摘 要： 提出了一種新的推挽功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)加入方法,，并結(jié)合負(fù)壓電荷泵理論設(shè)計(jì)了一種通過移頻鍵控控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED準(zhǔn)恒流調(diào)節(jié)的方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的線性調(diào)節(jié),，滿足中小功率LED對(duì)于能量利用效率和延長(zhǎng)使用壽命的要求,。
關(guān)鍵詞： 電荷泵；移頻鍵控,；死區(qū),；正反饋；LED恒流驅(qū)動(dòng)
LED照明被視為最有前途的固態(tài)半導(dǎo)體照明[1],，燈具質(zhì)量和使用壽命在很大程度上取決于其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),。LED發(fā)光的強(qiáng)度由流過LED的電流決定，電流過強(qiáng)會(huì)引起LED的光衰,，過弱會(huì)影響其亮度,，因此，LED的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源,，以保證功率LED使用的安全性,，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度[2]。但由于恒流驅(qū)動(dòng)要求驅(qū)動(dòng)管工作在放大狀態(tài),，所以自身發(fā)熱嚴(yán)重,，且很難提高其能量利用效率[3]。由于脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)方式中驅(qū)動(dòng)管工作于開關(guān)狀態(tài),，自身發(fā)熱大大降低,，其優(yōu)點(diǎn)在一些設(shè)計(jì)中得到了充分利用[4]，但LED承受頻繁的浪涌電流沖擊的代價(jià)是加速了LED燈珠的光衰,，大大降低了使用壽命,。針對(duì)這一矛盾，本文提出基于移頻鍵控和負(fù)壓電荷泵技術(shù)相結(jié)合的LED準(zhǔn)恒流驅(qū)動(dòng)方案,。采用一種新方式為驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的推挽場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管提供一定的死區(qū),，有效地避免了驅(qū)動(dòng)管瞬間同時(shí)導(dǎo)通所帶來的尖峰脈沖。通過Protel99se制板及調(diào)試,，對(duì)該方案相關(guān)問題進(jìn)行了研究,。
1 電路總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)由基準(zhǔn)電壓信號(hào)發(fā)生器、受控電源,、驅(qū)動(dòng)緩沖器,、負(fù)壓電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器,、電壓檢測(cè)變換器組成。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示,。其中受控電源通過內(nèi)部負(fù)反饋控制輸出與基準(zhǔn)電壓相等,，輸出VCC為后級(jí)供電；驅(qū)動(dòng)緩沖器接收調(diào)光控制器輸出的移頻鍵控信號(hào)并進(jìn)行緩沖,，提升其帶負(fù)載能力,；負(fù)壓電荷泵通過對(duì)電容的高速充放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的準(zhǔn)恒流驅(qū)動(dòng),；電壓檢測(cè)變換器檢測(cè)處理前級(jí)電壓Feedback并對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行反饋控制,，以修正輸出電壓值VCC，提升調(diào)光準(zhǔn)確性,。
2 電路設(shè)計(jì)
電路中的參考電壓源VREF采用輸出電壓精準(zhǔn)的能隙電壓源,；調(diào)光控制信號(hào)由單片機(jī)中斷產(chǎn)生，為保證調(diào)光精度,，單片機(jī)的晶振頻率不低于12 MHz,；受控電壓源應(yīng)采用高效率的小功率開關(guān)電源[5]。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)對(duì)緩沖器,、電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器,、電壓檢測(cè)變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹，通過Protel99se進(jìn)行電路板設(shè)計(jì),。
