H桥为LED照明铺新路

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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。