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(shè)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(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)置了使能擴展控制端，可接受外部感應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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<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/R_sen,。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/R_sen,。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(yīng)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,，R_sen為外置采樣電阻,。

2 電路設(shè)計

    圖3為智能化分段線性恒流LED驅(qū)動電源的電路設(shè)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V_ref1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)計算：

式中μ_pC_ox為功率管的工藝參數(shù)，W/L為寬長比,，V_od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(luò)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V_ref2,，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(luò)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(luò)的比例,，使得輸出參考電壓發(fā)生變化。電路中V_ref2=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R_sen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，R_sen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EN_Vin通過電平轉(zhuǎn)換電路后可以將外部感應(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)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,。

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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 電子科學系,，貴州 貴陽550025,；2.半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽550025,；

3.貴州振華風光半導體有限公司,，貴州 貴陽550018）