摘  要： 提出了一种新的推挽功率管驱动信号的死区加入方法，并结合负压电荷泵理论设计了一种通过移频键控控制信号实现LED准恒流调节的方法。该方法可以实现对电流的线性调节，满足中小功率LED对于能量利用效率和延长使用寿命的要求。
关键词： 电荷泵；移频键控；死区；正反馈；LED恒流驱动

    LED照明被视为最有前途的固态半导体照明[1]，灯具质量和使用寿命在很大程度上取决于其驱动电路的设计。LED发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的光衰，过弱会影响其亮度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度[2]。但由于恒流驱动要求驱动管工作在放大状态，所以自身发热严重，且很难提高其能量利用效率[3]。由于脉宽调制（PWM）驱动方式中驱动管工作于开关状态，自身发热大大降低，其优点在一些设计中得到了充分利用[4]，但LED承受频繁的浪涌电流冲击的代价是加速了LED灯珠的光衰，大大降低了使用寿命。针对这一矛盾，本文提出基于移频键控和负压电荷泵技术相结合的LED准恒流驱动方案。采用一种新方式为驱动电路内部的推挽场效应对管提供一定的死区，有效地避免了驱动管瞬间同时导通所带来的尖峰脉冲。通过Protel99se制板及调试，对该方案相关问题进行了研究。
1 电路总体设计方案
    系统由基准电压信号发生器、受控电源、驱动缓冲器、负压电荷泵LED驱动器、电压检测变换器组成。整体系统框图如图1所示。其中受控电源通过内部负反馈控制输出与基准电压相等，输出VCC为后级供电；驱动缓冲器接收调光控制器输出的移频键控信号并进行缓冲，提升其带负载能力；负压电荷泵通过对电容的高速充放电，实现对LED的准恒流驱动；电压检测变换器检测处理前级电压Feedback并对开关电源进行反馈控制，以修正输出电压值VCC，提升调光准确性。

2 电路设计
    电路中的参考电压源VREF采用输出电压精准的能隙电压源；调光控制信号由单片机中断产生，为保证调光精度，单片机的晶振频率不低于12 MHz；受控电压源应采用高效率的小功率开关电源[5]。本设计重点对缓冲器、电荷泵LED驱动器、电压检测变换器进行设计介绍，通过Protel99se进行电路板设计。
2.1 驱动缓冲器设计
    驱动缓冲器电压要求能够满幅输出、响应速度快、电压上升和下降过渡时间短，同时要求推挽输出管要有一定的死区，以避免功率场效应管因瞬间同时导通产生尖峰脉冲和不必要的功耗。为了降低信号夹杂的噪声和成本，驱动缓冲器采用分立元件构成，采用互补推挽晶体管及功率场效应对管构成，由硬件形成必要的死区，由于没有应用电容元件，电路响应速度较快。整体结构如图2所示。

    Input端接收控制器的移频键控信号，电路对其波形进行处理，加入死区，GND为地线。电路通过两个正反馈环路加速三极管的导通和截止。功率场效应管推挽输出结构，增大电路负载能力。当Input端输入信号电平经过驱动缓冲电路后控制输出端Output-1和Output-2的输出，Output-1与Output-2输出电平相反。
    当Input端输入高电平驱动信号时，Q11饱和导通，Q5截止，Q6导通，驱动缓冲电路原理如图3所示，左端的Output-1端由Q7输出电源电压，右端的Output-2端由Q10输出0 V电压；当Input输入低电平信号时，过程与前者相似。

    电路设计中充分利用驱动管及正反馈发生时各三极管不同时动作这一特点，利用其异步动作时序为两组推挽场效应管提供了一个短暂的死区，保证每组推挽功率管在同一时刻都不会同时处于导通状态。
    实验结果表明，这种方法有效地抑制了推挽管产生尖峰脉冲，对电源冲击小。当VCC=6 V时，各场效应管栅极驱动电压时序波形如图4所示。

    将此驱动缓冲电路与同种NPN三极管构成的单级反相器电路相比较，在功耗相同的条件下，前者输出端高电平和低电平的建立时间比后者小得多，因此信号传输的相移较小；当输出端接大负载时，其输出电压仅比空载时的电压略有下降，证明其有很小的输出电阻和较强的负载能力；推挽管输出端无尖峰脉冲出现，减小了对电源的冲击干扰；当VCC为10 V时，缓冲器静态空载电流消耗约为1.5 mA，因而具有很小的功耗。此驱动缓冲电路具有较好的性能：高效率、高功率因数、向电网注入的谐波电流小以及较低的成本和较小的体积重量[6]。
2.2 负压电荷泵LED驱动器
    驱动器由两组对称的电荷泵组成，VDD为电路提供电源，输入端Input-1、Input-2分别与图1中的Output-1、Output-2连接，Feedback端为电压反馈控制端口。电路结构如图5所示。

