摘要：本文提出的驅(qū)動(dòng)電路由幾個(gè)相同的模組電路組成，這個(gè)模組電路主要是電容和二極體元件。與使用交流線輸入的轉(zhuǎn)換器相比，串列充電、并行充電的工作模式使這種驅(qū)動(dòng)電路具備更高的效率。文中同時(shí)還會(huì)提出怎樣在相同LED數(shù)量的前提下將模組電路的數(shù)量減至最少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以220Vrms的交流線電壓作為輸入，對(duì)22個(gè)串聯(lián)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，原型機(jī)的效率達(dá)到了95%。
一、引言
一直以來，LED照明應(yīng)用吸引了廣泛的關(guān)注。隨著制作工藝、器件設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)的不斷改進(jìn)[1][2]，人們期望LED可以取代目前的白熾燈和熒光燈。LED器件的發(fā)展同時(shí)也帶動(dòng)了驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于提升性能和降低LED成本也起到至關(guān)重要的作用。圖1所示的LED驅(qū)動(dòng)電路屬于降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器[3]，它所使用的元件數(shù)量比較少。但是象圖1那樣的DC/DC轉(zhuǎn)換器與文獻(xiàn)[4]中提及的反激轉(zhuǎn)換器都要使用到體積比較大的磁性元件，比如變壓器或者電感。當(dāng)使用交流線作為輸入的時(shí)候，大rms數(shù)值的電流會(huì)引起過多的功率損耗。由鑒于些，通常會(huì)在驅(qū)動(dòng)電路中使用電荷泵，本文提出的電荷泵電路可以進(jìn)行串列充電（series-charge）和并行放電（parallel-discharge），圖2顯示了它的基本結(jié)構(gòu)。由圖可見，電路包括快速恢復(fù)二極體（fast recovery diode）和電容，但沒有使用到電感。
下面將詳細(xì)介紹這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的細(xì)節(jié)；然后會(huì)著重?cái)⑹鍪褂玫蛪篒C和級(jí)聯(lián)（cascade）電路驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號(hào)（gate signal）的工作原理；文章最后給出原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上得出結(jié)論。
二、電路描述
電路見圖2(a)，其中的電容作為儲(chǔ)能元件給負(fù)載提供能量。從電路結(jié)構(gòu)上看，這種電路可以被看成是由幾個(gè)完全相同的模組電路（即圖中一個(gè)電容和三個(gè)二極體構(gòu)成的電路）組成的。不難理解，其輸出功率可以通過增加或者減少模組電路的數(shù)量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。從圖2(b)所示的開關(guān)動(dòng)作時(shí)序可以看到，M1的開關(guān)狀態(tài)與M2相反，它們形成的脈沖電流可以驅(qū)動(dòng)輸出端的LED。如果LED的平均電流保持恒定，脈沖電流不會(huì)影響到發(fā)射光學(xué)功率（emitted optical power）。
圖3(a)和圖3(b)分別顯示了充電和放電過程的等效電路，Vd表示二極體的向前電壓（forward voltage），rc代理電容的串聯(lián)電阻，RL是假定在充電間隔時(shí)Ion不變的情況下LED負(fù)載的大小。如果M1為開啟狀態(tài)，電源電流流經(jīng)電容和二極體，并且給電容進(jìn)行充電，見圖(3)a。電容兩端的電壓根據(jù)使用模組電路的數(shù)量而有所不同，它可以由下列等式計(jì)算：
 （1）
