關(guān)于智能化分段線性恒流LED驅(qū)動電源的設計

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)當中，驅(qū)動電源的性能至關(guān)重要，涉及到了LED整燈的各項電氣性能以及可靠性。LED驅(qū)動電源大致發(fā)展為開關(guān)電源和線性電源[2]，開關(guān)電源具有效率高、功耗小的優(yōu)點，但存在較嚴重的電磁干擾問題；而線性電源的電磁干擾問題較小，輸出電流電壓紋波小，但效率較開關(guān)電源低[3]。在LED照明中，要求驅(qū)動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)，電容容量下降等問題，使用壽命大大降低，影響了驅(qū)動電源的使用壽命，進而降低LED整燈的使用壽命[4-6]。

本文設計了一種去電容化的智能化分段線性恒流LED驅(qū)動電源，整個驅(qū)動電源無電解電容、變壓器、電感等大體積的元器件。電路采用分段工作方式，可以實現(xiàn)對輸入電壓的自適應分段工作，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)動電源的其余部分可集成在單顆芯片上。芯片電路中設置了使能擴展控制端，可接受外部感應信號，控制LED輸出電流的變化，實現(xiàn)智能化控制。理論分析和仿真驗證結(jié)果表明，電路的設計正確，且各項性能指標均滿足預期要求。

1 驅(qū)動電源電路設計

傳統(tǒng)的開關(guān)型LED驅(qū)動電源中一般含有大電解電容和高頻變壓器，導致LED驅(qū)動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)的開關(guān)型LED驅(qū)動電源的系統(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能元件[7]。變壓器采用反激工作方式，反復的接通和斷開使變壓器實現(xiàn)電-磁-電的變換?？梢妭鹘y(tǒng)的開關(guān)型LED驅(qū)動電源在電路結(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題[8]。分段線性恒流LED驅(qū)動電源可以有效地解決以上問題。

圖2所示為本文設計的智能化的分段線性恒流LED驅(qū)動電源的系統(tǒng)框圖。驅(qū)動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，自適應地控制LED燈串分段恒流工作。圖中模塊1整流橋可對正弦電壓波形進行全波整流，LED燈串N1~LED燈串N4采用N個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信號電平轉(zhuǎn)換為芯片可識別的電平，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)部集成多種保護電路，可防止芯片過溫、過壓、過流等極限情況，確保電路正常工作。

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輸出端口得到脈動直流高壓，該電壓峰值電壓為311 V、時間周期為10 ms的正弦半波脈動電壓。該電壓既為高壓穩(wěn)壓降壓電路提供工作電壓，也作為LED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

在輸入電壓上升階段，當輸入電壓上升到LED燈串N1的正向?qū)妷汉螅谝唤M線性恒流電路中的LDMOS1處于導通狀態(tài)，LED燈串N1點亮，電流受第一組線性恒流電路控制，電流值為V1/Rsen。當輸入電壓達到燈串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。

外部感應信號可通過電平轉(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)動電路可工作在兩種工作電流模式下，如表1所示。LED分4個階段依次點亮，表中V11/V1=V22/V2=V33/V3=V44/V4=2，Rsen為外置采樣電阻。

2 電路設計

圖3為智能化分段線性恒流LED驅(qū)動電源的電路設計結(jié)構(gòu)。

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，并通過穩(wěn)壓值為5.8 V的齊納二極管Zener1穩(wěn)壓，供前置基準電壓源和線性穩(wěn)壓器工作。前置基準電壓源產(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)計算：

式中μpCox為功率管的工藝參數(shù)，W/L為寬長比，Vod為過驅(qū)動電壓。當額定負載電流為10 mA，Mp40的寬長比W/L可取4 000/2，使得VDD具有一定的帶負載能力，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，主要由基準電壓源、緩沖器和電阻分壓網(wǎng)絡3部分構(gòu)成?；鶞孰妷涸蠢镁哂邢喾吹臏囟认禂?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)的基準電壓[9]。運放OPA5輸出與反向端相連構(gòu)成緩沖器，基準電壓經(jīng)過緩沖器后可以得到Vref2，經(jīng)電阻按比例分壓后可得到多個參考電壓，緩沖器保證了參考電壓的特性跟基準電壓特性一樣。電阻分壓網(wǎng)絡加入一個開關(guān)管Mn13，可以根據(jù)使能信號EN控制Mn13的導通與截止，從而改變電阻分壓網(wǎng)絡的比例，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，當使能無效時，參考電路輸出V1=0.3 V，V2=0.4 V，V3=0.5 V，V4=0.6 V；當使能有效時，電路輸出V11=0.6 V，V22=0.8 V，V33=1 V，V44=1.2 V。電路受使能信號控制，輸出兩組不同的參考電壓。

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

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，外部感應的信號EN_Vin通過電平轉(zhuǎn)換電路后可以將外部感應信號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EN。信號EN通過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)。

保護電路9，由過溫保護電路、過壓保護電路和過流保護電路構(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平臺下的 spectre仿真器對電路進行了仿真驗證。仿真時電路中的LED燈串采用電阻與多個二極管串聯(lián)的方式進行模擬。

圖4所示為LED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)，將使能信號接VDD時，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，電路實現(xiàn)了分段恒流工作功能。

圖5所示為LED輸出電流工作在第4段功率管作用時的瞬態(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，電流波動為0.03 mA，電路的瞬態(tài)精度誤差僅為0.031%。

圖6為多值輸出參考電路的仿真結(jié)果，電路在5 ms的時候啟用使能信號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，實現(xiàn)了對多值輸出參考電壓的控制。

圖7所示為開啟使能信號后的LED輸出電流與輸入電壓的變化仿真結(jié)果。電路在5 ms的時候啟用使能信號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，每個恒流階段的輸出變流都變大了一倍，電路可實現(xiàn)了智能化控制。

4 結(jié)束語

在LED照明技術(shù)當中，驅(qū)動電源是至關(guān)重要的，提高驅(qū)動電源的性能有利于推動LED照明技術(shù)的發(fā)展。本文所設計的智能化分段線性恒流LED驅(qū)動電源芯片，無需大電解電容和變壓器，有效提高了驅(qū)動電源的使用壽命、縮小了體積。該芯片可以隨著輸入電壓的變化，自適應地分階段恒流工作，內(nèi)部集成了完善的保護電路，確保電路穩(wěn)定性和可靠性。驅(qū)動芯片電路中還設計了智能拓展功能，可支持LED智能照明擴展控制。仿真結(jié)果表明，在0～311 V周期脈動高電壓輸入條件下，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信號，從而控制電路處于兩種不同的輸出電流狀態(tài)。該驅(qū)動芯片具有小體積、易集成、可擴展智能控制等優(yōu)點，有利于提高LED驅(qū)動電源的性能。