【干货】AC 直接驱动的 LED 灯丝灯
LED 灯必须用恒定直流来驱动点亮，因此 LED 灯都离不开 AC/DC 的恒流电源，目前大多数使用的是开关恒流电源或高压线性恒流电流。一般来说，一个 LED 灯，LED 灯珠约占 LED 灯的总成本的 60%，而驱动电源约占 15-25%。为了降低 LED 灯的成本，减少电源所使用的零件、减少整灯的配件、和减少人工都成为设计师的主要工作和企业家的追求。
LED 灯能否省去 AC/DC 驱动电源？直接用 AC 来驱动点亮呢？也是 LED 照明发展的一个美丽梦想！
LED 灯珠实质是一个 PN 结的二极管，它既可以发光，同时也具备整流的功能。只是囿于某些技术的原因，多年来一直在开发和弘扬 LED 灯珠的照明功能而忽略其整流功能。
无电源的 AC LED 应用方案在 2008 年初曾经萌生，限于 LED 灯珠的 VF 离散性太大，多串 LED 的均流当时没有找到实用而低耗电的主动电子器件解决方案。因此搁置。
1. AC LED 光源的可行性
AC LED 光源的可行性研究在 2008 年已经萌生。LED 是一个典型的 PN 二极管，因此不仅能通电发光亮，当然也可以对交流电进行整流。
AC LED 光源的工作原理如图 1，将 VF 值基本相同的 LED 微小晶粒绑定在蓝宝石、陶瓷或金属基板上，对 LED 晶粒用金线串联。将同样的五串 LED 晶粒串组成类似一个整流桥（图 1 左），整流桥的两端分别联接交流电源，另两端联接一串 LED 晶粒。四个桥臂的 LED 晶粒串在接上交流电瞬间既对交流电整流，又发出光亮。
图 1 AC LED 光源工作原理
交流的正半周沿蓝色通路流动，3 串 LED 晶粒发光；负半周沿绿色通路流动，又有 3 串 LED 晶粒发光；四个桥臂上的 LED 晶粒串轮番发光，相对桥臂上的 LED 晶粒串同时发光，中间一串 LED 晶粒串因共用而一直在发光。在 50Hz 或 60Hz 的交流电中会以每秒 50 或 60 次的频率轮替点亮。整流桥取得的直流是脉动直流（图 1 右），LED 的发光因此是有闪烁的。
采用长余辉 LED 有断电余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，结果人眼对 LED 光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。LED 有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少 40%～20%。因此 AC LED 的使用寿命较 DC LED 长。但整个桥路的 AC LED 光源发光效率会因此减少 30%左右。
2. 自恒流 IC 灯丝
LED 灯丝灯经过几年的发展，今天已经诞生一个技术创新的“IC 灯丝”！因此可能会对现有的 LED 灯丝灯进行革命性的变化！IC 灯丝可以简单而有效的恒定每根灯丝的电流，解决一个灯泡内几根 LED 灯丝因 VF 的些微差异而引起各根灯丝的工作电流不等。
在一个灯泡内，并联 N 根 LED 灯丝的应用，VF 小的灯丝会承受较大的电流，日长时久，工作电流大的灯丝会先光衰！IC 灯丝是一个低成本的有效解决方案！IC 灯丝由于需要散热适用于各种金属基板灯丝。
IC 灯丝如图 2 所示。IC 灯丝是直接将两端口线性恒流 IC 裸芯片绑定在灯丝基板上，恒流 IC 裸芯片在灯丝基板上与 N 颗 LED 灯珠芯片直接串联成一体，成为有自控灯丝电流的新型电子 LED 灯丝。IC 灯丝能自恒流、自整流。
图 2 金属基 IC 灯丝内部结构示意图
