典型白光LED驱动案例[1]

　　白光LED照明方式以高效、低功耗、节能环保等特性，已经广泛获得大家的认可。从本质上来说，LED就是可发光的二极管，它的发光强度与通过它的正向电流成正比，且存在导通电压，当电流大小为20 mA时，正向压降一般为3～3.5 V。很多时候，单个LED发光强度并不能满足实际应用的需求，还必须将多个LED串联或并联使用，这就需要大的电压或电流来驱动，而不同的制作工艺，甚至不同批次，LED都存在着性能不匹配的问题，这也为合理设计驱动带来难题。所以，虽然原始的电源有很多种类，但都不能直接给LED供电。这就要求根据不同的需要采取升压或者降压，以及恒流或恒压的驱动方式进行驱动。

　　1 常见LED驱动器工作原理

　　1.1 线性稳压驱动器

　　最早成套出现的线性稳压驱动器出现于20世纪70年代，那时是以NPN管作为稳压器件的，如图1所示。这种稳压器件在输入电压与输出电压之间要求2Vbe的电压，当输入电压低于2Vbe时，NPN管进入饱和，稳压器将失去稳压能力。为了减少压差，出现了组合型的稳压器，如图2所示，即用PNP管驱动NPN管的基极，但压差也接近1Vbe。20世纪80年代中期，市场上出现了低压差线性稳压器，如图3所示。与NPN稳压器不同，PNP稳压器压差不是Vbe的函数，而是PNP管Vce的函数，这个电压值要低得多，随着制造工艺的成熟，PNP稳压器压差已经小于500 mV。

　　线性稳压驱动器是指在线性区或饱和区工作的晶体管、场效应管从输入电压中分去多余的电压，产生可调节、稳定且精确的直流电压，通常由稳压器件、误差放大器、反馈电路以及基准电压组成。稳压器件通常是一个MOS管，相当于一个压控电阻，由栅极电压控制电阻大小。输出电压Vout是由稳压器件与负载分压得到的Vout=Vin-Vp，若输入电压Vin或负载发生变化，控制端电压Vc也随着变化，控制MOS管阻值，达到调整MOS管分压Vp大小的目的，使Vout保证稳定。线性稳压驱动器也可通过将采样电阻与负载进行串联，反馈电压Vo=Iout×R1，保持R1大小不变，则反馈电压可反映输出电流大小的变化，进而改成线性稳流驱动器，其具体工作原理与线性稳压驱动器基本一致。

　　线性稳压器的效率是比较低的。由原理可知，该驱动器的输出电压是由输入电压减去MOS管分压Vp而得到的，而这部分电压完全是转变为热能消耗掉，所以为了提高驱动器效率，一般要求Vp越低越好。将输入/输出电压差较低的线性稳压驱动器称为低压差线性稳压器，简称LDO。

　　1.2 电荷泵驱动器

　　最早的理想电荷泵模型是Dickson J在1976年提出的，如图5所示，其基本思想就是通过电容对电荷的积累效应而产生高压。后来Witte-rs J，Toru Tranzawa等人对Dickson J的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实。

　　现代电荷泵主要由开关阵列、震荡电路、逻辑电路和比较器来实现DC—DC的转换，驱动模式也由以前的单模式转变成自适应多模式，主要的形式有单模式(如2X模式)、双模式(如1X/2X模式)和多模式(如1X/1.5X/2X模式)等，下面结合双模式1X/2X电荷泵分析电荷泵的工作原理。

　　如图6所示，当电荷泵工作在1X模式下时，振荡器不工作，S1和S4直接导通，此时，Vin=Vout;当电荷泵工作在2X模式下时，振荡器输出占空比为50%的方波，使S1，S3和S2，S4轮流导通。当时钟信号为高电平时，S1和S3导通，S2和S4截止，Vin与C1连通，对C1进行充电，使Vc =Vin;当时钟信号为低电平时，S1和S3断开，S2和S4导通，Vin通过C1串联对外供电，所以有稳态时，Vout=Vin+Vc=2Vin。

