常見LED驅(qū)動器工作原理

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，且存在導通電壓，當電流大小為20mA時，正向壓降一般為3～3.5V。很多時候，單個LED發(fā)光強度并不能滿足實際應用的需求，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，當輸入電壓低于2Vbe時，NPN管進入飽和，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500mV。

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、反饋電路以及基準電壓組成。穩(wěn)壓器件通常是一個MOS管，相當于一個壓控電阻，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也隨著變化，控制MOS管阻值，達到調(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載進行串聯(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�耗掉，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DicksonJ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而產(chǎn)生高壓。后來Witte-rsJ，ToruTranzawa等人對DicksonJ的電荷泵模型進行改進，提出了比較精確的理論模型，并通過實驗加以證實。

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現(xiàn)代電荷泵主要由開關陣列、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，當電荷泵工作在1X模式下時，振蕩器不工作，S1和S4直接導通，此時，Vin=Vout;當電荷泵工作在2X模式下時，振蕩器輸出占空比為50%的方波，使S1，S3和S2，S4輪流導通。當時鐘信號為高電平時，S1和S3導通，S2和S4截止，Vin與C1連通，對C1進行充電，使Vc=Vin;當時鐘信號為低電平時，S1和S3斷開，S2和S4導通，Vin通過C1串聯(lián)對外供電，所以有穩(wěn)態(tài)時，Vout=Vin+Vc=2Vin。

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電荷泵驅(qū)動電路，不僅能有效進行升壓降壓輸出，而且還能非常簡便地進行負壓輸出，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，從而可得到負電壓輸出。

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式中：Pin為輸入總功率;Lout為負載LED上流過的總電流;VLED為LED的正向?qū)�通壓�?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電感式開關穩(wěn)壓驅(qū)動器

電感式開關穩(wěn)壓驅(qū)動器簡稱開關電源(SwitchingPowerSupply)，因電源中起調(diào)整穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開關方式工作而得名。早期的開關電源頻率僅為幾千赫茲，當頻率達到10kHz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70年代，開關頻率突破了人耳聽覺極限的20kHz，噪聲問題才得以解決。隨著開關頻率的不斷提升，驅(qū)動器的體積減小，效率提高。20世紀80年代，出現(xiàn)了采用準諧振技術的零電壓和零電流開關電路，也就是軟開關技術。這種電路使開關開通或關斷前的電壓、電流分別為零，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高，從而使開關電源進一步向體積小、重量輕、效率高、功率密度大的方向發(fā)展。

電感式開關穩(wěn)壓驅(qū)動器的核心是電子開關電路，根據(jù)負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，對開關電路進行控制。在開關管閉合的時候，將電源的能量儲存在電感中，在開關管關斷的時候，電感中的能量流入電容，這樣就實現(xiàn)了能量的傳輸。

電感式開關穩(wěn)壓驅(qū)動器有通常兩種控制方式：一是保持開關工作周期不變，控制開關導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載變化時，控制電路通過輸出電壓或電流與基準電壓的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關器件的導通脈沖寬度，使得電感式開關穩(wěn)壓驅(qū)動器的輸出電壓或電流保持穩(wěn)定;另一種是保持導通時間不變，改變開關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載變化的情況下，控制電路通過輸出電壓與基準電壓的差值進行閉環(huán)反饋，在保持開關開啟時間不變的情況下，控制開關周期的長短，即控制開關頻率，來調(diào)整開關占空比，以達到穩(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(qū)動方式。