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0431-81702023
LED
驱动白光LED技术综述

驱动白光LED技术综述

彭 龑   李晓寒   何华平

(四川理工学院计算机学院,四川自贡643000

摘要

简要介绍新兴环保光源———白光LED的发展历程及发光原理,重点介绍几种典型的LED驱动技术,展望白光LED作为新一代照明光源的应用前景。

关键词  LED驱动  电荷泵  恒流源  开关电源  白光LED

OverviewontheTechnologyofDrivingWhiteLED

PengYan  LiXiaohan  HeHuaping

InstituteofAutomationandElectronic-information,(SichuanUniversityofScienceEngineeringSichuanZigong643000

Abstract

WhiteLEDisakindofmodernburgeoninglightsourcewiththeadvantagesofenvironmentalprotectionandenergy-saving.InthispapertheprincipleanddevelopmentofwhiteLEDsandseveraltypicalLED-drivingcircuitsareintroduced.AlsotheprospectforwhiteLEDasanewgenerationoflightsourceispresented.

Keywords:LEDdriverchargepumpconstantcurrentsourceswitchingpowersupplywhiteLED

引言

20世纪60年代,IBM、惠普等多家公司利用LPE技术共同开发出低效的红光LED70年代,随着LED在小型显示屏中的使用,LED得到了飞速发展,发光效率有了大幅提升,出现了高光效的红色LED80年代,高效GaAlAs和超高效InGaAlP发光材料被成功开发,使LED的发光效率得到进一步提高。之后随着蓝色和绿色LED的出现使LED拥有了红、绿、蓝三基色,而后白光LED的诞生使LED开始向普通照明领域挺进。目前所用的照明光源,白炽灯和卤钨灯的光效为1224lm/W,荧光灯和HID灯的光效为50140lm/W2008年白光LED的光效已达到100lm/W,已接近荧光灯和HID灯。据预测,到2015年,LED光效可望达到150200lm/W,工作电流可达安培级。白光LED具有体积小、发光热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、可平面封装等其他传统光源所不具备的优点,在21世纪内,其必将取代传统光源成为照明的主要工具。

1白光LED发光原理

如图1所示,在LEDPN结处有发光层,当有电流流入时,在该处的电子和空穴结合释放出能量,能量的大小为hν(h为普朗克常数,ν为频率),该能量等于半导体材料的带隙能量EgeV),所产生光的波长λ=1240/Eg。由于不同半导体材料的带隙能量不同,被激发的光波长也不同,故可以制成不同光色的LED

白光LED可分为单芯片型和多芯片型。单芯片型是使用单一芯片与相应的荧光粉组合产生白光;多芯片型是把产生不同色光的芯片封装在一起,使之混合产生白光。几种主流的白光LED组合方式见表1

白光LED的电特性与其他半导体二极管几乎无异。从其伏安特性可知,当白光LED正向导通后,其两端电压发生很小的变化会引起通过白光LED的电流很大的变化,电流和电压的变化成正比关系。在周围的温度发生变化时,白光LED的电气特性也将发生改变,正向电压随温度的升高而减小,半导体的能级也会发生变化使白光LED光色变化;而且结温升高,使空穴和电子复合的数量增加,激发光子的数量减少,会导致白光LED亮度降低。所以白光LED驱动电路最好能在输入电压和周围温度发生变化时对LED电流实现有效地控制。

2白光LED驱动技术

白光LED采用低压直流供电,要想大规模地应用于日常生活中,其驱动电路就显得十分重要。虽然现在市场上白光LED的驱动芯片多如牛毛,但是根据供电电压可将LED的驱动方案分为3种:

1)低于5V直流供电:一般应用在便携式电子产品中,驱动中小功率白光LED,主要采用升压式电荷泵变换器;

2540V(如6V9V12V24V)直流供电:这种电路一般是由稳压电源或蓄电池供电,一般采用可根据需要进行升降压功能的电路;

3)市电220V交流或高压(如40400V)直流供电:主要用于驱动大功率白光LED,采用降压式AC/DCDC/DC变换器驱动电路。

电荷泵是一种提升电压的电路,用以达到驱动白光LED的要求。而后两种,一种是维持电流恒定的恒流源,用其输出电流恒定的特点来驱动白光LED;一种则是维持输出电压恒定的开关电源。

2.1基于电荷泵的白光LED驱动电路

便携式的LED驱动电路往往会对通讯设备的发射和接收产生严重的电磁干扰。采用电荷泵升压最大的优点就是无需外部电容,从而使电磁干扰得到最大降低,具有成本低、封装尺寸小等优点。但是电荷泵升压的倍数与其升压的效率成反比,经过引进自适应电路可以大大提高电荷泵的转换效率。对于并联的LED电路,电荷泵可以提供较高的LED电流匹配,可以通过对并联LED电流的独立调整从而达到所需要的电流匹配度,使LED的亮度均匀,这种恒定的驱动电流还可以延长LED器件的寿命。

