摘 要： 提出了一種新的推挽功率管驅(qū)動信號的死區(qū)加入方法，并結(jié)合負(fù)壓電荷泵理論設(shè)計(jì)了一種通過移頻鍵控控制信號實(shí)現(xiàn)LED準(zhǔn)恒流調(diào)節(jié)的方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)對電流的線性調(diào)節(jié)，滿足中小功率LED對于能量利用效率和延長使用壽命的要求。
關(guān)鍵詞： 電荷泵；移頻鍵控；死區(qū)；正反饋；LED恒流驅(qū)動
LED照明被視為最有前途的固態(tài)半導(dǎo)體照明[1]，燈具質(zhì)量和使用壽命在很大程度上取決于其驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。LED發(fā)光的強(qiáng)度由流過LED的電流決定，電流過強(qiáng)會引起LED的光衰，過弱會影響其亮度，因此，LED的驅(qū)動需要提供恒流電源，以保證功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度[2]。但由于恒流驅(qū)動要求驅(qū)動管工作在放大狀態(tài)，所以自身發(fā)熱嚴(yán)重，且很難提高其能量利用效率[3]。由于脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動方式中驅(qū)動管工作于開關(guān)狀態(tài)，自身發(fā)熱大大降低，其優(yōu)點(diǎn)在一些設(shè)計(jì)中得到了充分利用[4]，但LED承受頻繁的浪涌電流沖擊的代價(jià)是加速了LED燈珠的光衰，大大降低了使用壽命。針對這一矛盾，本文提出基于移頻鍵控和負(fù)壓電荷泵技術(shù)相結(jié)合的LED準(zhǔn)恒流驅(qū)動方案。采用一種新方式為驅(qū)動電路內(nèi)部的推挽場效應(yīng)對管提供一定的死區(qū)，有效地避免了驅(qū)動管瞬間同時(shí)導(dǎo)通所帶來的尖峰脈沖。通過Protel99se制板及調(diào)試，對該方案相關(guān)問題進(jìn)行了研究。
1 電路總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)由基準(zhǔn)電壓信號發(fā)生器、受控電源、驅(qū)動緩沖器、負(fù)壓電荷泵LED驅(qū)動器、電壓檢測變換器組成。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中受控電源通過內(nèi)部負(fù)反饋控制輸出與基準(zhǔn)電壓相等，輸出VCC為后級供電；驅(qū)動緩沖器接收調(diào)光控制器輸出的移頻鍵控信號并進(jìn)行緩沖，提升其帶負(fù)載能力；負(fù)壓電荷泵通過對電容的高速充放電，實(shí)現(xiàn)對LED的準(zhǔn)恒流驅(qū)動；電壓檢測變換器檢測處理前級電壓Feedback并對開關(guān)電源進(jìn)行反饋控制，以修正輸出電壓值VCC，提升調(diào)光準(zhǔn)確性。
2 電路設(shè)計(jì)
電路中的參考電壓源VREF采用輸出電壓精準(zhǔn)的能隙電壓源；調(diào)光控制信號由單片機(jī)中斷產(chǎn)生，為保證調(diào)光精度，單片機(jī)的晶振頻率不低于12 MHz；受控電壓源應(yīng)采用高效率的小功率開關(guān)電源[5]。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)對緩沖器、電荷泵LED驅(qū)動器、電壓檢測變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹，通過Protel99se進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)。
2.1 驅(qū)動緩沖器設(shè)計(jì)
驅(qū)動緩沖器電壓要求能夠滿幅輸出、響應(yīng)速度快、電壓上升和下降過渡時(shí)間短，同時(shí)要求推挽輸出管要有一定的死區(qū)，以避免功率場效應(yīng)管因瞬間同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生尖峰脈沖和不必要的功耗。為了降低信號夾雜的噪聲和成本，驅(qū)動緩沖器采用分立元件構(gòu)成，采用互補(bǔ)推挽晶體管及功率場效應(yīng)對管構(gòu)成，由硬件形成必要的死區(qū)，由于沒有應(yīng)用電容元件，電路響應(yīng)速度較快。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
Input端接收控制器的移頻鍵控信號，電路對其波形進(jìn)行處理，加入死區(qū)，GND為地線。電路通過兩個正反饋環(huán)路加速三極管的導(dǎo)通和截止。功率場效應(yīng)管推挽輸出結(jié)構(gòu)，增大電路負(fù)載能力。當(dāng)Input端輸入信號電平經(jīng)過驅(qū)動緩沖電路后控制輸出端Output-1和Output-2的輸出，Output-1與Output-2輸出電平相反。
當(dāng)Input端輸入高電平驅(qū)動信號時(shí)，Q11飽和導(dǎo)通，Q5截止，Q6導(dǎo)通，驅(qū)動緩沖電路原理如圖3所示，左端的Output-1端由Q7輸出電源電壓，右端的Output-2端由Q10輸出0 V電壓；當(dāng)Input輸入低電平信號時(shí)，過程與前者相似。
電路設(shè)計(jì)中充分利用驅(qū)動管及正反饋發(fā)生時(shí)各三極管不同時(shí)動作這一特點(diǎn)，利用其異步動作時(shí)序?yàn)閮山M推挽場效應(yīng)管提供了一個短暫的死區(qū)，保證每組推挽功率管在同一時(shí)刻都不會同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法有效地抑制了推挽管產(chǎn)生尖峰脈沖，對電源沖擊小。當(dāng)VCC=6 V時(shí)，各場效應(yīng)管柵極驅(qū)動電壓時(shí)序波形如圖4所示。
