0 引言

　　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。

　　電感式開關穩壓驅動器的核心是電子開關電路，根據負載對電源提出的輸出穩壓或穩流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開關電路進行控制。在開關管閉合的時候，將電源的能量儲存在電感中，在開關管關斷的時候，電感中的能量流入電容，這樣就實現了能量的傳輸。

　　電感式開關穩壓驅動器有通常兩種控制方式：一是保持開關工作周期不變，控制開關導通時間的脈沖寬度調制方式(PWM)，該方式是在輸入電壓或負載變化時，控制電路通過輸出電壓或電流與基準電壓的差值進行閉環反饋，調節主電路開關器件的導通脈沖寬度，使得電感式開關穩壓驅動器的輸出電壓或電流保持穩定；另一種是保持導通時間不變，改變開關工作周期的脈沖頻率調制方式(PFM)，基本工作原理就是在輸入電壓或負載變化的情況下，控制電路通過輸出電壓與基準電壓的差值進行閉環反饋，在保持開關開啟時間不變的情況下，控制開關周期的長短，即控制開關頻率，來調整開關占空比，以達到穩定輸出電壓或電流的目的。由于PWM方式電路簡單，且輸入／輸出范圍較PFM方式更廣泛(PFM通常用于輕負載、低電壓、低電流情況下)，所以得到了廣泛應用，下面主要介紹兩種PWM驅動方式。

　　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、工作電壓、噪聲干擾、輸出調節、反應速度以及安裝尺寸和成本來進行比較分析。

　　2．1 整體效率

　　線性穩壓驅動器的整體效率是比較低的，主要是由于線性穩壓驅動器是依靠功率管分去多余的電壓來達到穩壓效果，而這部分功耗是完全無用的，導致了驅動器效率的下降。所以使用線性穩壓驅動器時，應盡量減少輸入與輸出電壓差，其實際轉換效率通常在50％～95％之間；由于基本電荷泵其只能倍數提供輸出電壓，其輸出電壓不能穩定在某個值上，所以通常在電荷泵電路外部連接額外的LDO，轉換成穩壓電荷泵，這樣導致了電荷泵式驅動器效率在本身功率鞘耗的基礎上，額外增加的LDO驅動器的功率消耗，效率通常在70％～85％；電感開關式驅動器以及基本電荷泵驅動器的損耗主要來自內部MOS器件靜態電流損耗、外部電容以及采樣電阻的功率損耗，其效率可達80％～90％。

　　2．2 工作電壓

　　線性穩壓驅動器由于分壓工作原理，只能進行降壓輸出，這就決定了它只能工作的輸入電壓高于LED驅動需求電壓的情況下工作；電荷泵驅動器，可進行降壓或者升壓，但如果需要進行高倍數或多模式調節輸出電壓，則需連接大量的開關和電容，使得效率大幅降低，所以一般應用于過度電壓驅動，即輸入電壓與輸出LED驅動電壓差別不大的情況；電感式開關驅動器由于利用了磁場儲能，不論是升壓、降壓還是兩者同時進行，只需調整采樣電阻的比例，就可以進行大范圍的輸出電壓調整，且不會因輸出調整改變驅動器效率，所以其應用范圍最廣，可廣泛運用于各種輸入電壓之下。

　　2．3 噪聲干擾(EMI)

　　線性穩壓驅動器由于其工作原理是采取分壓方式穩定輸出電壓，本身工作不需要電容或電感進行穩壓操作，MOS管也始終工作在線性狀態下，不需要進行關斷或開啟操作，所以本身不會產生噪聲電壓、電流和電磁干擾；電荷泵由于不采用電感，所以其EMI影響基本可以忽略，在輸出電壓過程中，MOS管需要進行開關操作，所以會產生一定的電源噪聲，但由于沒有使用電感，所以噪聲較小，可以通過外接一很小的電容消除；電感式開關驅動器是電源噪聲和EMI的主要來源，由于MOS管的頻繁開關操作，PWM會在MOS管開關的固定頻率內產生大的EMI干擾，PFM更是在其頻率的可變范圍內產生干擾，所以供應商通常需要采取提高電感式開關工作頻率的方法，使其EMI落在系統頻帶之外，另外由于電感的原因，MOS管通斷瞬間會產生較大的尖峰電流或電壓，輸出電流和電壓也存在相位差。

