基于DC-DC的白光LED驱动电路的研究与设计

摘要：LED 由于环保、寿命长、低耗电量等特性，近年来在各行业得以快速应用及发展，LED驱动电路的研究与设计也成了关注热点。通过设计升压式 DC-DC 转换芯片，采用 PWM 控制方式和电流控制模式，对外接串联的 LED 进行驱动。然后用Spectre软件完成了总体电路的模拟和仿真，通过对其结果分析，表明系统能够稳定工作，并且达到设计指标要求。

关键词：DC-DC；白光 LED；驱动电路；PWM

中图分类号：TN432 文献标识码：A

Research and Design of White LED Driver Based on DC/DC

ZHAN Jun，MA Xiao-jun

(College of Automation，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009,China)

Abstract: LED has developed rapidly in recent years because of its characteristic, such asenvironmental, durable and low power consumption etc. The research and the design of LED drives also become popular. This paper designs the boost DC/DC circuits with PWM dimming and current-mode control to drive the load LEDs. Then it simulated with the Spectre software and the results show that this system can work properly and can also meet the design requirements.

Key words: DC-DC；white LED；drive circuit；PWM

随着半导体照明技术的发展，LED作为新型的照明器件，具有安全、环保、高效、节能和使用寿命长等特性，得到了广泛的应用。而白光LED将代替白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，成为21世纪的新一代光源，其应用前景十分巨大，因此对白光LED驱动电路的研究有重要的理论意义和应用价值。

1白光LED驱动方式

目前，LED照明的应用主要集中在两个方向上，一个是需要高亮度照明的应用场合，包括大平面液晶的背光照明、汽车用照明、家用及户外照明等，对于这种大功率的照明应用场合，LED在功耗和寿命上面的优势很明显。另一个是低亮度应用场合，包括手机、PDA等小型便携式电子产品的背光照明，电子仪表的照明等。随着这些便携式电子产品的液晶显示屏从黑白背景换成了彩色背景，要显示色彩丰富逼真的图像，就必须放弃有色LED作为液晶背光照明的方案，而采用白光LED照明方案[1]。

由于对亮度均匀性的要求及其自身的特点，白光LED需要有适合的驱动电路才能达到满意的发光效果。目前，白光LED驱动电路按照负载连接方式分为：并联型、串连型和串并混联型；从提供驱动源的类型分为：电压驱动型和电流驱动型。通常白光LED的驱动分类是结合上面两种分类，分为以下四种常用的电源驱动：①电压源加镇流电阻；②电流源加镇流电阻；③多路电流源；④磁升压方式驱动串联LED。

2开关电源 DC-DC 转换器

原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换的问题。开关稳压电压简称开关电源（switching power supply），因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。

开关电源DC-DC转换器由控制级电路和功率级电路组成，功率级主要由电感、电容、开关管和整流管组成。在开关管闭合的时候，将能量储存在电感中，在开关管关断的时候，电感中的能量会通过整流管进入到电容，这样就实现了能量的传输和转换。

2.1开关电源 DC-DC 转换器的分类

DC-DC转换器的功率级有几种拓扑结构，由于开关以及滤波元件的组合位置不同，最后产生的直流电压和输入电压的大小关系也不同。如果比输入电压大,称之为升压型转换器；如果比输入电压小,称为降压型转换器；既可以比输入电压大，也可以比输入电压小，则称之为升降压型转换器，它们都是从相同的基本单元经过一些变换得到的。而控制级电路主要是利用输出量的反馈，产生一定的方波信号来控制开关管，从而得到稳定的输出电压[2]。

（1）Boost 变换器――升压变换器，其输出平均电压 Vo 大于输入电压 Vin，极性相同；

（2）Buck 变换器――降压变换器，其输出平均电压 Vo 小于输入电压 Vin，极性相同；

（3）Buck－Boost 变换器――降压或升压变换器，其输出平均电压 Vo 大于或小于输入电压 Vin，极性相反，电感传输。

2.2 PWM 控制基本原理

大部分DC/DC变换器都是通过控制功率MOSFET导通时间和脉冲周期之比（即占空比）来改变输出电压的，这种控制方式通常称为脉冲宽度调制（PWM）[3]。在PWM控制器中，对输出电压Vo进行检测，并采样Vf=KVo的电压反馈，加至运放的同相输入端，一个固定的参考电压VR加至运放的反相输入端。放大后输出直流误差电压Ve加至PWM比较器的反相输入端；将固定频率振荡器产生的方波，经锯齿波发生器产生锯齿波信号Vosc，加至PWM比较器的同相输入端。Ve和Vosc经PWM比较器比较后输出一个方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压Ve变化，这样就实现了脉宽调制。图1是PWM控制波形的示意图。