將此驅(qū)動緩沖電路與同種NPN三極管構(gòu)成的單級反相器電路相比較，在功耗相同的條件下，前者輸出端高電平和低電平的建立時(shí)間比后者小得多，因此信號傳輸?shù)南嘁戚^小；當(dāng)輸出端接大負(fù)載時(shí)，其輸出電壓僅比空載時(shí)的電壓略有下降，證明其有很小的輸出電阻和較強(qiáng)的負(fù)載能力；推挽管輸出端無尖峰脈沖出現(xiàn)，減小了對電源的沖擊干擾；當(dāng)VCC為10 V時(shí)，緩沖器靜態(tài)空載電流消耗約為1.5 mA，因而具有很小的功耗。此驅(qū)動緩沖電路具有較好的性能：高效率、高功率因數(shù)、向電網(wǎng)注入的諧波電流小以及較低的成本和較小的體積重量[6]。
2.2 負(fù)壓電荷泵LED驅(qū)動器
驅(qū)動器由兩組對稱的電荷泵組成，VDD為電路提供電源，輸入端Input-1、Input-2分別與圖1中的Output-1、Output-2連接，F(xiàn)eedback端為電壓反饋控制端口。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
VDD端為恒壓電源，其值小于LED串聯(lián)導(dǎo)通電壓，因此在電路上電時(shí)，LED不會立即導(dǎo)通，隨著C1負(fù)極板電壓的降低，LED實(shí)現(xiàn)軟啟動，避免了電流的沖擊。當(dāng)Input-1和Input-2輸入為高電壓時(shí)，Q12和Q13飽和導(dǎo)通，電容C2通過電阻R15充電，C3通過電阻R16充電；當(dāng)Input-1和Input-2輸入為低電壓時(shí)，C2、C3分別通過D1、D2給電解電容C1反向充電，C1的負(fù)極板上呈現(xiàn)負(fù)電壓，當(dāng)這個電壓值達(dá)到使得LED導(dǎo)通的臨界電壓值時(shí)，電容C1電壓進(jìn)入動態(tài)平衡狀態(tài)。單位時(shí)間內(nèi)VDD供給LED的電荷量與電荷泵通過C2、C3抽走的電荷量相等，由于電感L1的濾波作用，使得LED兩端電壓變化極小，電流近似恒流流過。Feedback端將C1電壓反饋回電源控制端，與基準(zhǔn)電壓輸入端相連，經(jīng)比較、放大及濾波平滑后實(shí)現(xiàn)對電源VCC的實(shí)時(shí)控制，保證VCC與Feedback電勢差的恒定。
下面就LED負(fù)壓電荷泵驅(qū)動電路的工作原理及工作過程進(jìn)行分析。
2.4 受控電壓源
要達(dá)到線性調(diào)光，驅(qū)動緩沖器電源電壓必須受控。受控開關(guān)電源中開關(guān)管的每一個開關(guān)動作都在極短時(shí)間內(nèi)完成，瞬間產(chǎn)生的脈沖電壓和脈沖電流將引起EMI干擾，因此VCC中存在開關(guān)管產(chǎn)生的一次和高次諧波干擾，有必要在輸出端加電容濾波電路，但電容值不宜過大，以防止整個系統(tǒng)振蕩。同時(shí)必須將其在工作中產(chǎn)生的電磁輻射限制在一定水平內(nèi)，抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，并且電源本身要有一定的抗干擾能力，這些對保證電子系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。另外小功率開關(guān)電源的元件需用盡量小的封裝，如采用平面變壓器、表貼元件、厚膜工藝、多層陶瓷布線等。要實(shí)現(xiàn)高效率，則需采用提高變壓器效率、降低開關(guān)損耗及其他元件損耗、減小電磁干擾等措施。
電路連接完成后，當(dāng)移頻鍵控信號頻率受控產(chǎn)生階躍時(shí)，由于C1容量很大，其兩端電壓是緩變的。受控電壓源階躍響應(yīng)，相對較快的響應(yīng)速度使其完全可以及時(shí)響應(yīng)C1的變化，避免了系統(tǒng)振蕩。
電路設(shè)置恒壓源VDD=10 V，LED串聯(lián)數(shù)為3，單顆LED導(dǎo)通壓降約為3.6 V。當(dāng)VREF=5 V時(shí)，電壓檢測變換電路輸出為Vout=VREF-Feedback，因此受控電壓源基準(zhǔn)電壓輸入為VREF-Feedback，VCC電壓在VREF-Feedback處動態(tài)平衡。因而C2、C3每次充放電電量均如式(8)所示：
由此可知，在工程允許誤差范圍內(nèi)，I與ΔT成反比關(guān)系，根據(jù)此函數(shù)關(guān)系適當(dāng)控制輸入方波周期?駐T，即可實(shí)現(xiàn)對LED的線性調(diào)光，且調(diào)光具有較好的線性度。
本設(shè)計(jì)為驅(qū)動方法的研究和實(shí)際應(yīng)用提供了參考。推挽功率管輸出端沒有尖峰脈沖出現(xiàn)，體現(xiàn)出推挽管死區(qū)電壓加入方案的有效性；由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，根據(jù)I與?駐T的函數(shù)關(guān)系適當(dāng)改變調(diào)光方波驅(qū)動信號的周期?駐T可以線性控制流過LED的電流，且當(dāng)調(diào)光控制信號頻率在2.5 kHz~7 kHz之間時(shí)，調(diào)光可達(dá)到較好的線性度，且電流波動小，可有效減小LED光衰，延長使用壽命。單顆LED輸出功率大于0.5 W，效率可達(dá)約90%，可將多個LED燈珠串聯(lián)，總功率足以滿足照明需求，因而有廣闊的應(yīng)用前景。
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