2.1 驅(qū)動(dòng)緩沖器設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)緩沖器電壓要求能夠滿幅輸出,、響應(yīng)速度快、電壓上升和下降過渡時(shí)間短,，同時(shí)要求推挽輸出管要有一定的死區(qū),，以避免功率場(chǎng)效應(yīng)管因瞬間同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生尖峰脈沖和不必要的功耗。為了降低信號(hào)夾雜的噪聲和成本,，驅(qū)動(dòng)緩沖器采用分立元件構(gòu)成,，采用互補(bǔ)推挽晶體管及功率場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管構(gòu)成，由硬件形成必要的死區(qū),，由于沒有應(yīng)用電容元件,，電路響應(yīng)速度較快。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
Input端接收控制器的移頻鍵控信號(hào),，電路對(duì)其波形進(jìn)行處理，加入死區(qū),，GND為地線,。電路通過兩個(gè)正反饋環(huán)路加速三極管的導(dǎo)通和截止。功率場(chǎng)效應(yīng)管推挽輸出結(jié)構(gòu),，增大電路負(fù)載能力,。當(dāng)Input端輸入信號(hào)電平經(jīng)過驅(qū)動(dòng)緩沖電路后控制輸出端Output-1和Output-2的輸出,，Output-1與Output-2輸出電平相反。
當(dāng)Input端輸入高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),，Q11飽和導(dǎo)通,，Q5截止，Q6導(dǎo)通,，驅(qū)動(dòng)緩沖電路原理如圖3所示，左端的Output-1端由Q7輸出電源電壓,，右端的Output-2端由Q10輸出0 V電壓,；當(dāng)Input輸入低電平信號(hào)時(shí)，過程與前者相似,。
電路設(shè)計(jì)中充分利用驅(qū)動(dòng)管及正反饋發(fā)生時(shí)各三極管不同時(shí)動(dòng)作這一特點(diǎn),，利用其異步動(dòng)作時(shí)序?yàn)閮山M推挽場(chǎng)效應(yīng)管提供了一個(gè)短暫的死區(qū)，保證每組推挽功率管在同一時(shí)刻都不會(huì)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài),。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，這種方法有效地抑制了推挽管產(chǎn)生尖峰脈沖，對(duì)電源沖擊小,。當(dāng)VCC=6 V時(shí),，各場(chǎng)效應(yīng)管柵極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)序波形如圖4所示。
將此驅(qū)動(dòng)緩沖電路與同種NPN三極管構(gòu)成的單級(jí)反相器電路相比較,，在功耗相同的條件下,，前者輸出端高電平和低電平的建立時(shí)間比后者小得多，因此信號(hào)傳輸?shù)南嘁戚^??；當(dāng)輸出端接大負(fù)載時(shí)，其輸出電壓僅比空載時(shí)的電壓略有下降,，證明其有很小的輸出電阻和較強(qiáng)的負(fù)載能力,；推挽管輸出端無尖峰脈沖出現(xiàn)，減小了對(duì)電源的沖擊干擾,；當(dāng)VCC為10 V時(shí),，緩沖器靜態(tài)空載電流消耗約為1.5 mA，因而具有很小的功耗,。此驅(qū)動(dòng)緩沖電路具有較好的性能：高效率,、高功率因數(shù)、向電網(wǎng)注入的諧波電流小以及較低的成本和較小的體積重量[6],。
2.2 負(fù)壓電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器由兩組對(duì)稱的電荷泵組成,，VDD為電路提供電源，輸入端Input-1,、Input-2分別與圖1中的Output-1,、Output-2連接,，F(xiàn)eedback端為電壓反饋控制端口。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示,。