　　电荷泵驱动电路，不仅能有效进行升压降压输出，而且还能非常简便地进行负压输出，这是电荷泵驱动器相对其他两种驱动器的一大优势。

　　如图7所示，它的基本原理与Dickson电荷泵是一致的，但是利用电容两端电压差不会跳变的特性，当电路保持充放电状态时，电容两端电压差保持恒定。在这种情况下将原来的高电位端接地，从而可得到负电压输出

。

　　式中：Pin为输入总功率;Lout为负载LED上流过的总电流;VLED为LED的正向导通压降;M为电荷泵的升压倍数;Iq为电荷泵功率管的驱动电流和其他模块的静态电流。由上式可以看出，电荷泵的升压倍数M越大，电荷泵的转换效率越低，因此，在满足LED驱动电压，即Vout> VLED的条件下，要尽量使电荷泵工作在低升压倍数的模式下。

　　1.3 电感式开关稳压驱动器

　　电感式开关稳压驱动器简称开关电源(Switching Power Supply)，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。早期的开关电源频率仅为几千赫兹，当频率达到10 kHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，直到20世纪70年代，开关频率突破了人耳听觉极限的20 kHz，噪声问题才得以解决。随着开关频率的不断提升，驱动器的体积减小，效率提高。20世纪80年代，出现了采用准谐振技术的零电压和零电流开关电路，也就是软开关技术。这种电路使开关开通或关断前的电压、电流分别为零，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。

　　电感式开关稳压驱动器的核心是电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。在开关管闭合的时候，将电源的能量储存在电感中，在开关管关断的时候，电感中的能量流入电容，这样就实现了能量的传输。

　　电感式开关稳压驱动器有通常两种控制方式：一是保持开关工作周期不变，控制开关导通时间的脉冲宽度调制方式(PWM)，该方式是在输入电压或负载变化时，控制电路通过输出电压或电流与基准电压的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得电感式开关稳压驱动器的输出电压或电流保持稳定;另一种是保持导通时间不变，改变开关工作周期的脉冲频率调制方式(PFM)，基本工作原理就是在输入电压或负载变化的情况下，控制电路通过输出电压与基准电压的差值进行闭环反馈，在保持开关开启时间不变的情况下，控制开关周期的长短，即控制开关频率，来调整开关占空比，以达到稳定输出电压或电流的目的。由于PWM方式电路简单，且输入/输出范围较PFM方式更广泛(PFM通常用于轻负载、低电压、低电流情况下)，所以得到了广泛应用，下面主要介绍两种PWM驱动方式。

　　1.3.1 电压控制型PWM

　　结构示意图如图8所示。

　　在PWM控制器中，对输出电压Vo进行检测，加至运放的反相输入端，固定参考电压Vref加至运放的正相输入端。误差放大后输出直流误差电压Ve，加至PWM比较器的正相输入端;将斜坡信号发生器产生锯齿波信号Vosc加至PWM比较器的反相输入端。Vc和Vosc经PWM比较后输出一个方波信号，该方波信号的占空比随着误差电压Vc变化。当输出电压降低时，Ve值变大，经PWM比较后，输出方波占空比减小，MOS管导通时间增加，Vin对电感充电时间增加，Vout升高。

　　1.3.2 电流控制型PWM原理

　　结构示意图如图9所示。该电路和电压控制型的区别在于，该电路有外控制环和内控制环两部分电路。当输出电流Iout降低时，误差放大器输出增大，PWM输出为0;当振荡波上升沿到来时，MOS管导通，Vin对电感充电，电流增加，通过采样电阻R3反馈电压增加，当反馈电压超过Ve时，PWM输出为1，当振荡器下降沿到来时，MOS管关闭，电感上电流对外输出。电流控制模式与电压控制模式一样具有占空比与输出电压大小成反比的关系外，还具有以下特点：外控制环路控制电流最小值;内环控制电流最大值。

