典型白光LED驅(qū)動(dòng)案例

白光LED照明方式以高效、低功耗、節(jié)能環(huán)保等特性，已經(jīng)廣泛獲得大家的認(rèn)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(qiáng)度與通過(guò)它的正向電流成正比，且存在導(dǎo)通電壓，當(dāng)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(qiáng)度并不能滿足實(shí)際應(yīng)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(qū)動(dòng)，而不同的制作工藝，甚至不同批次，LED都存在著性能不匹配的問(wèn)題，這也為合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)難題。所以，雖然原始的電源有很多種類，但都不能直接給LED供電。這就要求根據(jù)不同的需要采取升壓或者降壓，以及恒流或恒壓的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1 常見LED驅(qū)動(dòng)器工作原理

1.1 線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器

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

線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器是指在線性區(qū)或飽和區(qū)工作的晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管從輸入電壓中分去多余的電壓，產(chǎn)生可調(diào)節(jié)、穩(wěn)定且精確的直流電壓，通常由穩(wěn)壓器件、誤差放大器、反饋電路以及基準(zhǔn)電壓組成。穩(wěn)壓器件通常是一個(gè)MOS管，相當(dāng)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(wěn)壓器件與負(fù)載分壓得到的Vout=Vin-Vp，若輸入電壓Vin或負(fù)載發(fā)生變化，控制端電壓Vc也隨著變化，控制MOS管阻值，達(dá)到調(diào)整MOS管分壓Vp大小的目的，使Vout保證穩(wěn)定。線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器也可通過(guò)將采樣電阻與負(fù)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)而改成線性穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)器，其具體工作原理與線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器基本一致。

線性穩(wěn)壓器的效率是比較低的。由原理可知，該驅(qū)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(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡?，所以為了提高?qū)動(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性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器稱為低壓差線性穩(wěn)壓器，簡(jiǎn)稱LDO。

1.2 電荷泵驅(qū)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(duì)電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓。后來(lái)Witte-rs J，Toru Tranzawa等人對(duì)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(yàn)加以證實(shí)。

現(xiàn)代電荷泵主要由開關(guān)陣列、震蕩電路、邏輯電路和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)DC—DC的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)模式也由以前的單模式轉(zhuǎn)變成自適應(yīng)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(jié)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(dāng)電荷泵工作在1X模式下時(shí)，振蕩器不工作，S1和S4直接導(dǎo)通，此時(shí)，Vin=Vout;當(dāng)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(dǎo)通。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，S1和S3導(dǎo)通，S2和S4截止，Vin與C1連通，對(duì)C1進(jìn)行充電，使Vc =Vin;當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，S1和S3斷開，S2和S4導(dǎo)通，Vin通過(guò)C1串聯(lián)對(duì)外供電，所以有穩(wěn)態(tài)時(shí)，Vout=Vin+Vc=2Vin。

電荷泵驅(qū)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(fù)壓輸出，這是電荷泵驅(qū)動(dòng)器相對(duì)其他兩種驅(qū)動(dòng)器的一大優(yōu)勢(shì)。

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(dāng)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(fù)電壓輸出。

式中：Pin為輸入總功率;Lout為負(fù)載LED上流過(guò)的總電流;VLED為L(zhǎng)ED的正向?qū)▔航?M為電荷泵的升壓倍數(shù);Iq為電荷泵功率管的驅(qū)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(shù)M越大，電荷泵的轉(zhuǎn)換效率越低，因此，在滿足LED驅(qū)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(shù)的模式下。

1.3 電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器

電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)稱開關(guān)電源(Switching Power Supply)，因電源中起調(diào)整穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開關(guān)方式工作而得名。早期的開關(guān)電源頻率僅為幾千赫茲，當(dāng)頻率達(dá)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(jì)70年代，開關(guān)頻率突破了人耳聽覺極限的20 kHz，噪聲問(wèn)題才得以解決。隨著開關(guān)頻率的不斷提升，驅(qū)動(dòng)器的體積減小，效率提高。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了采用準(zhǔn)諧振技術(shù)的零電壓和零電流開關(guān)電路，也就是軟開關(guān)技術(shù)。這種電路使開關(guān)開通或關(guān)斷前的電壓、電流分別為零，解決了電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問(wèn)題，使開關(guān)頻率可以大幅度提高，從而使開關(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。

電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器的核心是電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對(duì)開關(guān)電路進(jìn)行控制。在開關(guān)管閉合的時(shí)候，將電源的能量?jī)?chǔ)存在電感中，在開關(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(xiàn)了能量的傳輸。

電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器有通常兩種控制方式：一是保持開關(guān)工作周期不變，控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)，該方式是在輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，控制電路通過(guò)輸出電壓或電流與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓或電流保持穩(wěn)定;另一種是保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)工作周期的脈沖頻率調(diào)制方式(PFM)，基本工作原理就是在輸入電壓或負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，在保持開關(guān)開啟時(shí)間不變的情況下，控制開關(guān)周期的長(zhǎng)短，即控制開關(guān)頻率，來(lái)調(diào)整開關(guān)占空比，以達(dá)到穩(wěn)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(fù)載、低電壓、低電流情況下)，所以得到了廣泛應(yīng)用，下面主要介紹兩種PWM驅(qū)動(dòng)方式。