    VDD端为恒压电源，其值小于LED串联导通电压，因此在电路上电时，LED不会立即导通，随着C1负极板电压的降低，LED实现软启动，避免了电流的冲击。当Input-1和Input-2输入为高电压时，Q12和Q13饱和导通，电容C2通过电阻R15充电，C3通过电阻R16充电；当Input-1和Input-2输入为低电压时，C2、C3分别通过D1、D2给电解电容C1反向充电，C1的负极板上呈现负电压，当这个电压值达到使得LED导通的临界电压值时，电容C1电压进入动态平衡状态。单位时间内VDD供给LED的电荷量与电荷泵通过C2、C3抽走的电荷量相等，由于电感L1的滤波作用，使得LED两端电压变化极小，电流近似恒流流过。Feedback端将C1电压反馈回电源控制端，与基准电压输入端相连，经比较、放大及滤波平滑后实现对电源VCC的实时控制，保证VCC与Feedback电势差的恒定。
    下面就LED负压电荷泵驱动电路的工作原理及工作过程进行分析。
 
    

2.4 受控电压源
    要达到线性调光，驱动缓冲器电源电压必须受控。受控开关电源中开关管的每一个开关动作都在极短时间内完成，瞬间产生的脉冲电压和脉冲电流将引起EMI干扰，因此VCC中存在开关管产生的一次和高次谐波干扰，有必要在输出端加电容滤波电路，但电容值不宜过大，以防止整个系统振荡。同时必须将其在工作中产生的电磁辐射限制在一定水平内，抑制开关电源产生的干扰，并且电源本身要有一定的抗干扰能力，这些对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。另外小功率开关电源的元件需用尽量小的封装，如采用平面变压器、表贴元件、厚膜工艺、多层陶瓷布线等。要实现高效率，则需采用提高变压器效率、降低开关损耗及其他元件损耗、减小电磁干扰等措施。
    电路连接完成后，当移频键控信号频率受控产生阶跃时，由于C1容量很大，其两端电压是缓变的。受控电压源阶跃响应，相对较快的响应速度使其完全可以及时响应C1的变化，避免了系统振荡。
    电路设置恒压源VDD=10 V，LED串联数为3，单颗LED导通压降约为3.6 V。当VREF=5 V时，电压检测变换电路输出为Vout=VREF-Feedback，因此受控电压源基准电压输入为VREF-Feedback，VCC电压在VREF-Feedback处动态平衡。因而C2、C3每次充放电电量均如式(8)所示：


    由此可知，在工程允许误差范围内，I与ΔT成反比关系，根据此函数关系适当控制输入方波周期?驻T，即可实现对LED的线性调光，且调光具有较好的线性度。
    本设计为驱动方法的研究和实际应用提供了参考。推挽功率管输出端没有尖峰脉冲出现，体现出推挽管死区电压加入方案的有效性；由实验结果可知，根据I与?驻T的函数关系适当改变调光方波驱动信号的周期?驻T可以线性控制流过LED的电流，且当调光控制信号频率在2.5 kHz~7 kHz之间时，调光可达到较好的线性度，且电流波动小，可有效减小LED光衰，延长使用寿命。单颗LED输出功率大于0.5 W，效率可达约90%，可将多个LED灯珠串联，总功率足以满足照明需求，因而有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 胡建人，秦会斌，王卉，等.我国LED照明工程技术与发展策略研究[J].仪器仪表学报，2007，28(4)：196-199.
[2] 陈元灯.LED制造技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3] 江磊，江程，陈郁阳，等.LED恒流驱动电路效率研究[J].光源与照明，2008(1)：6-8.
[4] 陈春艳.模拟路灯控制系统的设计与实现[J].电子设计工程，2010，18(8)：162-164.
[5] Yu Weiqing，Wang Jianguo.The development of small power  switch power supply[J].Industrial power，2006(6)：72-74.
[6] 曲振江，周贵德.照明用无桥LED驱动电路及其输入电流谐波分析[J].电工技术学报，2008，25(6)：137-143.
[7] 郭玉，赵顺平.低噪声前置放大器有源器件的选择[J].电测与仪表，2007，44(6)：62-64.