典型白光LED驱动案例

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。