《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能化分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
蘇藝俊1，馬 奎1，2，胡 銳3，楊發(fā)順1，2
1.貴州大學(xué) 電子科學(xué)系，貴州 貴陽(yáng)550025；2.半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽(yáng)550025； 3.貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司，貴州 貴陽(yáng)550018
摘要： 傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電源中含有大電解電容和高頻變壓器，導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源的體積龐大且使用壽命較短。分段式線性恒流驅(qū)動(dòng)電源可以避免使用大電解電容和高頻變壓器。設(shè)計(jì)了一種新型的分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源，利用整流之后的高壓脈動(dòng)直流電壓的變化，自適應(yīng)地控制LED燈珠分階段恒流工作。除整流橋和采樣電阻外，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)單芯片集成，有效縮小了體積、延長(zhǎng)了壽命。電路中還設(shè)計(jì)了智能拓展端口，可實(shí)現(xiàn)智能化控制?；谌A虹宏力0.5 μm 700 V BCD工藝對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，在0～311 V周期脈動(dòng)高電壓輸入條件下，驅(qū)動(dòng)芯片分四階段恒流工作，輸出最大恒定電流可達(dá)97.17 mA，在恒流階段，電流的瞬態(tài)精度誤差僅為0.031%。仿真結(jié)果表明，該LED驅(qū)動(dòng)電路各指標(biāo)參數(shù)均滿足預(yù)期要求。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN402
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171740
中文引用格式： 蘇藝俊，馬奎，胡銳，等. 智能化分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(11)：38-42.
英文引用格式： Su Yijun，Ma Kui，Hu Rui，et al. Design of an intelligent segmented linear constant current LED driver[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：38-42.
Design of an intelligent segmented linear constant current LED driver
Su Yijun1，Ma Kui1，2，Hu Rui3，Yang Fashun1，2
1.Department of electronics，Guizhou University，Guiyang 550025，China； 2.Engineering Research Center of the Reliability of Semiconductor Power Device of Ministry of Education，Guiyang 550025，China； 3.Guizhou Zhenhua Feng Gang Semiconductor Co.Ltd.，Guiyang 550018，China
Abstract： There are electrolytic capacitors with large value and high frequency transformers in traditional switch-mode LED drivers. They will result in large size and short life of a LED driver. A novel segmented linear constant current LED driver which avoids using electrolytic capacitors and high frequency transformers was proposed. It adapts to automatically control LED working with constant current in stages that high voltage pulsating DC voltage after rectification. The LED driver circuit with smaller volume and longer service life can be integrated in a monolithic chip except the rectifier bridge and the sampling resistor. In addition, this driver will achieve intelligent control through an extended pin. The circuit of this LED driver was designed and simulated based on HG 0.5 μm 700 V BCD process. Simulated results show that the driver circuit works in four stages under the condition of high pulse input voltage of 0～311 V cycle, the maximum constant output current is 97.17 mA and the current transient precision error is only about 0.031%. These simulated results indicate that all parameters of this high-voltage regulator are validated.
Key words : LED driver；segmented control；linear constant current；intelligentize

0 引言

    LED（Light emitting diode）照明是一種新興的照明技術(shù)，是典型的綠色照明光源[1]。在LED照明技術(shù)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)電源的性能至關(guān)重要，涉及到了LED整燈的各項(xiàng)電氣性能以及可靠性。LED驅(qū)動(dòng)電源大致發(fā)展為開(kāi)關(guān)電源和線性電源[2]，開(kāi)關(guān)電源具有效率高、功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但存在較嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題；而線性電源的電磁干擾問(wèn)題較小，輸出電流電壓紋波小，但效率較開(kāi)關(guān)電源低[3]。在LED照明中，要求驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命高于LED光源的使用壽命，才能保證LED整燈的使用壽命。但由于電路中使用了電解電容，易受工作溫度的影響，發(fā)生電解液揮發(fā)，電容容量下降等問(wèn)題，使用壽命大大降低，影響了驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，進(jìn)而降低LED整燈的使用壽命[4-6]。

