典型白光LED驅動(dòng)案例

白光LED照明方式以高效、低功耗、節能環(huán)保等特性，已經(jīng)廣泛獲得大家的認可。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，LED就是可發(fā)光的二極管，它的發(fā)光強度與通過(guò)它的正向電流成正比，且存在導通電壓，當電流大小為20 mA時(shí)，正向壓降一般為3～3.5 V。很多時(shí)候，單個(gè)LED發(fā)光強度并不能滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求，還必須將多個(gè)LED串聯(lián)或并聯(lián)使用，這就需要大的電壓或電流來(lái)驅動(dòng)，而不同的制作工藝，甚至不同批次，LED都存在著(zhù)性能不匹配的問(wèn)題，這也為合理設計驅動(dòng)帶來(lái)難題。所以，雖然原始的電源有很多種類(lèi)，但都不能直接給LED供電。這就要求根據不同的需要采取升壓或者降壓，以及恒流或恒壓的驅動(dòng)方式進(jìn)行驅動(dòng)。

1 常見(jiàn)LED驅動(dòng)器工作原理

1.1 線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器

最早成套出現的線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器出現于20世紀70年代，那時(shí)是以NPN管作為穩壓器件的，如圖1所示。這種穩壓器件在輸入電壓與輸出電壓之間要求2Vbe的電壓，當輸入電壓低于2Vbe時(shí)，NPN管進(jìn)入飽和，穩壓器將失去穩壓能力。為了減少壓差，出現了組合型的穩壓器，如圖2所示，即用PNP管驅動(dòng)NPN管的基極，但壓差也接近1Vbe。20世紀80年代中期，市場(chǎng)上出現了低壓差線(xiàn)性穩壓器，如圖3所示。與NPN穩壓器不同，PNP穩壓器壓差不是Vbe的函數，而是PNP管Vce的函數，這個(gè)電壓值要低得多，隨著(zhù)制造工藝的成熟，PNP穩壓器壓差已經(jīng)小于500 mV。

線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器是指在線(xiàn)性區或飽和區工作的晶體管、場(chǎng)效應管從輸入電壓中分去多余的電壓，產(chǎn)生可調節、穩定且精確的直流電壓，通常由穩壓器件、誤差放大器、反饋電路以及基準電壓組成。穩壓器件通常是一個(gè)MOS管，相當于一個(gè)壓控電阻，由柵極電壓控制電阻大小。輸出電壓Vout是由穩壓器件與負載分壓得到的Vout=Vin-Vp，若輸入電壓Vin或負載發(fā)生變化，控制端電壓Vc也隨著(zhù)變化，控制MOS管阻值，達到調整MOS管分壓Vp大小的目的，使Vout保證穩定。線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器也可通過(guò)將采樣電阻與負載進(jìn)行串聯(lián)，反饋電壓Vo=Iout×R1，保持R1大小不變，則反饋電壓可反映輸出電流大小的變化，進(jìn)而改成線(xiàn)性穩流驅動(dòng)器，其具體工作原理與線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器基本一致。

線(xiàn)性穩壓器的效率是比較低的。由原理可知，該驅動(dòng)器的輸出電壓是由輸入電壓減去MOS管分壓Vp而得到的，而這部分電壓完全是轉變?yōu)闊崮芟牡?，所以為了提高驅?dòng)器效率，一般要求Vp越低越好。將輸入/輸出電壓差較低的線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器稱(chēng)為低壓差線(xiàn)性穩壓器，簡(jiǎn)稱(chēng)LDO。

1.2 電荷泵驅動(dòng)器

最早的理想電荷泵模型是Dickson J在1976年提出的，如圖5所示，其基本思想就是通過(guò)電容對電荷的積累效應而產(chǎn)生高壓。后來(lái)Witte-rs J，Toru Tranzawa等人對Dickson J的電荷泵模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了比較精確的理論模型，并通過(guò)實(shí)驗加以證實(shí)。

現代電荷泵主要由開(kāi)關(guān)陣列、震蕩電路、邏輯電路和比較器來(lái)實(shí)現DC—DC的轉換，驅動(dòng)模式也由以前的單模式轉變成自適應多模式，主要的形式有單模式(如2X模式)、雙模式(如1X/2X模式)和多模式(如1X/1.5X/2X模式)等，下面結合雙模式1X/2X電荷泵分析電荷泵的工作原理。