由于大批量生产的 LED 灯珠晶粒其参数的离散性很大，即使我们在 LED 灯丝生产时使用原厂筛选后的 LED 晶粒方片，再经努力配对，还是不能保证批量生产的 LED 灯丝，每一根的 VF 完全一样。
把 VF 有些许差异的几根 LED 灯丝组合在一个灯泡里，由一个恒流电源供电，VF 小的灯丝得到的电流会多一点，时间长了，这根 VF 小的 LED 灯丝会先发生光衰。这是目前 LED 灯丝灯的一个隐性的癌症，也是 COB 灯丝的一个难以攻克的技术难题。IC 灯丝在 N 根 LED 灯丝并联的应用中能做到 N 根 LED 灯丝的均流，改善 VF 允差不等带来的缺陷。
把恒流 IC 裸芯片直接组合到灯丝上，与 LED 灯珠芯片一起绑定成新一代的带 IC 的 COB 灯丝。LED 灯丝原本只是一个由 LED 封装厂生产的被动的 COB 器件，加入 IC 恒流控制芯片以后，IC 灯丝因电子化而使 LED 灯丝从被动器件跃变成为新一代主动电子器件了！
LED 灯丝因此能自控电流而做到根根均流恒定！对灯丝的 VF 再也不需苛求了！也许 LED 灯丝灯因此而省掉 AC/DC 恒流电源，有了 IC 的 LED 灯丝可以使 LED 灯丝灯成为真正的电子白炽灯！
3. 单通道两端口线性恒流控制 IC
单通道两端口线性恒流控制 IC 是一颗芯片内部高度集成的恒流电源芯片，它由微调、基准电压、稳压电源、温度补偿、过温保护、电流采样、运放、恒流控制、MOS 等功能模块组成。使用简单，可直接驱动高压 LED 灯串，无需调试，没有取样电阻，应用线路非常简洁。芯片内部限定恒流，出厂时设置固定输出10mA、12mA、20mA、30mA 电流，按订单需要生产。
芯片内置 600V MOS。应用线路无 EMI 问题。内置过温保护。应用于 IC 灯丝十分方便，可恒定由 N 颗 LED 灯珠芯片串联的 HVLEDs 灯丝电流。也可广泛应用于各种类型的光电引擎。
单通道两端口线性恒流控制 IC 芯片以莱托思 LA2012 为例，芯片的内部结构原理框图如图 3 所示。DRAIN 为两端口恒流控制 IC 芯片的驱动输入端，接HVLEDs 负端，同时给这驱动芯片本身供电。
LA2012 的设定恒流工作区域为 3.7-60VDC。对 HVLEDs 恒流精度优于±3%。IF 可以在 IC 芯片出厂时预先设置，如 10mA、12mA、20mA、30mA 等。线性调整率优于 1mA，温度系数优于-10uA/C，芯片本身工作电流约 100uA，芯片本身功耗约为 1-2mW。芯片具有温度补偿及高温保护，芯片结温摄氏 160 度时自动开路。LA2012 裸芯片两端分别为 DRAIN 和 GND，使用十分方便。
图 3 LA2012 两端口恒流控制 IC 芯片的内部结构原理框图
两端口线性恒流控制 IC 芯片内的温度补偿模块，在 LED 灯丝温度升高到摄氏 135 度时，可以自动控制 LED 的工作电流按照设定曲线减小，温度接近摄氏 155 度时 LED 电流快速下降到 0。温度补偿功能可以避免 LED 因为环境温度升高，造成因高温引起的频繁过温保护的物理闪烁。
两端口线性恒流控制 IC 芯片在 LED 灯丝上的应用电路如图 4 所示。
图 4 两端口线性恒流控制 IC 的应用图
集成电路制造商向 LED 灯丝厂提供两端口线性恒流控制 IC 裸芯片，便于与 LED 灯珠晶粒一起在灯丝基板上绑定、打线的生产工艺配合。
两端口线性恒流控制 IC 芯片可能会成为 2017 年 LED 照明电源驱动芯片的一个热点产品！估计 N 家电源驱动芯片集成电路设计制造公司都会很快挤入这个市场！亚成微的单通道两端口恒流 LED 控制芯片 RM90023 也已上市，RM90023 的 DRAIN 和 GND 在裸芯片的同一端，灯丝上应用有点不便。
