一种自适应驱动电流的LED电流纹波抑制电路设计

刘玉亭，金 星，殷景华

（1.哈尔滨理工大学 黑龙江 哈尔滨150006；2.浙江中科领航汽车电子有限公司 浙江 杭州311228）

一种自适应驱动电流的LED电流纹波抑制电路设计

刘玉亭1，2，金 星1，2，殷景华1

（1.哈尔滨理工大学 黑龙江 哈尔滨150006；2.浙江中科领航汽车电子有限公司 浙江 杭州311228）

照明LED是一种新颖光源，有着广泛的应用范围。现有的LED电路中，LED驱动电路为了满足功率因数和成本的要求，通常采用单级PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路实现。但是这种电路输出的电流纹波非常大，使得LED的发光带有两倍市电闪烁频率，造成人眼不适和LED寿命下降。针对这个问题，设计了一种LED驱动电流纹波抑制电路。可在一定范围内自动适应驱动电流的大小。采用ASMC 0.5 μ BCD工艺设计，使用Cadence ADE软件仿真电路，电流纹波抑制效果明显，幅值仅为输入的1%～3%，并可适应100 mA到1 A的驱动电流。

电流纹波抑制；LED驱动；自适应；开关电源；大电流

LED照明的效率高、寿命长、安全环保等优点已经被广泛的认知。很快就要完成继白炽灯、荧光灯之后的又一次照明革命，它将带来巨大的经济效益和社会意义。LED的普及使得LED驱动成为人们争先研究的方向。目前的LED驱动电源都不可避免的存在纹波。文中的主要目的是研究与探讨如何解决LED的纹波电流问题。

1　LED工作原理及纹波电流产生原因

LED的驱动方式和其他的传统光源有很大的不同，它有单向导通的特性，并且正向电压为负的温度系数。LED工作时一定会伴随着发光与发热，如果使用恒压的方式驱动，必然将导致正向电流不断增大，直至过热损坏。并且LED的特性一般是电流的函数，因此LED采用恒流驱动的方式才能更好的控制亮度。所以目前市面上的LED大多是恒流驱动，这样可以稳定的工作在最佳状态，这也是LED代替传统光源的一个难题[1-2]。

目前大部分的LED驱动电路都是开关电源，其工作时一定会输出纹波电流，也就是LED不是工作在恒流的情况下。开关电源有效率高、体积小、重量轻等优点，所以被广泛的用于驱动LED[3-4]。目前大多数的LED的驱动都是使用Buck、Boost、Flyback等拓扑结构的开关电源。开关电源主要有ACDC和DC-DC两种。AC-DC的基本结构为整流滤波电路，一般用4个二极管组成整流桥，然后接滤波电容。虽然使用电容滤波，其输出的直流电压中还会有交流纹波，频率为输入交流电源频率的2倍。如在中国市电频率50 Hz，那么低频输入纹波频率为100 Hz。这个交流纹波经过DC-DC后，在电源输出端会有一个100 Hz的低频纹波[5-7]。

Ron Lenk和Carol Lenk研究了纹波电流对LED的影响。当消耗功率上升时LED效率反而下降，从而使LED的光效降低[8]。

裴倩等人研究了低频电流纹波对Led光效的影响。结果纹波电流驱动LED会带来光效的损失，随着纹波幅值的增大，光效下降很明显[9]。

2　芯片主要模块设计与仿真

文中的主要设计思想为在传统的LED驱动电路的基础上增加一个为LED稳流的芯片模块如图1所示，它可以自适应LED的驱动电流并且滤掉大部分的电流纹波。

图1　设计应用框图

传统LED驱动由DC-DC直接驱动，这样不可避免的产生了电流纹波。本文提出的改进模块可以使LED工作在更稳定的状态，从而提高光效和更好的保护LED灯组。

图2　纹波抑制原理图

纹波抑制原理：如图2所示前级驱动电流通过LED灯组、功率MOS管、电阻到地。运算放大器采样电阻上端即S源级电压，形成负反馈。当前级驱动的电流有纹波时，电阻压降变化。当电流增大时，R1上电压升高，所以运算放大器输出电压降低，即功率MOS管栅极电压降低。由mos管电流公式:

栅压降低使电流Id降低。同理驱动电流降低时，Id升高。从而达到抑制纹波电流的目的[10]。

但是这种纹波抑制的方法有一种缺点，只能在特定的电流下工作，因为电阻是固定的，Vf也是固定的参考电压，电路正常工作时，运算放大器的反馈会把负输入端电压钳制到Vf。所以本电路只能适配特定的电流。即I=Vf×R。为了解决这个问题，文中设计了自适应驱动电流电路，如图3。

图3　自适应驱动电流电路框图

前级DC-DC提供驱动电流给LED，LED的另一端接M1功率管然后经过电阻R1。误差放大器和运算放大器通过采样功率管M1源级漏极电压信号控制功率管栅极从而控制功率管电流I。因为功率管M1与LED灯组为同一通路，所以就达到控制LED电流的目的[11-14]。

