LED灯丝段，第一段由占总数一半的LED串联而成，其首尾两端仅连IC两只引脚；第二段LED数量是第一段的一半，第三段是第二段的三分之二，剩下LED串联成第四段；第二、第三、第四段首尾相接串联成与第一段LED数量相等的LED灯丝段，其两端和中间两个接点连接到IC另外4只引脚；在实施电路中，第一LED灯丝段串联LED数量等于其它三段串联LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量可适当调整；在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

6.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC至少有7pin或6pin加腹部接地金属片，LED灯有四段LED灯丝段，LED总数是14N，在AC220V，N=8，其余电网类推；第一段用7N颗LED，其两端仅连IC两只引脚，第二段4N颗，第三段2N颗，剩下1N颗串联成第四段；第二、第三、第四段串联成与第一段LED数量相等的LED灯丝段，其两端和中间两个接点仅连到IC另外4只引脚；在实施电路中，第一段串联LED数量等于其它三段串联LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量可适当调整；在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

7.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器IC至少有6pin或腹部带金属片的5pin，LED灯有三段LED灯丝段，LED总数是6N，在AC220V，N=16，其余电网类推；第一段有3N颗LED，两端仅连IC两引脚；第二段2N颗LED，第三段1N颗LED；第二、第三段串联，其两端和中间接点仅连IC另3只引脚；在实施电路中，第一段LED数量等于其它两段LED数量之和的原则不变，各段实际串联LED数量可适当调整；在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

8.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：该驱动器至少有4pin加腹部金属片，LED灯有2段LED数量相等且互不连接的LED灯丝段连到IC，电网脉动直流电压正极与其中一段正极共用一只IC引脚，在4脚IC中电路地线和脉动直流电压负极连到腹部金属片;在实施电路中，两段LED灯丝段互不连接且串联LED数量相等的原则不变，各LED灯丝段实际串联LED数量细节可调整;在电网电压正常的正弦周期内，电压低时二路并联，电压高时1路串联。

9.根据权利要求1所述的一种HVLED稳亮宽压驱动器，其特征是：整串LED灯丝分成仅连到IC引脚、相互隔离的N个组合段，各组合段细分成串联LED数比例相同的M段;在HVLED稳亮宽压驱动器IC调控的脉动直流电压正弦变化周期中，有这N段并联导通的工作阶段，也有全部LED串联组合成一整串LED灯丝的单整串导通工作阶段；并联阶段还可细分成M个小阶段以提高效率、改善控制效果；N和M为2≤N≤4、2≤M≤3的整数。