　　2 各种驱动器优缺点比较

　　对于LED驱动方式而言，每种LED驱动都有它的适用范围，也有它们各自的优缺点，搞清楚各自的优缺点，可以更好地根据实际情况，设计合理的LED驱动电路，这可以通过效率白光LED照明方式以高效、低功耗、节能环保等特性，已经广泛获得大家的认可。从本质上来说，LED就是可发光的二极管，它的发光强度与通过它的正向电流成正比，且存在导通电压，当电流大小为20 mA时，正向压降一般为3～3.5 V。很多时候，单个LED发光强度并不能满足实际应用的需求，还必须将多个LED串联或并联使用，这就需要大的电压或电流来驱动，而不同的制作工艺，甚至不同批次，LED都存在着性能不匹配的问题，这也为合理设计驱动带来难题。所以，虽然原始的电源有很多种类，但都不能直接给LED供电。这就要求根据不同的需要采取升压或者降压，以及恒流或恒压的驱动方式进行驱动。

　　1 常见LED驱动器工作原理

　　1.1 线性稳压驱动器

　　最早成套出现的线性稳压驱动器出现于20世纪70年代，那时是以NPN管作为稳压器件的，如图1所示。这种稳压器件在输入电压与输出电压之间要求2Vbe的电压，当输入电压低于2Vbe时，NPN管进入饱和，稳压器将失去稳压能力。为了减少压差，出现了组合型的稳压器，如图2所示，即用PNP管驱动NPN管的基极，但压差也接近1Vbe。20世纪80年代中期，市场上出现了低压差线性稳压器，如图3所示。与NPN稳压器不同，PNP稳压器压差不是Vbe的函数，而是PNP管Vce的函数，这个电压值要低得多，随着制造工艺的成熟，PNP稳压器压差已经小于500 mV。

　　线性稳压驱动器是指在线性区或饱和区工作的晶体管、场效应管从输入电压中分去多余的电压，产生可调节、稳定且精确的直流电压，通常由稳压器件、误差放大器、反馈电路以及基准电压组成。稳压器件通常是一个MOS管，相当于一个压控电阻，由栅极电压控制电阻大小。输出电压Vout是由稳压器件与负载分压得到的Vout=Vin-Vp，若输入电压Vin或负载发生变化，控制端电压Vc也随着变化，控制MOS管阻值，达到调整MOS管分压Vp大小的目的，使Vout保证稳定。线性稳压驱动器也可通过将采样电阻与负载进行串联，反馈电压Vo=Iout×R1，保持R1大小不变，则反馈电压可反映输出电流大小的变化，进而改成线性稳流驱动器，其具体工作原理与线性稳压驱动器基本一致。

　　线性稳压器的效率是比较低的。由原理可知，该驱动器的输出电压是由输入电压减去MOS管分压Vp而得到的，而这部分电压完全是转变为热能消耗掉，所以为了提高驱动器效率，一般要求Vp越低越好。将输入/输出电压差较低的线性稳压驱动器称为低压差线性稳压器，简称LDO。

　　1.2 电荷泵驱动器

　　最早的理想电荷泵模型是Dickson J在1976年提出的，如图5所示，其基本思想就是通过电容对电荷的积累效应而产生高压。后来Witte-rs J，Toru Tranzawa等人对Dickson J的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实。

　　现代电荷泵主要由开关阵列、震荡电路、逻辑电路和比较器来实现DC—DC的转换，驱动模式也由以前的单模式转变成自适应多模式，主要的形式有单模式(如2X模式)、双模式(如1X/2X模式)和多模式(如1X/1.5X/2X模式)等，下面结合双模式1X/2X电荷泵分析电荷泵的工作原理。

　　如图6所示，当电荷泵工作在1X模式下时，振荡器不工作，S1和S4直接导通，此时，Vin=Vout;当电荷泵工作在2X模式下时，振荡器输出占空比为50%的方波，使S1，S3和S2，S4轮流导通。当时钟信号为高电平时，S1和S3导通，S2和S4截止，Vin与C1连通，对C1进行充电，使Vc =Vin;当时钟信号为低电平时，S1和S3断开，S2和S4导通，Vin通过C1串联对外供电，所以有稳态时，Vout=Vin+Vc=2Vin。

