0 引言

    LED（Light emitting diode）照明是一種新興的照明技術，是典型的綠色照明光源^[1]。在LED照明技術當中，驅動電源的性能至關重要，涉及到了LED整燈的各項電氣性能以及可靠性。LED驅動電源大致發展為開關電源和線性電源^[2]，開關電源具有效率高、功耗小的優點，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，但效率較開關電源低^[3]。在LED照明中，要求驅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，發生電解液揮發，電容容量下降等問題，使用壽命大大降低，影響了驅動電源的使用壽命，進而降低LED整燈的使用壽命^[4-6]。

    本文設計了一種去電容化的智能化分段線性恒流LED驅動電源，整個驅動電源無電解電容、變壓器、電感等大體積的元器件。電路采用分段工作方式，可以實現對輸入電壓的自適應分段工作，提高了功率因數(Power Factor，PF)。電路內部集成了四段高壓功率MOSFET，除整流橋和采樣電阻外，驅動電源的其余部分可集成在單顆芯片上。芯片電路中設置了使能擴展控制端，可接受外部感應信號，控制LED輸出電流的變化，實現智能化控制。理論分析和仿真驗證結果表明，電路的設計正確，且各項性能指標均滿足預期要求。

1 驅動電源電路設計

    傳統的開關型LED驅動電源中一般含有大電解電容和高頻變壓器，導致LED驅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的開關型LED驅動電源的系統框圖。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電-磁-電的變換?？梢妭鹘y的開關型LED驅動電源在電路結構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驅動電源可以有效地解決以上問題。

    圖2所示為本文設計的智能化的分段線性恒流LED驅動電源的系統框圖。驅動電路可以避免使用大電解電容和高頻變壓器，根據整流之后的電壓變化，自適應地控制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燈珠串聯形式，Rsen采用外置精確電阻。輸入電壓經高壓穩壓降壓電路輸出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；電平轉換模塊可以將外部感應信號電平轉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。高壓穩壓降壓電路可在第一串燈珠正向導通前穩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的正向導通電壓后，第一組線性恒流電路中的LDMOS1處于導通狀態，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的正向導通電壓后，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，從而關斷了第一組的LDMOS1，LED燈串N1、LED燈串N2和LDMOS2構成一條支路，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。

    外部感應信號可通過電平轉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 電路設計

    圖3為智能化分段線性恒流LED驅動電源的電路設計結構。

    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。

    高壓穩壓降壓電路2，由高壓管LDMOS0和電容C0構成RC充電支路，并通過穩壓值為5.8 V的齊納二極管Zener1穩壓，供前置基準電壓源和線性穩壓器工作。前置基準電壓源產生V_ref1作為線性穩壓器的參考電壓，OPA0根據電阻反饋網絡中電阻R₈上的壓降變化調節Mp40的柵壓，使得輸出電壓VDD穩定，VDD可以用式(1)計算：

式中μ_pC_ox為功率管的工藝參數，W/L為寬長比，V_od為過驅動電壓。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絡3部分構成?；鶞孰妷涸蠢镁哂邢喾吹臏囟认禂惦妷旱臋嘀匾院线m的比例相加得到具有零溫度系數的基準電壓^[9]。運放OPA5輸出與反向端相連構成緩沖器，基準電壓經過緩沖器后可以得到V_ref2，經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。電阻分壓網絡加入一個開關管Mn13，可以根據使能信號EN控制Mn13的導通與截止，從而改變電阻分壓網絡的比例，使得輸出參考電壓發生變化。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，調節LDMOS1使得輸出電流穩定^[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。

    電平轉換電路8，外部感應的信號EN_Vin通過電平轉換電路后可以將外部感應信號EN_Vin調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。

    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成。

3 仿真與結果分析

    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果。從仿真結果可以看出在輸入電壓周期內，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；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電流變化仿真結果。從仿真結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，電路的瞬態精度誤差僅為0.031%。

    圖6為多值輸出參考電路的仿真結果，電路在5 ms的時候啟用使能信號EN_Vin。從仿真結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果。電路在5 ms的時候啟用使能信號EN_Vin，從仿真結果可以看出在前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，電路可實現了智能化控制。

4 結束語

    在LED照明技術當中，驅動電源是至關重要的，提高驅動電源的性能有利于推動LED照明技術的發展。本文所設計的智能化分段線性恒流LED驅動電源芯片，無需大電解電容和變壓器，有效提高了驅動電源的使用壽命、縮小了體積。該芯片可以隨著輸入電壓的變化，自適應地分階段恒流工作，內部集成了完善的保護電路，確保電路穩定性和可靠性。驅動芯片電路中還設計了智能拓展功能，可支持LED智能照明擴展控制。仿真結果表明，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，電流的瞬態精度誤差僅為0.031%。電路可接受外部感應信號，從而控制電路處于兩種不同的輸出電流狀態。該驅動芯片具有小體積、易集成、可擴展智能控制等優點，有利于提高LED驅動電源的性能。

參考文獻

[1] 陳大華.綠色照明LED使用技術[M].北京：化學工業出版社，2009：12-15.

[2] 王金城，李有楨，陳靜波，等.交流LED驅動電路之研究[J].照明工程學報，2006，17(4)：16-18.

[3] WANG B，RUAN X B，YAO K，et al.A method of reducing the peak-to-average ratio of LED current for electrolytic capacitor-less AC-DC drivers[J].Trans.on Power Electronics，2010，25(3)：592-601.

[4] LI Y，GUO W，ZHU Z M.A high efficiency and factor，segmented linear constant current LED driver[J].Journal of Semiconductors，2015，36(4)：1-7.

[5] 艾炎，溫浩.分段式高壓線性恒流源LED驅動技術[J].數字技術與應用，2015(1)：89-90.

[6] WU H，TU W C.Controllable and dimmable AC LED driver based on FPGA to achieve high PF and low THD[J].2013(9)：1330-1332. 

[7] 陳躍.高效降壓型DC_DC電源管理芯片XD1129的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[8] WU C，HUI S Y .Elimination of an electrolytic capacitor in AC/DC light-emitting diode(LED) driver with high input power factor and constant output current[J].IEEE Trans Power Electron.2012，27(3)：1598-1602.

[9] 張龍，馮全源，王丹.一種帶曲率補償的高精度帶隙基準源設計[J].微電子學，2015，45(2)：222-224.

[10] 葉文峰，楊志豪，陳凱，等.LED照明用分段線性恒流驅動電源設計[J].中國照明電器，2015(2)：16-18.

作者信息：

蘇藝俊1，馬  奎1，2，胡  銳3，楊發順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）