白光LED驅(qū)動分析與應(yīng)用

摘要：目前LED驅(qū)動方式多種多樣，為了幫助LED驅(qū)動設(shè)計者全面認(rèn)識和理解LED驅(qū)動，選擇更合適的驅(qū)動方式，在此通過簡述各種驅(qū)動方式的發(fā)展情況和原理，對比分析各種驅(qū)動的優(yōu)缺點，得出了各種驅(qū)動方式的適用范圍和條件，最后根據(jù)各種實際情況，指出了在不同條件下，如何考慮和選擇合適的LED驅(qū)動來滿足實際情況的需要。這一分析具有全面、易懂、指導(dǎo)性和可操作性強等特點。
關(guān)鍵詞：白光LED；驅(qū)動方式；原理；應(yīng)用

0 引言
    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，正向壓降一般為3～3．5 V。很多時候，單個LED發(fā)光強度并不能滿足實際應(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，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。

    現(xiàn)在線性穩(wěn)壓驅(qū)動器已發(fā)展成圖4所示結(jié)構(gòu)。

    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，并通過實驗加以證實。

    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，振蕩器不工作，S1和S4直接導(dǎo)通，此時，Vin=Vout；當(dāng)電荷泵工作在2X模式下時，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)時鐘信號為高電平時，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)時鐘信號為低電平時，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，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，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。

    電荷泵驅(qū)動電路的一個最重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換效率。電荷泵的轉(zhuǎn)換效率：
   
