摘要：本文提出的驅動(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(xiàn)輸入的轉換器相比，串列充電、并行充電的工作模式使這種驅動(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數量的前提下將模組電路的數量減至最少。實(shí)驗結果表明，以220Vrms的交流線(xiàn)電壓作為輸入，對22個(gè)串聯(lián)LED進(jìn)行驅動(dòng)時(shí)，原型機的效率達到了95%。

一、引言

　　一直以來(lái)，LED照明應用吸引了廣泛的關(guān)注。隨著(zhù)制作工藝、器件設計和裝配技術(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)了驅動(dòng)電路的發(fā)展，驅動(dòng)電路對于提升性能和降低LED成本也起到至關(guān)重要的作用。圖1所示的LED驅動(dòng)電路屬于降壓型DC/DC轉換器[3]，它所使用的元件數量比較少。但是象圖1那樣的DC/DC轉換器與文獻[4]中提及的反激轉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。當使用交流線(xiàn)作為輸入的時(shí)候，大rms數值的電流會(huì )引起過(guò)多的功率損耗。由鑒于些，通常會(huì )在驅動(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顯示了它的基本結構。由圖可見(jiàn)，電路包括快速恢復二極體（fast recovery diode）和電容，但沒(méi)有使用到電感。

　　下面將詳細介紹這個(gè)驅動(dòng)電路的細節；然后會(huì )著(zhù)重敘述使用低壓IC和級聯(lián)（cascade）電路驅動(dòng)柵極信號（gate signal）的工作原理；文章最后給出原型機的實(shí)驗測試結果，并在此基礎上得出結論。

二、電路描述

　　電路見(jiàn)圖2(a)，其中的電容作為儲能元件給負載提供能量。從電路結構上看，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)二極體構成的電路）組成的。不難理解，其輸出功率可以通過(guò)增加或者減少模組電路的數量來(lái)進(jìn)行調節。從圖2(b)所示的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序可以看到，M1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與M2相反，它們形成的脈沖電流可以驅動(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(guò)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負載的大小。如果M1為開(kāi)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(jiàn)圖(3)a。電容兩端的電壓根據使用模組電路的數量而有所不同，它可以由下列等式計算：

         （1）

其中n是模組電路的數量，Vcap是電容兩端的電壓。圖3(b)則表示如果M2被開(kāi)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)行計算。在這里，“~”表示的是穩態(tài)值（steady-state value），d是負荷比率（duty ratio）[6]。

         （2）

                  （3）

            （4）

　　因此，由這里可以看出，驅動(dòng)電路的效率并不依賴(lài)于寄生元件的數值、或者開(kāi)關(guān)頻率，它甚至不受負載大小的影響。它只受輸出電壓和輸入電壓比率，以及電容數量的影響。

三、LED驅動(dòng)電路的控制

　　1、高壓floating開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)方法

圖4顯示的驅動(dòng)電路包括了M1、M2和電荷泵。在這里，高壓IC用來(lái)驅動(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(huà)，采用低壓IC將更具優(yōu)勢。因此，圖4驅動(dòng)高壓floating開(kāi)關(guān)所采用的方法使用了低壓IC，即圖中的U1。

　　如果M1被開(kāi)啟，M2的柵極通過(guò)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(jiàn)圖5(b)。圖5(c)顯示了由Q1和Q2構成的pnpn結構怎樣通過(guò)負反饋動(dòng)作迅速的給M2的柵極進(jìn)行充電。通過(guò)R3和C2的大小進(jìn)行調節，可以控制M2開(kāi)啟動(dòng)作的延遲時(shí)間。

　　2、級聯(lián)（cascade）結構的電荷泵

上述的電路還需要進(jìn)行改進(jìn)來(lái)降低輸出功率。等式2計算的是單個(gè)電荷泵的驅動(dòng)電路在LED上產(chǎn)生的電壓。如果要提高對負載的驅動(dòng)能力，就要增加電荷泵的數量，而這同時(shí)也增加了元件的數量。但是，電荷泵電路可以被轉換成cascade結構的電路以便有效的減少元件數量，如圖6所示。當第一級電路處在充電狀態(tài)的時(shí)候，與其并聯(lián)的第二級電路則為放電狀態(tài)，這是因為M1和M2的柵極信號此時(shí)為反相位。在采用了cascade結構的電路以后，LED兩端的電壓可以用等式5來(lái)表示。