如圖6所示，當電荷泵工作在1X模式下時(shí)，振蕩器不工作，S1和S4直接導通，此時(shí)，Vin=Vout;當電荷泵工作在2X模式下時(shí)，振蕩器輸出占空比為50%的方波，使S1，S3和S2，S4輪流導通。當時(shí)鐘信號為高電平時(shí)，S1和S3導通，S2和S4截止，Vin與C1連通，對C1進(jìn)行充電，使Vc =Vin;當時(shí)鐘信號為低電平時(shí)，S1和S3斷開(kāi)，S2和S4導通，Vin通過(guò)C1串聯(lián)對外供電，所以有穩態(tài)時(shí)，Vout=Vin+Vc=2Vin。

電荷泵驅動(dòng)電路，不僅能有效進(jìn)行升壓降壓輸出，而且還能非常簡(jiǎn)便地進(jìn)行負壓輸出，這是電荷泵驅動(dòng)器相對其他兩種驅動(dòng)器的一大優(yōu)勢。

如圖7所示，它的基本原理與Dickson電荷泵是一致的，但是利用電容兩端電壓差不會(huì )跳變的特性，當電路保持充放電狀態(tài)時(shí)，電容兩端電壓差保持恒定。在這種情況下將原來(lái)的高電位端接地，從而可得到負電壓輸出。

式中：Pin為輸入總功率;Lout為負載LED上流過(guò)的總電流;VLED為L(cháng)ED的正向導通壓降;M為電荷泵的升壓倍數;Iq為電荷泵功率管的驅動(dòng)電流和其他模塊的靜態(tài)電流。由上式可以看出，電荷泵的升壓倍數M越大，電荷泵的轉換效率越低，因此，在滿(mǎn)足LED驅動(dòng)電壓，即Vout> VLED的條件下，要盡量使電荷泵工作在低升壓倍數的模式下。

1.3 電感式開(kāi)關(guān)穩壓驅動(dòng)器

電感式開(kāi)關(guān)穩壓驅動(dòng)器簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源(Switching Power Supply)，因電源中起調整穩壓控制功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作而得名。早期的開(kāi)關(guān)電源頻率僅為幾千赫茲，當頻率達到10 kHz左右時(shí)，變壓器、電感等磁性元件發(fā)出很刺耳的噪聲，直到20世紀70年代，開(kāi)關(guān)頻率突破了人耳聽(tīng)覺(jué)極限的20 kHz，噪聲問(wèn)題才得以解決。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的不斷提升，驅動(dòng)器的體積減小，效率提高。20世紀80年代，出現了采用準諧振技術(shù)的零電壓和零電流開(kāi)關(guān)電路，也就是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。這種電路使開(kāi)關(guān)開(kāi)通或關(guān)斷前的電壓、電流分別為零，解決了電路中的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，從而使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)一步向體積小、重量輕、效率高、功率密度大的方向發(fā)展。

電感式開(kāi)關(guān)穩壓驅動(dòng)器的核心是電子開(kāi)關(guān)電路，根據負載對電源提出的輸出穩壓或穩流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在開(kāi)關(guān)管閉合的時(shí)候，將電源的能量?jì)Υ嬖陔姼兄?，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，電感中的能量流入電容，這樣就實(shí)現了能量的傳輸。

電感式開(kāi)關(guān)穩壓驅動(dòng)器有通常兩種控制方式：一是保持開(kāi)關(guān)工作周期不變，控制開(kāi)關(guān)導通時(shí)間的脈沖寬度調制方式(PWM)，該方式是在輸入電壓或負載變化時(shí)，控制電路通過(guò)輸出電壓或電流與基準電壓的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調節主電路開(kāi)關(guān)器件的導通脈沖寬度，使得電感式開(kāi)關(guān)穩壓驅動(dòng)器的輸出電壓或電流保持穩定;另一種是保持導通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)工作周期的脈沖頻率調制方式(PFM)，基本工作原理就是在輸入電壓或負載變化的情況下，控制電路通過(guò)輸出電壓與基準電壓的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，在保持開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間不變的情況下，控制開(kāi)關(guān)周期的長(cháng)短，即控制開(kāi)關(guān)頻率，來(lái)調整開(kāi)關(guān)占空比，以達到穩定輸出電壓或電流的目的。由于PWM方式電路簡(jiǎn)單，且輸入/輸出范圍較PFM方式更廣泛(PFM通常用于輕負載、低電壓、低電流情況下)，所以得到了廣泛應用，下面主要介紹兩種PWM驅動(dòng)方式。