    本文設(shè)計(jì)了一種去電容化的智能化分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源無(wú)電解電容、變壓器、電感等大體積的元器件。電路采用分段工作方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的自適應(yīng)分段工作，提高了功率因數(shù)(Power Factor，PF)。電路內(nèi)部集成了四段高壓功率MOSFET，除整流橋和采樣電阻外，驅(qū)動(dòng)電源的其余部分可集成在單顆芯片上。芯片電路中設(shè)置了使能擴(kuò)展控制端，可接受外部感應(yīng)信號(hào)，控制LED輸出電流的變化，實(shí)現(xiàn)智能化控制。理論分析和仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，電路的設(shè)計(jì)正確，且各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足預(yù)期要求。

1 驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電源中一般含有大電解電容和高頻變壓器，導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源的體積龐大且使用壽命較短。圖1所示為市電工作的傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)框圖。圖中濾波電路主要目的是將整流后的電壓波形變成平滑的直流電，輸出整流可以對(duì)電壓整形濾波，保持輸出電流的一致性，電路需要采用電解電容和電感等儲(chǔ)能元件[7]。變壓器采用反激工作方式，反復(fù)的接通和斷開(kāi)使變壓器實(shí)現(xiàn)電-磁-電的變換。可見(jiàn)傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電源在電路結(jié)構(gòu)上采用了大體積的變壓器和電解電容、電感等，電路具有體積龐大和使用壽命較短等問(wèn)題[8]。分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源可以有效地解決以上問(wèn)題。

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    圖2所示為本文設(shè)計(jì)的智能化的分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)框圖。驅(qū)動(dòng)電路可以避免使用大電解電容和高頻變壓器，根據(jù)整流之后的電壓變化，自適應(yīng)地控制LED燈串分段恒流工作。圖中模塊1整流橋可對(duì)正弦電壓波形進(jìn)行全波整流，LED燈串N1~LED燈串N4采用N個(gè)LED燈珠串聯(lián)形式，Rsen采用外置精確電阻。輸入電壓經(jīng)高壓穩(wěn)壓降壓電路輸出VDD，作為芯片工作電壓；多值輸出參考電路可以得到4路參考電壓，為4組線性恒流電路提供參考電壓；4組線性恒流控制LED燈串處于恒流工作狀態(tài)；電平轉(zhuǎn)換模塊可以將外部感應(yīng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為芯片可識(shí)別的電平，并控制多值輸出參考電路，控制多值輸出參考電路的輸出值；內(nèi)部集成多種保護(hù)電路，可防止芯片過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流等極限情況，確保電路正常工作。

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    電路的基本工作原理分析如下：輸入市電為220 V/50 Hz的交流電經(jīng)整流橋整流之后，可以在整流橋的兩個(gè)輸出端口得到脈動(dòng)直流高壓，該電壓峰值電壓為311 V、時(shí)間周期為10 ms的正弦半波脈動(dòng)電壓。該電壓既為高壓穩(wěn)壓降壓電路提供工作電壓，也作為L(zhǎng)ED光源的輸入電壓Vin。高壓穩(wěn)壓降壓電路可在第一串燈珠正向?qū)ㄇ胺€(wěn)定輸出芯片的工作電壓，保證芯片正常工作。多值輸出參考電壓電路輸出(V1<V2<V3<V4)4路電壓分別作為4組線性恒流電路的參考電壓。

    在輸入電壓上升階段，當(dāng)輸入電壓上升到LED燈串N1的正向?qū)妷汉?，第一組線性恒流電路中的LDMOS1處于導(dǎo)通狀態(tài)，LED燈串N1點(diǎn)亮，電流受第一組線性恒流電路控制，電流值為V1/Rsen。當(dāng)輸入電壓達(dá)到燈串N1和LED燈串N2的正向?qū)妷汉?，由于支路的電流增大，反饋電壓變大，使得第一組線性恒流電路的運(yùn)放輸出為低電平，從而關(guān)斷了第一組的LDMOS1，LED燈串N1、LED燈串N2和LDMOS2構(gòu)成一條支路，電流受第二組線性恒流電路控制，電流值為V2/Rsen。依次工作原理，點(diǎn)亮LED燈串N3和LED燈串N4。在輸入電壓下降階段，4組線性恒流電路工作次序與輸入電壓上升階段相反。