    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，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。
    電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動器的核心是電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對電源提出的輸出穩(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，對開關(guān)電路進(jìn)行控制。在開關(guān)管閉合的時候，將電源的能量儲存在電感中，在開關(guān)管關(guān)斷的時候，電感中的能量流入電容，這樣就實現(xiàn)了能量的傳輸。
    電感式開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動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，控制電路通過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)動器的輸出電壓或電流保持穩(wěn)定；另一種是保持導(dǎo)通時間不變，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)開啟時間不變的情況下，控制開關(guān)周期的長短，即控制開關(guān)頻率，來調(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)動方式。
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，加至運放的反相輸入端，固定參考電壓Vref加至運放的正相輸入端。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，Ve值變大，經(jīng)PWM比較后，輸出方波占空比減小，MOS管導(dǎo)通時間增加，Vin對電感充電時間增加，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，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，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，PWM輸出為1，當(dāng)振蕩器下降沿到來時，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：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，搞清楚各自的優(yōu)缺點，可以更好地根據(jù)實際情況，設(shè)計合理的LED驅(qū)動電路，這可以通過效率、工作電壓、噪聲干擾、輸出調(diào)節(jié)、反應(yīng)速度以及安裝尺寸和成本來進(jìn)行比較分析。
2．1 整體效率
    線性穩(wěn)壓驅(qū)動器的整體效率是比較低的，主要是由于線性穩(wěn)壓驅(qū)動器是依靠功率管分去多余的電壓來達(dá)到穩(wěn)壓效果，而這部分功耗是完全無用的，導(dǎo)致了驅(qū)動器效率的下降。所以使用線性穩(wěn)壓驅(qū)動器時，應(yīng)盡量減少輸入與輸出電壓差，其實際轉(zhuǎn)換效率通常在50％～95％之間；由于基本電荷泵其只能倍數(shù)提供輸出電壓，其輸出電壓不能穩(wěn)定在某個值上，所以通常在電荷泵電路外部連接額外的LDO，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓電荷泵，這樣導(dǎo)致了電荷泵式驅(qū)動器效率在本身功率鞘耗的基礎(chǔ)上，額外增加的LDO驅(qū)動器的功率消耗，效率通常在70％～85％；電感開關(guān)式驅(qū)動器以及基本電荷泵驅(qū)動器的損耗主要來自內(nèi)部MOS器件靜態(tài)電流損耗、外部電容以及采樣電阻的功率損耗，其效率可達(dá)80％～90％。
2．2 工作電壓
    線性穩(wěn)壓驅(qū)動器由于分壓工作原理，只能進(jìn)行降壓輸出，這就決定了它只能工作的輸入電壓高于LED驅(qū)動需求電壓的情況下工作；電荷泵驅(qū)動器，可進(jìn)行降壓或者升壓，但如果需要進(jìn)行高倍數(shù)或多模式調(diào)節(jié)輸出電壓，則需連接大量的開關(guān)和電容，使得效率大幅降低，所以一般應(yīng)用于過度電壓驅(qū)動，即輸入電壓與輸出LED驅(qū)動電壓差別不大的情況；電感式開關(guān)驅(qū)動器由于利用了磁場儲能，不論是升壓、降壓還是兩者同時進(jìn)行，只需調(diào)整采樣電阻的比例，就可以進(jìn)行大范圍的輸出電壓調(diào)整，且不會因輸出調(diào)整改變驅(qū)動器效率，所以其應(yīng)用范圍最廣，可廣泛運用于各種輸入電壓之下。
2．3 噪聲干擾(EMI)
    線性穩(wěn)壓驅(qū)動器由于其工作原理是采取分壓方式穩(wěn)定輸出電壓，本身工作不需要電容或電感進(jìn)行穩(wěn)壓操作，MOS管也始終工作在線性狀態(tài)下，不需要進(jìn)行關(guān)斷或開啟操作，所以本身不會產(chǎn)生噪聲電壓、電流和電磁干擾；電荷泵由于不采用電感，所以其EMI影響基本可以忽略，在輸出電壓過程中，MOS管需要進(jìn)行開關(guān)操作，所以會產(chǎn)生一定的電源噪聲，但由于沒有使用電感，所以噪聲較小，可以通過外接一很小的電容消除；電感式開關(guān)驅(qū)動器是電源噪聲和EMI的主要來源，由于MOS管的頻繁開關(guān)操作，PWM會在MOS管開關(guān)的固定頻率內(nèi)產(chǎn)生大的EMI干擾，PFM更是在其頻率的可變范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾，所以供應(yīng)商通常需要采取提高電感式開關(guān)工作頻率的方法，使其EMI落在系統(tǒng)頻帶之外，另外由于電感的原因，MOS管通斷瞬間會產(chǎn)生較大的尖峰電流或電壓，輸出電流和電壓也存在相位差。
2．4 輸出調(diào)節(jié)及響應(yīng)速度
    線性穩(wěn)壓驅(qū)動器可以根據(jù)產(chǎn)品的需要，通過調(diào)整外部采樣電阻的比例，調(diào)整MOS管的分壓，對輸出電壓進(jìn)行控制，而且其電路簡單，響應(yīng)速度很快；電荷泵驅(qū)動器本身不可隨意調(diào)整輸出電壓的數(shù)值，只能通過采樣電壓反饋進(jìn)行倍數(shù)調(diào)節(jié)，通過串接LDO也可進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，但這樣也會降低驅(qū)動器的響應(yīng)速度，響應(yīng)速度較LDO慢，電荷泵對輸出電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)勢在于它可通過簡單設(shè)計，進(jìn)行正負(fù)兩種電壓的輸出，面其他兩種驅(qū)動方式則需要另外的設(shè)計電路才能達(dá)到輸出負(fù)值電壓的效果；電感式開關(guān)驅(qū)動器，對輸出電壓的調(diào)節(jié)也只需調(diào)節(jié)采樣電阻的比例，改變控制方波占空比，來調(diào)整輸出電壓，調(diào)整比較簡便，但由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需進(jìn)行多次比較放大，電感的存在也進(jìn)一步減慢了電壓調(diào)整的反應(yīng)速度，所以響應(yīng)速度最慢。
2．5 安裝尺寸及成本
    線性穩(wěn)壓驅(qū)動器電路構(gòu)成簡單，一般只需20～40個元器件就可組成，成本低，但由于MOS管也一直處于線性區(qū)或飽和區(qū)，發(fā)熱量較大，所以需加裝大的散熱裝置，以保證散熱良好，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。電荷泵電路復(fù)雜程度居中，外接的電容體積也可通過提高開關(guān)頻率而減小，而且現(xiàn)在貼片式電容也得到了很好的應(yīng)用，使得電荷泵集成度大大提高，所需安裝尺寸進(jìn)一步減小。電感式開關(guān)驅(qū)動器電路最為復(fù)雜，成本最高，而且最少需外接一個電感、電容和肖特基二極管，特別是在需要屏蔽應(yīng)用時，需另外加裝屏蔽裝置，成本更高，尺寸也更大。附對照表如表1所示。

