典型白光LED驅(qū)動案例

1.3.1 電壓控制型PWM

結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

在PWM控制器中，對輸出電壓Vo進(jìn)行檢測，加至運(yùn)放的反相輸入端，固定參考電壓Vref加至運(yùn)放的正相輸入端。誤差放大后輸出直流誤差電壓Ve，加至PWM比較器的正相輸入端;將斜坡信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號Vosc加至PWM比較器的反相輸入端。Vc和Vosc經(jīng)PWM比較后輸出一個方波信號，該方波信號的占空比隨著誤差電壓Vc變化。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，Ve值變大，經(jīng)PWM比較后，輸出方波占空比減小，MOS管導(dǎo)通時(shí)間增加，Vin對電感充電時(shí)間增加，Vout升高。

1.3.2 電流控制型PWM原理

結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。該電路和電壓控制型的區(qū)別在于，該電路有外控制環(huán)和內(nèi)控制環(huán)兩部分電路。當(dāng)輸出電流Iout降低時(shí)，誤差放大器輸出增大，PWM輸出為0;當(dāng)振蕩波上升沿到來時(shí)，MOS管導(dǎo)通，Vin對電感充電，電流增加，通過采樣電阻R3反饋電壓增加，當(dāng)反饋電壓超過Ve時(shí)，PWM輸出為1，當(dāng)振蕩器下降沿到來時(shí)，MOS管關(guān)閉，電感上電流對外輸出。電流控制模式與電壓控制模式一樣具有占空比與輸出電壓大小成反比的關(guān)系外，還具有以下特點(diǎn)：外控制環(huán)路控制電流最小值;內(nèi)環(huán)控制電流最大值。

2 各種驅(qū)動器優(yōu)缺點(diǎn)比較

對于LED驅(qū)動方式而言，每種LED驅(qū)動都有它的適用范圍，也有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，搞清楚各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以更好地根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的LED驅(qū)動電路，這可以通過效率白光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)上來說，LED就是可發(fā)光的二極管，它的發(fā)光強(qiáng)度與通過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LED串聯(lián)或并聯(lián)使用，這就需要大的電壓或電流來驅(qū)動，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題，這也為合理設(shè)計(jì)驅(qū)動帶來難題。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)動方式進(jìn)行驅(qū)動。

1 常見LED驅(qū)動器工作原理

1.1 線性穩(wěn)壓驅(qū)動器

最早成套出現(xiàn)的線性穩(wěn)壓驅(qū)動器出現(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NPN管的基極，但壓差也接近1Vbe。20世紀(jì)80年代中期，市場上出現(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)動器是指在線性區(qū)或飽和區(qū)工作的晶體管、場效應(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MOS管，相當(dāng)于一個壓控電阻，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)動器也可通過將采樣電阻與負(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)動器，其具體工作原理與線性穩(wěn)壓驅(qū)動器基本一致。

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)動器稱為低壓差線性穩(wěn)壓器，簡稱LDO。

1.2 電荷泵驅(qū)動器

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電容對電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓。后來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實(shí)現(xiàn)DC—DC的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動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)鐘信號為高電平時(shí)，S1和S3導(dǎo)通，S2和S4截止，Vin與C1連通，對C1進(jìn)行充電，使Vc =Vin;當(dāng)時(shí)鐘信號為低電平時(shí)，S1和S3斷開，S2和S4導(dǎo)通，Vin通過C1串聯(lián)對外供電，所以有穩(wěn)態(tài)時(shí)，Vout=Vin+Vc=2Vin。

電荷泵驅(qū)動電路，不僅能有效進(jìn)行升壓降壓輸出，而且還能非常簡便地進(jìn)行負(fù)壓輸出，這是電荷泵驅(qū)動器相對其他兩種驅(qū)動器的一大優(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上流過的總電流;VLED為LED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)動器

電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動器簡稱開關(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，噪聲問題才得以解決。隨著開關(guān)頻率的不斷提升，驅(qū)動器的體積減小，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。