    外部感應(yīng)信號(hào)可通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路控制多值輸出參考電壓電路，從而改變輸出電流。分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電路可工作在兩種工作電流模式下，如表1所示。LED分4個(gè)階段依次點(diǎn)亮，表中V11/V1=V22/V2=V33/V3=V44/V4=2，Rsen為外置采樣電阻。

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2 電路設(shè)計(jì)

    圖3為智能化分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

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    電路中整流橋1，選用全波整流橋。其中每一橋臂上二極管的反向耐壓在700 V以上，正向電流容量在300 mA以上。

    高壓穩(wěn)壓降壓電路2，由高壓管LDMOS0和電容C0構(gòu)成RC充電支路，并通過(guò)穩(wěn)壓值為5.8 V的齊納二極管Zener1穩(wěn)壓，供前置基準(zhǔn)電壓源和線性穩(wěn)壓器工作。前置基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生Vref1作為線性穩(wěn)壓器的參考電壓，OPA0根據(jù)電阻反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻R8上的壓降變化調(diào)節(jié)Mp40的柵壓，使得輸出電壓VDD穩(wěn)定，VDD可以用式(1)計(jì)算：

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式中μpCox為功率管的工藝參數(shù)，W/L為寬長(zhǎng)比，Vod為過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)額定負(fù)載電流為10 mA，Mp40的寬長(zhǎng)比W/L可取4 000/2，使得VDD具有一定的帶負(fù)載能力，并作為芯片的低壓模塊的工作電壓。

    多值輸出參考電壓電路3，主要由基準(zhǔn)電壓源、緩沖器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)3部分構(gòu)成?；鶞?zhǔn)電壓源利用具有相反的溫度系數(shù)電壓的權(quán)重以合適的比例相加得到具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓[9]。運(yùn)放OPA5輸出與反向端相連構(gòu)成緩沖器，基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)緩沖器后可以得到Vref2，經(jīng)電阻按比例分壓后可得到多個(gè)參考電壓，緩沖器保證了參考電壓的特性跟基準(zhǔn)電壓特性一樣。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)加入一個(gè)開(kāi)關(guān)管Mn13，可以根據(jù)使能信號(hào)EN控制Mn13的導(dǎo)通與截止，從而改變電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的比例，使得輸出參考電壓發(fā)生變化。電路中Vref2=1.2 V，R13=40 kΩ，R14=7  kΩ，R15=6.4  kΩ，R16=6.6  kΩ，R17=20  kΩ，當(dāng)使能無(wú)效時(shí)，參考電路輸出V1=0.3 V，V2=0.4 V，V3=0.5 V，V4=0.6 V；當(dāng)使能有效時(shí)，電路輸出V11=0.6 V，V22=0.8 V，V33=1 V，V44=1.2 V。電路受使能信號(hào)控制，輸出兩組不同的參考電壓。

    線性恒流電路4，主要由運(yùn)放OPA1、高壓LDMOS1和采樣電阻Rsen構(gòu)成。當(dāng)輸入電壓上升到第一串LED燈N1的正向壓降后，LDMOS1的漏源電流開(kāi)始增加，采樣電阻上的壓降也逐漸上升且反饋到運(yùn)放的反相端，OPA1通過(guò)輸入端電壓的變化，調(diào)節(jié)LDMOS1使得輸出電流穩(wěn)定[10]，使LED燈串N1恒流工作，此時(shí)輸出電流可以用式(3)計(jì)算：

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    其中I1為第一組線性恒流電路控制的LED輸出電流，V1為多值輸出參考電路的一路參考電壓，Rsen為外置采樣電阻。線性恒流電路4、5、6、7工作原理相同。