4. AC 直接驱动 LED 灯丝灯
LED 灯珠是一个典型的 PN 二极管，它不仅具有发出光亮的功能，同时也具有对 AC 交流电整流的功能，因此四根 LED 灯丝可以组成一个完整的整流桥路。当 LED 灯珠晶粒+两端口线性恒流 IC 裸芯片集成以后，就成了一根具备自整流、自恒流的 IC 灯丝。
AC 直接驱动 LED 灯丝灯可以用五根长余辉 LED 灯丝来组成。其中可以用一根带两端口线性恒流控制 IC 的灯丝，必须安置在这桥路中间的那根常亮位置；也可以在其中用二根带两端口线性恒流控制 IC 灯丝，必须安置在桥路相邻的两臂；也可以在其中用四根带两端口线性恒流控制 IC 灯丝，即四个桥臂都用 IC 灯丝。
这三种应用方案有不同的性价比，效果也略有差异。这三种应用电路如图 5 自左至右所示，分别为一根 IC 灯丝，二根 IC 灯丝，四根 IC 灯丝。一个串联回路必须至少串联一颗两端口线性恒流控制 IC 芯片。
采用长余辉荧光粉使 LED 有断电余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，结果人眼对 LED 光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。因而掩盖了 50Hz、60Hz 交流电频率变换引起的频闪。这个桥路上的 LED 灯珠有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少 40%～20%。因此 AC LED 的使用寿命较 DC LED 长。但整个桥路的 AC LED 光源发光效率会因此减少 30%左右。
图 5 AC 直驱 LED 灯丝灯应用电路
由上述 AC 直驱 LED 灯丝灯的三种应用电路可知，LED 灯丝串组成桥路后具有对交流电整流的功能，因此在 AC 直接驱动的 LED 灯丝灯中没有了专门的 AC/DC 恒流电源、没有整流桥堆，由此节省了驱动电源和人工安装、与接线的成本，这类新颖的 AC 直接驱动的 LED 灯丝灯的 BOM 成本与现在的 LED 灯丝灯相比降低 15-25%，对现有的灯丝灯方案和设计理念也许是一个冲击和一个革命性的变化！
图 6 AC 直驱 LED 灯丝灯
采用金属基 IC 灯丝的 AC 直驱 LED 灯丝灯结构图如图 6 所示，金属基灯丝有利于 LED 晶粒和恒流 IC 裸芯片的散热，如在金属基灯丝的背面涂覆石墨烯，可将灯丝的热量利用石墨烯涂层将金属基材传来的热量很快辐射出去，改善LED灯丝灯只依靠氦气导热、借助玻璃泡发散热量的单一途径。
采用弧形 LED 灯丝可以有效改善整灯的配光曲线。直丝 LED 灯丝灯的配光曲线图成蝴蝶斑，打开直丝 LED 灯丝灯，其灯下中间会呈现暗区而周围明亮。而弧丝 LED 灯丝灯的配光曲线图呈满月状，弧丝 LED 灯丝灯下面不会有光的暗区。晶泰星已经批量生产金属基石墨烯 IC 灯丝，和金属基石墨烯 IC 灯丝灯。
采用金属基 IC 灯丝的 AC 直驱 LED 灯丝灯开辟了 LED 光源无需 AC/DC 的恒流电源的新时代！实现 LED 照明发展的又一个美丽梦想！（本文作者：颜重光）
参考资料
《发展迅速的 AC 直接驱动 LED 光源技术》
颜重光 2009-02-08
《主导未来通用照明市场的高压 LEDs》
颜重光 2010-10-18
《LED 灯丝灯泡设计技术》
颜重光 2013-06-28
《带散热器的新一代灯丝灯设计方案》
颜重光 2015-05-23
《LED 灯丝创新革命又展新图》
颜重光 2017-02-08
2017首席顾问行情分析会