　　电荷泵驱动电路，不仅能有效进行升压降压输出，而且还能非常简便地进行负压输出，这是电荷泵驱动器相对其他两种驱动器的一大优势。

　　如图7所示，它的基本原理与Dickson电荷泵是一致的，但是利用电容两端电压差不会跳变的特性，当电路保持充放电状态时，电容两端电压差保持恒定。在这种情况下将原来的高电位端接地，从而可得到负电压输出。

　　式中：Pin为输入总功率;Lout为负载LED上流过的总电流;VLED为LED的正向导通压降;M为电荷泵的升压倍数;Iq为电荷泵功率管的驱动电流和其他模块的静态电流。由上式可以看出，电荷泵的升压倍数M越大，电荷泵的转换效率越低，因此，在满足LED驱动电压，即Vout> VLED的条件下，要尽量使电荷泵工作在低升压倍数的模式下。

　　1.3 电感式开关稳压驱动器

　　电感式开关稳压驱动器简称开关电源(Switching Power Supply)，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。早期的开关电源频率仅为几千赫兹，当频率达到10 kHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，直到20世纪70年代，开关频率突破了人耳听觉极限的20 kHz，噪声问题才得以解决。随着开关频率的不断提升，驱动器的体积减小，效率提高。20世纪80年代，出现了采用准谐振技术的零电压和零电流开关电路，也就是软开关技术。这种电路使开关开通或关断前的电压、电流分别为零，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。

　　电感式开关稳压驱动器的核心是电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。在开关管闭合的时候，将电源的能量储存在电感中，在开关管关断的时候，电感中的能量流入电容，这样就实现了能量的传输。

　　电感式开关稳压驱动器有通常两种控制方式：一是保持开关工作周期不变，控制开关导通时间的脉冲宽度调制方式(PWM)，该方式是在输入电压或负载变化时，控制电路通过输出电压或电流与基准电压的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得电感式开关稳压驱动器的输出电压或电流保持稳定;另一种是保持导通时间不变，改变开关工作周期的脉冲频率调制方式(PFM)，基本工作原理就是在输入电压或负载变化的情况下，控制电路通过输出电压与基准电压的差值进行闭环反馈，在保持开关开启时间不变的情况下，控制开关周期的长短，即控制开关频率，来调整开关占空比，以达到稳定输出电压或电流的目的。由于PWM方式电路简单，且输入/输出范围较PFM方式更广泛(PFM通常用于轻负载、低电压、低电流情况下)，所以得到了广泛应用，下面主要介绍两种PWM驱动方式。

　　1.3.1 电压控制型PWM

　　结构示意图如图8所示。

　　在PWM控制器中，对输出电压Vo进行检测，加至运放的反相输入端，固定参考电压Vref加至运放的正相输入端。误差放大后输出直流误差电压Ve，加至PWM比较器的正相输入端;将斜坡信号发生器产生锯齿波信号Vosc加至PWM比较器的反相输入端。Vc和Vosc经PWM比较后输出一个方波信号，该方波信号的占空比随着误差电压Vc变化。当输出电压降低时，Ve值变大，经PWM比较后，输出方波占空比减小，MOS管导通时间增加，Vin对电感充电时间增加，Vout升高。

　　1.3.2 电流控制型PWM原理

　　结构示意图如图9所示。该电路和电压控制型的区别在于，该电路有外控制环和内控制环两部分电路。当输出电流Iout降低时，误差放大器输出增大，PWM输出为0;当振荡波上升沿到来时，MOS管导通，Vin对电感充电，电流增加，通过采样电阻R3反馈电压增加，当反馈电压超过Ve时，PWM输出为1，当振荡器下降沿到来时，MOS管关闭，电感上电流对外输出。电流控制模式与电压控制模式一样具有占空比与输出电压大小成反比的关系外，还具有以下特点：外控制环路控制电流最小值;内环控制电流最大值。

　　2 各种驱动器优缺点比较

　　对于LED驱动方式而言，每种LED驱动都有它的适用范围，也有它们各自的优缺点，搞清楚各自的优缺点，可以更好地根据实际情况，设计合理的LED驱动电路，这可以通过效率工作电压、噪声干扰、输出调节、反应速度以及安装尺寸和成本来进行比较分析。