PWM DC-DC 转换器具有很高的效率，其原因是开关晶体管的耗散功率小，在开关管导通的时候，由于开关晶体管的饱和压降非常低，即使流过的电流较大，总的消耗功率较小；在开关管截止时，流过晶体管的电流很小，消耗的功率仍然很小，开关电源总的消耗功率能保持在较低的水平，其大小基本与负载电路无关，具有较高的效率。

2.3升压式 DC-DC 开关变换器的工作模式

升压式DC-DC开关变换器的工作模式是依据流经电感的电流是否降为零来区分，一般可区分为两种工作模式[4]：

（1）连续导通模式(continuous-conduction mode; CCM)；

（2）不连续导通模式(discontinuous conduction mode; DCM)。

当流过电感的电流不会降为零时，定义转换器工作在连续导通模式，而当其电感电流将会降为零时，定义转换器工作在不连续导通模式，亦即流经电感器之电流为不连续。

3PWM升压式DC-DC转换器内部电路的设计

本文设计的芯片是升压式 DC-DC 转换芯片，采用 PWM 控制方式和电流控制模式，对外接串联的 LED 进行驱动，有两个反馈回路，一个是通过采样电压监视输出电压的环路，另一个是功率开关管的电流检测回路环路。总的电路原理框图如图 2 所示。图中，由外部分压电阻反馈回来的电压从反馈信号输入脚 FB 输入，电流反馈从功率开关管发射极电阻上取样。

升压式DC-DC变换器的基本电路是由1.2MHz振荡器、斜坡发生器、RS触发器、带隙基准电路、误差放大器A1、PWM比较器A2、电流采样回路和开关管驱动器组成的。

1.25V基准电压源经两个电阻分压后产生95mV的基准电压，输入误差放大器A1的同相端，其反相端接与检测流过LED电流成比例的反馈电压，误差放大器A1的输出端接PWM比较器A2的反相端。振荡器产生1.2MHz的方波，输入斜坡信号发生器上，产生相应的斜坡信号。一个正比于开关电流的电压加到稳定的斜坡电压上，其总和送到PWM比较器A2的同相端。比较结果输入RS触发器以控制开关管的导通。

误差放大器是将反馈回来的电压同95mV的基准电压进行比较，将其差值放大，并输入到PWM比较器的反向端，这个差值将与来自同向端的信号进行比较，并将输出信号输入到触发器的R端，触发器的S端接振荡器产生的1.2MHz的方波信号，在每一个振荡器周期中，RS触发器以一定的占空比来控制开关管的导通及截止。当这个电压超过A2反相端的电压时，RS触发器复位，关闭开关管。

误差放大器设定了正确的开关管峰值电流的大小来保持输出电流的稳定。如果误差放大器A1输出电压有增加（说明流经LED的电流小了），则需要增加PWM的占空比，使有更多的电流提供输出以保证电流的稳定。

设计指标：

输入电压范围：2.5～10V

工作环境温度：-40°C～85°C

最大输出电流：20mA

芯片转换效率：85%

开关频率：1.2MHz

4电路总体仿真

根据总体设计，电路是用来驱动串联白光LED均衡发光，图3为应用电路，输入偏置电容为1uF，输出电容为0.22μF，储能电感大小为22μH，升压二极管采用低压降的高速肖特基二极管，R1串联在LED支路中，用来检测LED电流大小，将采样值输入反馈端 FB。

用Spectre对整个电路进行模拟，输入电压为3V，可以得到输出信号波形。同时可以测得流过负载的电流波形，以及当使能控制为低时的静态电流，分别如图4、5、6。由图 4，电路为开关型输出，输出电压纹波小于100mV。图 4 在检测电阻为 4.75Ω时，负载电流为20mA。

跟据上面的模拟结果可以看出，作为 LED 驱动电路，系统能够达到设计要求，能够提供稳定的工作环境。

参考文献

[1]周志敏,周纪海,纪爱华. LED驱动电路设计与应用[M].人民邮电出版社.2006, 北京.

[2]张占松.开关电源的原理与设计(修订版) [M]. 北京电子工业出版社.2002, 北京.

[3]刘岩,常估,田立欣. 电流控制型开关电源[J]. 现代电子技术.2001(10):60-63.

[4]王海永,李永明等. 便携式电子系统的 DC/DC开关电源系统结构设计和研究[J].

固体电子学研究与发展.2002（22）：164-169.省略。