　　2．4 輸出調節及響應速度

　　線性穩壓驅動器可以根據產品的需要，通過調整外部采樣電阻的比例，調整MOS管的分壓，對輸出電壓進行控制，而且其電路簡單，響應速度很快；電荷泵驅動器本身不可隨意調整輸出電壓的數值，只能通過采樣電壓反饋進行倍數調節，通過串接LDO也可進行電壓調節，但這樣也會降低驅動器的響應速度，響應速度較LDO慢，電荷泵對輸出電壓調節的優勢在于它可通過簡單設計，進行正負兩種電壓的輸出，面其他兩種驅動方式則需要另外的設計電路才能達到輸出負值電壓的效果；電感式開關驅動器，對輸出電壓的調節也只需調節采樣電阻的比例，改變控制方波占空比，來調整輸出電壓，調整比較簡便，但由于電路結構復雜，需進行多次比較放大，電感的存在也進一步減慢了電壓調整的反應速度，所以響應速度最慢。

　　2．5 安裝尺寸及成本

　　線性穩壓驅動器電路構成簡單，一般只需20～40個元器件就可組成，成本低，但由于MOS管也一直處于線性區或飽和區，發熱量較大，所以需加裝大的散熱裝置，以保證散熱良好，確保系統穩定。電荷泵電路復雜程度居中，外接的電容體積也可通過提高開關頻率而減小，而且現在貼片式電容也得到了很好的應用，使得電荷泵集成度大大提高，所需安裝尺寸進一步減小。電感式開關驅動器電路最為復雜，成本最高，而且最少需外接一個電感、電容和肖特基二極管，特別是在需要屏蔽應用時，需另外加裝屏蔽裝置，成本更高，尺寸也更大。附對照表如表1所示。

　　3 LED照明實際電路應用

　　在了解了各種驅動器的工作原理和優缺點之后，可針對一些常見的LED照明驅動電路的應用情況進行簡單的分類、歸納總結。

　　3．1 鋰電池供電LED驅動

　　鋰電池電壓通常在2．5～4．5 V之間，通常采用鋰電池供電的都是便攜式設備，包括移動電話、MP4、筆記本電腦等，為了便于攜帶，設備體積小、重量輕，而且集成度高，較大的電磁干擾會對其他電路產生影響。根據便攜式設備的實際情況，LED驅動需要達到以下要求：升壓驅動；占用面積小；電磁干擾小；高轉換效率。小型設備LCD照明只需將3～9只LED串并聯使用，但對發光一致性要求高。大型設備LCD照明通常采取背光模塊的方式。背光模塊已將白光LED光源通過折射、導光以及其他一些工藝技術來處理光均勻度問題。所以對于發光的一致性要求較低。最佳電路結構是采用帶LDO的電荷泵驅動方式，這種驅動方式能升壓、占用面積小，且EMI干擾很小。

　　3．2 蓄電池供電LED驅動

　　蓄電池電壓通常在12～36 V之間，輸入電壓始終高于LED管壓降，這種情況下只需進行降壓操作即可，如太陽能路燈、機動車燈光系統等。這種情況往往對LED發光的一致性要求較低；但對于發光亮度要求較高，所以常常采用大功率LED，同時考慮到應有盡量高的效率和較低成本，其最佳方案是降壓式電感開關驅動器。

　　3．3 市電情況下的普通照明應用

　　市電供電是對LED照明最有意義的一種供電方式，是決定LED能否真正普及的一種應用，所以是LED照明必須研究和解決的重要問題。用市電供電，首要解決的是降壓、整流問題，同時考慮到LED驅動電源會對電網產生影響，還要解決好電源噪聲、電磁干擾和大功率因數問題，所以需采取電路隔離的方式，減少對電網的污染。對于中小功率的LED來說，最佳的電路結構是采用隔離式單端反激開關變換器。由于單端反激電路輸出功率能力有限，對于數百瓦以上的應用情況，應選用輸出功率更大的橋式開關變換器。

　　4 結語

　　隨著便攜式設備的迅速發展以及市電供電LED照明技術日益成熟，越來越多的設備采用了LED照明，對LED的驅動芯片的需求將進一步擴大。總之，白光LED的用途非常之廣泛，其驅動電路的設計是非常關鍵的，只有針對不同的應用環境，采取合理的驅動方式，才能在實際應用中設計出最穩定、最合理的驅動電路。