其中n是模組電路的數(shù)量，Vcap是電容兩端的電壓。圖3(b)則表示如果M2被開啟，每個(gè)電容作為電壓源給LED提供電流，此時(shí)LED的電壓可由等式（2）表示，效率由等式3和等式4進(jìn)行計(jì)算。在這里，“~”表示的是穩(wěn)態(tài)值（steady-state value），d是負(fù)荷比率（duty ratio）[6]。
 （2）
 （3）
 （4）
因此，由這里可以看出，驅(qū)動(dòng)電路的效率并不依賴于寄生元件的數(shù)值、或者開關(guān)頻率，它甚至不受負(fù)載大小的影響。它只受輸出電壓和輸入電壓比率，以及電容數(shù)量的影響。
三、LED驅(qū)動(dòng)電路的控制
1、高壓floating開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方法
圖4顯示的驅(qū)動(dòng)電路包括了M1、M2和電荷泵。在這里，高壓IC用來驅(qū)動(dòng)處于floating工作狀態(tài)的M2。但是如果要涉足低成本的LED照明市場(chǎng)的話，采用低壓IC將更具優(yōu)勢(shì)。因此，圖4驅(qū)動(dòng)高壓floating開關(guān)所采用的方法使用了低壓IC，即圖中的U1。
如果M1被開啟，M2的柵極通過D4放電。所以M2被關(guān)閉，此時(shí)C1由U1的電源進(jìn)行充電，即圖5(a)中的Vb。然后，如果M1被關(guān)閉，VC的大小被拉到高電壓，Q2則由R2兩端的電壓觸發(fā)，見圖5(b)。圖5(c)顯示了由Q1和Q2構(gòu)成的pnpn結(jié)構(gòu)怎樣通過負(fù)反饋動(dòng)作迅速的給M2的柵極進(jìn)行充電。通過R3和C2的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以控制M2開啟動(dòng)作的延遲時(shí)間。
2、級(jí)聯(lián)（cascade）結(jié)構(gòu)的電荷泵
上述的電路還需要進(jìn)行改進(jìn)來降低輸出功率。等式2計(jì)算的是單個(gè)電荷泵的驅(qū)動(dòng)電路在LED上產(chǎn)生的電壓。如果要提高對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，就要增加電荷泵的數(shù)量，而這同時(shí)也增加了元件的數(shù)量。但是，電荷泵電路可以被轉(zhuǎn)換成cascade結(jié)構(gòu)的電路以便有效的減少元件數(shù)量，如圖6所示。當(dāng)?shù)谝患?jí)電路處在充電狀態(tài)的時(shí)候，與其并聯(lián)的第二級(jí)電路則為放電狀態(tài)，這是因?yàn)镸1和M2的柵極信號(hào)此時(shí)為反相位。在采用了cascade結(jié)構(gòu)的電路以后，LED兩端的電壓可以用等式5來表示。
 （5）
在等式5中，nn是在第n級(jí)電路中的模組數(shù)量，此時(shí)，忽略二極體的向前偏置電壓以及電容的串聯(lián)電阻。在單級(jí)驅(qū)動(dòng)電路中、cas-cade級(jí)驅(qū)動(dòng)電路中的模組數(shù)量可以由下列等式表達(dá)。
n=n1n2n3…nn （6）
為了給LED傳輸相同的功率，應(yīng)滿足：
n>n1+n2+n3+…+nn （7）
其中n是單級(jí)電荷泵驅(qū)動(dòng)電路中模組的數(shù)量，n1到nn的總和是在cas-cade結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路的模組數(shù)量。
假設(shè)LED的輸出電壓是輸入電壓的1/16。單級(jí)電路需要16個(gè)模組，也就是需要16個(gè)電容以及48個(gè)二極體。但是在cascade結(jié)構(gòu)的電路里，如果第一和第二級(jí)電路只要具備4個(gè)電容就可以輸出相同的電壓。在這種結(jié)構(gòu)的電路里，總共使用了8個(gè)電容和24個(gè)二極體，即總元件的使用數(shù)量降低了50%。由此得出結(jié)論，模組化的LED驅(qū)動(dòng)電路在被轉(zhuǎn)換成cas-cade結(jié)構(gòu)的電路后能有效的降低元件的數(shù)量。
假設(shè)Ionn在第n級(jí)電路中是不變的，圖7顯示了普通的電荷泵驅(qū)動(dòng)電路的等效電路，它的效率可以由等式8、9、10進(jìn)行計(jì)算。
 （8）
 ， （9）
 （10）
