典型白光LED驅動案例

1.3.1 電壓控制型PWM

結構示意圖如圖8所示。

在PWM控制器中，對輸出電壓Vo進行檢測，加至運放的反相輸入端，固定參考電壓Vref加至運放的正相輸入端。誤差放大后輸出直流誤差電壓Ve，加至PWM比較器的正相輸入端;將斜坡信號發生器產生鋸齒波信號Vosc加至PWM比較器的反相輸入端。Vc和Vosc經PWM比較后輸出一個方波信號，該方波信號的占空比隨著誤差電壓Vc變化。當輸出電壓降低時，Ve值變大，經PWM比較后，輸出方波占空比減小，MOS管導通時間增加，Vin對電感充電時間增加，Vout升高。

1.3.2 電流控制型PWM原理

結構示意圖如圖9所示。該電路和電壓控制型的區別在于，該電路有外控制環和內控制環兩部分電路。當輸出電流Iout降低時，誤差放大器輸出增大，PWM輸出為0;當振蕩波上升沿到來時，MOS管導通，Vin對電感充電，電流增加，通過采樣電阻R3反饋電壓增加，當反饋電壓超過Ve時，PWM輸出為1，當振蕩器下降沿到來時，MOS管關閉，電感上電流對外輸出。電流控制模式與電壓控制模式一樣具有占空比與輸出電壓大小成反比的關系外，還具有以下特點：外控制環路控制電流最小值;內環控制電流最大值。

2 各種驅動器優缺點比較

對于LED驅動方式而言，每種LED驅動都有它的適用范圍，也有它們各自的優缺點，搞清楚各自的優缺點，可以更好地根據實際情況，設計合理的LED驅動電路，這可以通過效率白光LED照明方式以高效、低功耗、節能環保等特性，已經廣泛獲得大家的認可。從本質上來說，LED就是可發光的二極管，它的發光強度與通過它的正向電流成正比，且存在導通電壓，當電流大小為20 mA時，正向壓降一般為3～3.5 V。很多時候，單個LED發光強度并不能滿足實際應用的需求，還必須將多個LED串聯或并聯使用，這就需要大的電壓或電流來驅動，而不同的制作工藝，甚至不同批次，LED都存在著性能不匹配的問題，這也為合理設計驅動帶來難題。所以，雖然原始的電源有很多種類，但都不能直接給LED供電。這就要求根據不同的需要采取升壓或者降壓，以及恒流或恒壓的驅動方式進行驅動。

1 常見LED驅動器工作原理

1.1 線性穩壓驅動器

最早成套出現的線性穩壓驅動器出現于20世紀70年代，那時是以NPN管作為穩壓器件的，如圖1所示。這種穩壓器件在輸入電壓與輸出電壓之間要求2Vbe的電壓，當輸入電壓低于2Vbe時，NPN管進入飽和，穩壓器將失去穩壓能力。為了減少壓差，出現了組合型的穩壓器，如圖2所示，即用PNP管驅動NPN管的基極，但壓差也接近1Vbe。20世紀80年代中期，市場上出現了低壓差線性穩壓器，如圖3所示。與NPN穩壓器不同，PNP穩壓器壓差不是Vbe的函數，而是PNP管Vce的函數，這個電壓值要低得多，隨著制造工藝的成熟，PNP穩壓器壓差已經小于500 mV。

線性穩壓驅動器是指在線性區或飽和區工作的晶體管、場效應管從輸入電壓中分去多余的電壓，產生可調節、穩定且精確的直流電壓，通常由穩壓器件、誤差放大器、反饋電路以及基準電壓組成。穩壓器件通常是一個MOS管，相當于一個壓控電阻，由柵極電壓控制電阻大小。輸出電壓Vout是由穩壓器件與負載分壓得到的Vout=Vin-Vp，若輸入電壓Vin或負載發生變化，控制端電壓Vc也隨著變化，控制MOS管阻值，達到調整MOS管分壓Vp大小的目的，使Vout保證穩定。線性穩壓驅動器也可通過將采樣電阻與負載進行串聯，反饋電壓Vo=Iout×R1，保持R1大小不變，則反饋電壓可反映輸出電流大小的變化，進而改成線性穩流驅動器，其具體工作原理與線性穩壓驅動器基本一致。

線性穩壓器的效率是比較低的。由原理可知，該驅動器的輸出電壓是由輸入電壓減去MOS管分壓Vp而得到的，而這部分電壓完全是轉變為熱能消耗掉，所以為了提高驅動器效率，一般要求Vp越低越好。將輸入/輸出電壓差較低的線性穩壓驅動器稱為低壓差線性穩壓器，簡稱LDO。

1.2 電荷泵驅動器

最早的理想電荷泵模型是Dickson J在1976年提出的，如圖5所示，其基本思想就是通過電容對電荷的積累效應而產生高壓。后來Witte-rs J，Toru Tranzawa等人對Dickson J的電荷泵模型進行改進，提出了比較精確的理論模型，并通過實驗加以證實。

現代電荷泵主要由開關陣列、震蕩電路、邏輯電路和比較器來實現DC—DC的轉換，驅動模式也由以前的單模式轉變成自適應多模式，主要的形式有單模式(如2X模式)、雙模式(如1X/2X模式)和多模式(如1X/1.5X/2X模式)等，下面結合雙模式1X/2X電荷泵分析電荷泵的工作原理。

如圖6所示，當電荷泵工作在1X模式下時，振蕩器不工作，S1和S4直接導通，此時，Vin=Vout;當電荷泵工作在2X模式下時，振蕩器輸出占空比為50%的方波，使S1，S3和S2，S4輪流導通。當時鐘信號為高電平時，S1和S3導通，S2和S4截止，Vin與C1連通，對C1進行充電，使Vc =Vin;當時鐘信號為低電平時，S1和S3斷開，S2和S4導通，Vin通過C1串聯對外供電，所以有穩態時，Vout=Vin+Vc=2Vin。

電荷泵驅動電路，不僅能有效進行升壓降壓輸出，而且還能非常簡便地進行負壓輸出，這是電荷泵驅動器相對其他兩種驅動器的一大優勢。

如圖7所示，它的基本原理與Dickson電荷泵是一致的，但是利用電容兩端電壓差不會跳變的特性，當電路保持充放電狀態時，電容兩端電壓差保持恒定。在這種情況下將原來的高電位端接地，從而可得到負電壓輸出。

式中：Pin為輸入總功率;Lout為負載LED上流過的總電流;VLED為LED的正向導通壓降;M為電荷泵的升壓倍數;Iq為電荷泵功率管的驅動電流和其他模塊的靜態電流。由上式可以看出，電荷泵的升壓倍數M越大，電荷泵的轉換效率越低，因此，在滿足LED驅動電壓，即Vout> VLED的條件下，要盡量使電荷泵工作在低升壓倍數的模式下。

1.3 電感式開關穩壓驅動器

電感式開關穩壓驅動器簡稱開關電源(Switching Power Supply)，因電源中起調整穩壓控制功能的器件始終以開關方式工作而得名。早期的開關電源頻率僅為幾千赫茲，當頻率達到10 kHz左右時，變壓器、電感等磁性元件發出很刺耳的噪聲，直到20世紀70年代，開關頻率突破了人耳聽覺極限的20 kHz，噪聲問題才得以解決。隨著開關頻率的不斷提升，驅動器的體積減小，效率提高。20世紀80年代，出現了采用準諧振技術的零電壓和零電流開關電路，也就是軟開關技術。這種電路使開關開通或關斷前的電壓、電流分別為零，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高，從而使開關電源進一步向體積小、重量輕、效率高、功率密度大的方向發展。