电荷泵是通过鉴频鉴相器发出的连续变化的电压信号来控制压控振荡器的振荡频率的,当UP信号输入到压控振荡器时,随着压控端电压的改变,振荡频率也随之改变。当振荡频率和相位与参考信号相同时,电荷泵则会保持一个常量,从而驱动外部的白光LED。但是在用电荷泵驱动白光LED时,有时会出现很多非理想效果,如电荷泄漏、充放电电流失配、电荷共享、泵开关延迟等。图2为电荷泵的基本工作原理图。

由于电荷泵充放电会引起电流失配和泵开关延时的问题,因此会引起相位偏差,如式(1)所示,|e|=2πΔtTrefI+ΔiI()1=2πΔt∞ΔiTrefI1)式中,e———相位偏差,rad;Δt∞———开通时间,sTref———参考时钟周期,sI———电荷泵的电流,A;Δi———充放电流偏差,A

由式(1)可知,在参考时钟周期Tref一定的情况下,减小充放电流偏差Δi或开通时间Δt∞与增大电荷泵电流I都有利于减小相位偏差。但是由于鉴频鉴相器具有死区效应,所以需要一定的开通时间,因此,增大电荷泵电流I是减小此类相位误差的行之有效的手段。

由于在电荷泵的充放电电流源之间的漏极存在寄生电容,而且这两个寄生电容上的电荷量发生的变化是不同的,因此会有剩余电荷流入环路滤波器中,从而导致压控振荡器的压控电压发生变化,产生严重的纹波干扰。通常引入电路的差分结构可以有效地减小电荷共享。

2.2基于恒流源的高亮白光LED驱动电路

恒流源是向电路提供恒定电流的电路,一般可以分为理想恒流源和理想线性压控恒流源,伏安特性曲线如图3所示。

在驱动高亮白光LED时,大多希望出现理想恒流源伏安特性。图4为恒流源的工作原理图。假设1WLED需要的驱动电流为350mA,某种特定的情况使得流过LED的电流减小,恒流源的采样电路把这种电流的变化放大后传递给恒流源的控制电路,控制电路做出相应处理,增大输出脉冲的宽度,从而达到增大次级输出电压的目的,使流过LED的电流增大,这就维持了流过LED的电流的恒定;反之,如果流过LED的电流增大,则会实现相反的控制过程。这种基于负反馈思想的设计具有十分明显的优点:当外部环境发生变化时,引起LED两端的电压变化,无论流过LED的电流发生多大的变化,恒流源电路总会快速调整来维持流过LED的电流恒定。

影响恒流源稳定的因素很多,其中主要的两项是基准电压和取样电阻。所以在设计制作用于驱动白光LED的恒流源时,应着重注意恒流源电路中基准电压和取样电阻的正确选择。另外,因为串联的LED个数不同,所需要的输出功率不同,应根据所要驱动的串联LED的个数来确定控制电路的控制芯片。设计中还要注意尽量降低漏感,否则会产生相当大的反向尖峰电压,可能造成芯片击穿。恒流源电路的工作速度要快,这样可以保证电流的调整速度,更好地保证LED工作的稳定性。

2.3基于开关电源的高亮白光LED驱动电路

开关电源由脉冲宽度调制(PWM)控制ICMOSFET等构成,它采用脉冲宽度调制技术,通过调制一系列脉冲,控制电路中开关管开通和关断的时间比例来有效地产生波形。在输入电压、内部参数以及外接负载变化时,控制电路会通过被控信号与基准信号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,从而得到相对稳定的电压输出。图5为开关电源基本工作原理示意图。

单极性矩形脉冲的宽度决定了输出直流的平均电压值,脉冲的宽度越宽,其输出直流的平均电压值越高。输出的直流平均电压可以根据公式(2)进行计算,

Uo=UmT1T(2

式中,

Uo———输出直流电压,VUm———矩形脉冲最大电压,VT———矩形脉冲周期,sT1———矩形脉冲宽度,s

由式(2)可知,当UmT不变时,直流平均电压与脉冲宽度成正比。只要设法使脉冲宽度随所需的稳压电源输出电压的增高而变宽,就可以达到稳定电压的目的。

在选用开关电源来驱动白光LED时,其稳定性极其重要,但是由于各种因素的影响,开关电源很难在整个工作过程中保持稳定,主要表现在关键点波形不稳定,因此需要使用示波器来观测电路关键点的电量波形。考虑到理论分析和实际分布参数的影响,如果在输入和负载发生明显变化时,所测得的波形保持不变或者变化比较平稳,则认为该电源基本保持稳定;反之,如果出现较大的抖动、脉冲缺失、振荡等,则表明此开关电源基本难于实现稳定的输出,不能用于驱动白光LED

3结束语

作为新一代绿色节能光源,白光LED必将取代白炽灯和荧光灯应用于普通照明领域,而其驱动电路将日趋多样化,因此高效、稳定的白光LED驱动电路的设计变得十分关键。为增强我国白光LED照明产品的市场竞争力,业内人士应共同努力做好LED驱动电路的研发工作。