Bandgap为其他电路提供电流偏置和基准电压。LDO提供稳定电压为其他电路供电。OTP过温保护模块。UVLO欠压保护模块。误差放大器正输入端采样功率MOS管源级电压，负输入端接Bandgap产生的基准电压。输出端接滤波电容和运算放大的正输入，形成负反馈。这样就可以适应不同驱动电流[15]。主要通路中运算放大器与误差放大器电路图如图4。

电路使用ASMC BCD工艺完成设计与仿真。使用100 Hz正弦电流源模拟实际LED驱动上面的电流纹波。使用STTH1L06model串联模拟实际LED灯组的工作状态。首先使用典型配置R1=500、R2=100 kΩ、R3=100 kΩ、C1=1 μF，使用正弦电流源I1（DCcurrent:100 mA，Amplitude:100 mA，Frequency: 100 Hz）并联电容模拟实际前级驱动，外围电路如图5所示。

由仿真结果图可知电路成功的抑制了电流纹波如图6。上面波形为输入电流纹波，下面波形为实际驱动波形。当0.9 s后电路稳定，输出电流最大值100.48 mA最小值98.94 mA。

图4　主要通路电路图

现在分别修改输入电流来验证电路是否可以自适应不同的驱动电流。

由仿真结果图可知当驱动电流为500 mA、800 mA时，电路可以正常工作，纹波电流抑制效果很好。但当驱动电流为1 A时，电路就不能正常工作了，出现了很大的电流纹波。现在可以修改外围电路如R1、R2、R3的值让系统可以适应更大更广泛的驱动电流。如提高R2电阻这样可以提高功率管的漏级电压这样就可以适配大的驱动电流，同理也可以降低R1、R3，达到相同的作用。如提高R2到200 kΩ。

图5　仿真电路图

图6　100 mA驱动电流仿真结果

图7　500 mA驱动电流仿真结果

图8　800 mA驱动电流仿真结果

图9　1 A驱动电流仿真结果

图10　修改后1 A驱动电流仿真结果

3　结　论

由以上介绍与仿真结果可以看出本设计电路可以抑制LED驱动电流上的纹波，并且可自适应很款范围的驱动电流，从100 mA到1 A的范围内，电路均可以将100 mA的纹波电流下降到0.8～3 mA的纹波。解决了LED的纹波电流问题。

[1]肖宇迪，林健鹏，林凯，等.LED驱动并联供电系统设计[J].中国照明电器，2015（7）.

[2]田立东，周继军，秦会斌.PWM调光LED驱动器设计[J].机电工程，2012（4）:465-468.

[3]石挺.LED纹波电流效应的研究[D].上海:复旦大学物理电子学系，2013.

[4]王官涛.有源纹波补偿降压型LED驱动电源[D].重庆：重庆大学，2011.

[5]徐珍宝，沈洋，苏玲爱，等.一种反激式LED驱动电源变压器设计方法[J].中国计量学院学报，2015（1）:94-98.

[6]张普雷，史永胜，史耀华，等.大功率背光源用LED驱动电路的研究现状与进展[J].液晶与显示，2010，25（1）:68-74.

[7]黎平.LED驱动电源研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[8]Lenk R，Lenk C.Practical Lighting Design with LEDs[M]// Wiley-IEEE Press，2011.

[9]裴倩.大功率LED驱动电源对光效的影响研究[J].电力电子技术，2010，（3）:55-56.

[10]拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[11]凌朝东，梁爱梅，刘一平.恒流LDO型串联大功率白光LED驱动器的设计[J].微电子学，2009，5（5）:657-661.

[12]陈庆常.基于LDO白光LED驱动集成电路的设计[D].西安：西安理工大学，2009.

[13]党华.用于白光LED驱动器的LDO电路设计[D].南京：东南大学，2009.

[14]Ling C，Liang A，Liu Y.Design of constant current LDO driver for power white LED[J].Microelectronics，2009，39（5）:657-661.

[15]Wei H E，Feng Q，Microelectronics I O，et al.A bandgap reference with high temperature performance[J].Chinese Journal of Electron Devices，2015.

Design of an adaptive current ripple suppression circuit for LED driver

LIU Yu-ting1，2，JIN Xing1，2，YIN Jing-hua1
（1.Harbin University of Science and Technology，Harbin 150006，China；2.Zhejiang Autorock Electronics Co.，Ltd，Hangzhou 311228，China）

Lighting LED is a novel light source，it has a wide range of applications.In order to meet the requirements of power factor and cost，the LED driver circuit is usually implemented in a single PFC（Factor Correction Power）circuit.However，the current ripple of the output of this circuit is very large，which makes the light emitting of LED with two times the frequency of the electric flicker，resulting in the human eye discomfort and LED life.Aiming at this problem，a LED driving current ripple suppression circuit is designed.Can automatically adapt to the size of the driving current in a certain range.Using ASMC 0.5 BCD process design，using the ADE Cadence software simulation circuit，the current ripple suppression effect is obvious，the amplitude is only the input of 1%～3%，and can adapt to 1A to 100 mA drive current.

current ripple suppression；LED driver；adaptive；switching power supply；large current

TN492

A

1674－6236（2016）21-0167-03

2015-11-12稿件编号：201511119

刘玉亭（1989—），男，黑龙江五常人，硕士。研究方向：模拟电路设计。