    電平轉(zhuǎn)換電路8，外部感應(yīng)的信號(hào)EN_Vin通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路后可以將外部感應(yīng)信號(hào)EN_Vin調(diào)整為與芯片工作電壓電平一致，得到輸出使能信號(hào)EN。信號(hào)EN通過(guò)控制多值輸出參考電路的使能端，使多值輸出參考電路輸出兩組不同的參考電壓，可切換LED處于兩種不同的工作狀態(tài)。

    保護(hù)電路9，由過(guò)溫保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)電路構(gòu)成。

3 仿真與結(jié)果分析

    基于華虹宏力0.5 μm 700 V BCD工藝，選用Cadence平臺(tái)下的 spectre仿真器對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真時(shí)電路中的LED燈串采用電阻與多個(gè)二極管串聯(lián)的方式進(jìn)行模擬。

    圖4所示為L(zhǎng)ED輸出電流隨輸入電壓變化的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出在輸入電壓周期內(nèi)，將使能信號(hào)接VDD時(shí)，隨著輸入電壓上升，LED輸出電流分4段依次增加，每一階段都是恒流狀態(tài)；隨著輸入電壓的下降，LED輸出電流也分4階段依次減小，電路實(shí)現(xiàn)了分段恒流工作功能。

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    圖5所示為L(zhǎng)ED輸出電流工作在第4段功率管作用時(shí)的瞬態(tài)電流變化仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出在恒流階段，輸出電流最大值為97.19 mA，最小值為97.16 mA，電流波動(dòng)為0.03 mA，電路的瞬態(tài)精度誤差僅為0.031%。

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    圖6為多值輸出參考電路的仿真結(jié)果，電路在5 ms的時(shí)候啟用使能信號(hào)EN_Vin。從仿真結(jié)果可以看出多值輸出參考電壓從V1：V2：V3：V4變化為V11：V22：V33：V44，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多值輸出參考電壓的控制。

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    圖7所示為開(kāi)啟使能信號(hào)后的LED輸出電流與輸入電壓的變化仿真結(jié)果。電路在5 ms的時(shí)候啟用使能信號(hào)EN_Vin，從仿真結(jié)果可以看出在前0~5 ms階段，輸出電流受V1：V2：V3：V4控制，在后5~10 ms階段，輸出電流受V11：V22：V33：V44控制，每個(gè)恒流階段的輸出變流都變大了一倍，電路可實(shí)現(xiàn)了智能化控制。

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4 結(jié)束語(yǔ)

    在LED照明技術(shù)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)電源是至關(guān)重要的，提高驅(qū)動(dòng)電源的性能有利于推動(dòng)LED照明技術(shù)的發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的智能化分段線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電源芯片，無(wú)需大電解電容和變壓器，有效提高了驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命、縮小了體積。該芯片可以隨著輸入電壓的變化，自適應(yīng)地分階段恒流工作，內(nèi)部集成了完善的保護(hù)電路，確保電路穩(wěn)定性和可靠性。驅(qū)動(dòng)芯片電路中還設(shè)計(jì)了智能拓展功能，可支持LED智能照明擴(kuò)展控制。仿真結(jié)果表明，在0～311 V周期脈動(dòng)高電壓輸入條件下，芯片輸出可分4階段恒流工作，最大恒定電流可達(dá)97.17 mA，在恒流階段，電流的瞬態(tài)精度誤差僅為0.031%。電路可接受外部感應(yīng)信號(hào)，從而控制電路處于兩種不同的輸出電流狀態(tài)。該驅(qū)動(dòng)芯片具有小體積、易集成、可擴(kuò)展智能控制等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高LED驅(qū)動(dòng)電源的性能。

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作者信息：

蘇藝俊1，馬  奎1，2，胡  銳3，楊發(fā)順1，2

（1.貴州大學(xué) 電子科學(xué)系，貴州 貴陽(yáng)550025；2.半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽(yáng)550025；

3.貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司，貴州 貴陽(yáng)550018）

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