因此就得出之前的結(jié)論，即驅(qū)動(dòng)電路的效率同時(shí)取決于輸出電壓和輸入電壓的比率，以及每級(jí)電路中的電荷泵模組所增加的電容數(shù)量。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
原型機(jī)的電路原理圖見圖2(a)。這里采用了單級(jí)電路的方案，總共四個(gè)模組電路。白光LED的型號(hào)是W42180，其閥值電壓為2.5V。在電壓為220Vrms的時(shí)候，充電電容決定了充電和放電的時(shí)間，原型機(jī)中使用的充電電容為1uF。
圖8顯示了一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)高壓floating開關(guān)的波形。在圖8(a)里，Vds1是M1的漏極?柵極電壓，其中源極連接到地。Vgs2是浮動(dòng)開關(guān)的柵極-源極電壓，即圖中的M2，它連接至負(fù)載LED。圖8(a)的波形是在M2關(guān)閉、M1開啟的瞬間獲取的。在這個(gè)過程中，Vgs2引導(dǎo)Vds1，這樣避免了出現(xiàn)直通短路的問題。圖8(b)證實(shí)了一點(diǎn)，輸出電流并不存在任何峰值脈沖。
圖9分別顯示了在1kHz、5kHz和10kHz的開關(guān)頻率下，驅(qū)動(dòng)22個(gè)LED陣列情況下的輸出電壓和輸出電流的波形。LED的工作電流呈現(xiàn)為指數(shù)曲線，并且它隨著開關(guān)頻率不斷變小而有足夠的放電時(shí)間。此時(shí)，LED的峰值電壓在75V左右，峰值電流則在600mA左右。
由圖10可以看出，改變開關(guān)頻率的大小，輸出功率也會(huì)隨之改變，并且當(dāng)頻率達(dá)到20kHz以后功率就沒有太大的改變，這點(diǎn)反映在圖上則表示為20kHz后的曲線變得平坦。這樣只有在頻率為20kHz以下才能控制發(fā)光的灰度。LED數(shù)量越少，輸出功率隨著頻率的改變就越大，這是因?yàn)長(zhǎng)ED兩端的電壓已經(jīng)由模組電路所固定。
圖11顯示了效率與頻率之間的關(guān)系。在驅(qū)動(dòng)22個(gè)LED的時(shí)候，開關(guān)頻率為10kHz的情況下，最大的效率為95%。隨著頻率的增高，效率會(huì)因?yàn)殚_關(guān)損耗的原因而降低。圖12表示的是在固定的輸出功率下的功率效率。最大的效率在90%左右，并且對(duì)于不同的輸出功率來說，要獲得最大的效率必須使用不同數(shù)量的LED。例如，如果設(shè)計(jì)LED照明應(yīng)用的輸出功率為12W，選擇23個(gè)LED可以實(shí)現(xiàn)很好的效率。圖13為實(shí)驗(yàn)制作的原型機(jī)。
五、結(jié)論
傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電路包含了體積較大的磁性元件，并且會(huì)由于rms電流過大而產(chǎn)生功率損耗。本文提出的驅(qū)動(dòng)電路以電容和二極體組成的模組為基礎(chǔ)，并且輸出功率可以很容易的根據(jù)模組電路的數(shù)量來進(jìn)行調(diào)整。串列充電和并行放電的方法可以將輸入功率有效的傳輸?shù)絃ED，因此它能比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)更好的效率�？傮w電路的效率只受輸出電壓與輸入電壓比率的影響，所使用的電容的數(shù)量同樣影響效率。
同樣的，文中的電路所使用的控制模式和電路架構(gòu)也具有參考意義。使用低壓IC來驅(qū)動(dòng)高壓浮動(dòng)開關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)了低成本的設(shè)計(jì)要求，即便是在考慮了使用周邊元件的前提下。與單級(jí)結(jié)構(gòu)的電路相比，使用cascade結(jié)構(gòu)的電荷泵電路能使用更少的元件實(shí)現(xiàn)所需的LED電壓。因此，可以認(rèn)為cascade結(jié)構(gòu)的電路可以有效的降低元件的使用數(shù)量，并且最終降低總體電路的成本。表1給出了不同LED驅(qū)動(dòng)電路的特征，從中可以看到，本文提出的驅(qū)動(dòng)電路有效的改善了效率。 |