VDD端為恒壓電源,，其值小于LED串聯(lián)導(dǎo)通電壓，因此在電路上電時(shí),，LED不會(huì)立即導(dǎo)通,，隨著C1負(fù)極板電壓的降低，LED實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),，避免了電流的沖擊,。當(dāng)Input-1和Input-2輸入為高電壓時(shí)，Q12和Q13飽和導(dǎo)通,，電容C2通過電阻R15充電,，C3通過電阻R16充電；當(dāng)Input-1和Input-2輸入為低電壓時(shí),，C2,、C3分別通過D1、D2給電解電容C1反向充電,，C1的負(fù)極板上呈現(xiàn)負(fù)電壓,，當(dāng)這個(gè)電壓值達(dá)到使得LED導(dǎo)通的臨界電壓值時(shí)，電容C1電壓進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),。單位時(shí)間內(nèi)VDD供給LED的電荷量與電荷泵通過C2,、C3抽走的電荷量相等，由于電感L1的濾波作用,，使得LED兩端電壓變化極小,，電流近似恒流流過。Feedback端將C1電壓反饋回電源控制端,，與基準(zhǔn)電壓輸入端相連,，經(jīng)比較、放大及濾波平滑后實(shí)現(xiàn)對(duì)電源VCC的實(shí)時(shí)控制,，保證VCC與Feedback電勢(shì)差的恒定,。
下面就LED負(fù)壓電荷泵驅(qū)動(dòng)電路的工作原理及工作過程進(jìn)行分析。
2.4 受控電壓源
要達(dá)到線性調(diào)光,，驅(qū)動(dòng)緩沖器電源電壓必須受控,。受控開關(guān)電源中開關(guān)管的每一個(gè)開關(guān)動(dòng)作都在極短時(shí)間內(nèi)完成，瞬間產(chǎn)生的脈沖電壓和脈沖電流將引起EMI干擾,，因此VCC中存在開關(guān)管產(chǎn)生的一次和高次諧波干擾,，有必要在輸出端加電容濾波電路，但電容值不宜過大,，以防止整個(gè)系統(tǒng)振蕩,。同時(shí)必須將其在工作中產(chǎn)生的電磁輻射限制在一定水平內(nèi),，抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，并且電源本身要有一定的抗干擾能力,，這些對(duì)保證電子系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義,。另外小功率開關(guān)電源的元件需用盡量小的封裝，如采用平面變壓器,、表貼元件,、厚膜工藝、多層陶瓷布線等,。要實(shí)現(xiàn)高效率,，則需采用提高變壓器效率、降低開關(guān)損耗及其他元件損耗,、減小電磁干擾等措施,。
電路連接完成后,，當(dāng)移頻鍵控信號(hào)頻率受控產(chǎn)生階躍時(shí),，由于C1容量很大，其兩端電壓是緩變的,。受控電壓源階躍響應(yīng),，相對(duì)較快的響應(yīng)速度使其完全可以及時(shí)響應(yīng)C1的變化，避免了系統(tǒng)振蕩,。
電路設(shè)置恒壓源VDD=10 V,，LED串聯(lián)數(shù)為3，單顆LED導(dǎo)通壓降約為3.6 V,。當(dāng)VREF=5 V時(shí),，電壓檢測(cè)變換電路輸出為Vout=VREF-Feedback，因此受控電壓源基準(zhǔn)電壓輸入為VREF-Feedback,，VCC電壓在VREF-Feedback處動(dòng)態(tài)平衡,。因而C2、C3每次充放電電量均如式(8)所示：
由此可知,，在工程允許誤差范圍內(nèi),，I與ΔT成反比關(guān)系，根據(jù)此函數(shù)關(guān)系適當(dāng)控制輸入方波周期?駐T,，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的線性調(diào)光,，且調(diào)光具有較好的線性度。
本設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)方法的研究和實(shí)際應(yīng)用提供了參考,。推挽功率管輸出端沒有尖峰脈沖出現(xiàn),，體現(xiàn)出推挽管死區(qū)電壓加入方案的有效性；由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,，根據(jù)I與?駐T的函數(shù)關(guān)系適當(dāng)改變調(diào)光方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期?駐T可以線性控制流過LED的電流,，且當(dāng)調(diào)光控制信號(hào)頻率在2.5 kHz~7 kHz之間時(shí),，調(diào)光可達(dá)到較好的線性度，且電流波動(dòng)小,，可有效減小LED光衰,，延長(zhǎng)使用壽命。單顆LED輸出功率大于0.5 W,，效率可達(dá)約90%,，可將多個(gè)LED燈珠串聯(lián)，總功率足以滿足照明需求,，因而有廣闊的應(yīng)用前景,。
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