3 LED照明實際電路應(yīng)用
    在了解了各種驅(qū)動器的工作原理和優(yōu)缺點之后，可針對一些常見的LED照明驅(qū)動電路的應(yīng)用情況進(jìn)行簡單的分類、歸納總結(jié)。
3．1 鋰電池供電LED驅(qū)動
    鋰電池電壓通常在2．5～4．5 V之間，通常采用鋰電池供電的都是便攜式設(shè)備，包括移動電話、MP4、筆記本電腦等，為了便于攜帶，設(shè)備體積小、重量輕，而且集成度高，較大的電磁干擾會對其他電路產(chǎn)生影響。根據(jù)便攜式設(shè)備的實際情況，LED驅(qū)動需要達(dá)到以下要求：升壓驅(qū)動；占用面積??；電磁干擾?。桓咿D(zhuǎn)換效率。小型設(shè)備LCD照明只需將3～9只LED串并聯(lián)使用，但對發(fā)光一致性要求高。大型設(shè)備LCD照明通常采取背光模塊的方式。背光模塊已將白光LED光源通過折射、導(dǎo)光以及其他一些工藝技術(shù)來處理光均勻度問題。所以對于發(fā)光的一致性要求較低。最佳電路結(jié)構(gòu)是采用帶LDO的電荷泵驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式能升壓、占用面積小，且EMI干擾很小。
3．2 蓄電池供電LED驅(qū)動
    蓄電池電壓通常在12～36 V之間，輸入電壓始終高于LED管壓降，這種情況下只需進(jìn)行降壓操作即可，如太陽能路燈、機動車燈光系統(tǒng)等。這種情況往往對LED發(fā)光的一致性要求較低；但對于發(fā)光亮度要求較高，所以常常采用大功率LED，同時考慮到應(yīng)有盡量高的效率和較低成本，其最佳方案是降壓式電感開關(guān)驅(qū)動器。
3．3 市電情況下的普通照明應(yīng)用
    市電供電是對LED照明最有意義的一種供電方式，是決定LED能否真正普及的一種應(yīng)用，所以是LED照明必須研究和解決的重要問題。用市電供電，首要解決的是降壓、整流問題，同時考慮到LED驅(qū)動電源會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，還要解決好電源噪聲、電磁干擾和大功率因數(shù)問題，所以需采取電路隔離的方式，減少對電網(wǎng)的污染。對于中小功率的LED來說，最佳的電路結(jié)構(gòu)是采用隔離式單端反激開關(guān)變換器。由于單端
反激電路輸出功率能力有限，對于數(shù)百瓦以上的應(yīng)用情況，應(yīng)選用輸出功率更大的橋式開關(guān)變換器。

4 結(jié)語
    隨著便攜式設(shè)備的迅速發(fā)展以及市電供電LED照明技術(shù)日益成熟，越來越多的設(shè)備采用了LED照明，對LED的驅(qū)動芯片的需求將進(jìn)一步擴大?？傊?strong>白光LED的用途非常之廣泛，其驅(qū)動電路的設(shè)計是非常關(guān)鍵的，只有針對不同的應(yīng)用環(huán)境，采取合理的驅(qū)動方式，才能在實際應(yīng)用中設(shè)計出最穩(wěn)定、最合理的驅(qū)動電路。