            （5）

　　在等式5中，nn是在第n級電路中的模組數量，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。在單級驅動(dòng)電路中、cas-cade級驅動(dòng)電路中的模組數量可以由下列等式表達。

n=n₁n₂n₃…n_n        （6）

　　為了給LED傳輸相同的功率，應滿(mǎn)足：

n>n₁+n₂+n₃+…+n_n            （7）

　　其中n是單級電荷泵驅動(dòng)電路中模組的數量，n1到nn的總和是在cas-cade結構驅動(dòng)電路的模組數量。

　　假設LED的輸出電壓是輸入電壓的1/16。單級電路需要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結構的電路里，如果第一和第二級電路只要具備4個(gè)電容就可以輸出相同的電壓。在這種結構的電路里，總共使用了8個(gè)電容和24個(gè)二極體，即總元件的使用數量降低了50%。由此得出結論，模組化的LED驅動(dòng)電路在被轉換成cas-cade結構的電路后能有效的降低元件的數量。

假設Ionn在第n級電路中是不變的，圖7顯示了普通的電荷泵驅動(dòng)電路的等效電路，它的效率可以由等式8、9、10進(jìn)行計算。

                （8）

 ，         （9）

        （10）

　　因此就得出之前的結論，即驅動(dòng)電路的效率同時(shí)取決于輸出電壓和輸入電壓的比率，以及每級電路中的電荷泵模組所增加的電容數量。

四、實(shí)驗結果

　　原型機的電路原理圖見(jiàn)圖2(a)。這里采用了單級電路的方案，總共四個(gè)模組電路。白光LED的型號是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，原型機中使用的充電電容為1uF。

圖8顯示了一個(gè)用于驅動(dòng)高壓floating開(kāi)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(kāi)關(guān)的柵極-源極電壓，即圖中的M2，它連接至負載LED。圖8(a)的波形是在M2關(guān)閉、M1開(kāi)啟的瞬間獲取的。在這個(gè)過(guò)程中，Vgs2引導Vds1，這樣避免了出現直通短路的問(wèn)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(kāi)關(guān)頻率下，驅動(dòng)22個(gè)LED陣列情況下的輸出電壓和輸出電流的波形。LED的工作電流呈現為指數曲線(xiàn)，并且它隨著(zhù)開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的大小，輸出功率也會(huì )隨之改變，并且當頻率達到20kHz以后功率就沒(méi)有太大的改變，這點(diǎn)反映在圖上則表示為20kHz后的曲線(xiàn)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數量越少，輸出功率隨著(zhù)頻率的改變就越大，這是因為L(cháng)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。在驅動(dòng)22個(gè)LED的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz的情況下，最大的效率為95%。隨著(zhù)頻率的增高，效率會(huì )因為開(kāi)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，并且對于不同的輸出功率來(lái)說(shuō)，要獲得最大的效率必須使用不同數量的LED。例如，如果設計LED照明應用的輸出功率為12W，選擇23個(gè)LED可以實(shí)現很好的效率。圖13為實(shí)驗制作的原型機。

五、結論

　　傳統的LED驅動(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(guò)大而產(chǎn)生功率損耗。本文提出的驅動(dòng)電路以電容和二極體組成的模組為基礎，并且輸出功率可以很容易的根據模組電路的數量來(lái)進(jìn)行調整。串列充電和并行放電的方法可以將輸入功率有效的傳輸到LED，因此它能比傳統驅動(dòng)電路實(shí)現更好的效率�？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也具有參考意義。使用低壓IC來(lái)驅動(dòng)高壓浮動(dòng)開(kāi)關(guān)的方法實(shí)現了低成本的設計要求，即便是在考慮了使用周邊元件的前提下。與單級結構的電路相比，使用cascade結構的電荷泵電路能使用更少的元件實(shí)現所需的LED電壓。因此，可以認為cascade結構的電路可以有效的降低元件的使用數量，并且最終降低總體電路的成本。表1給出了不同LED驅動(dòng)電路的特征，從中可以看到，本文提出的驅動(dòng)電路有效的改善了效率。