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
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LED；70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LED；80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12～24lm/W，荧光灯和HID灯的光效为50～140lm/W。2008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150～200lm/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。图1LED的发光机理
1白光LED发光原理
如图1所示，在LED的PN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Eg（eV），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；
（2）5～40V（如6V、9V、12V、24V）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40～400V）直流供电：主要用于驱动大功率白光LED，采用降压式AC/DC或DC/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|=2πΔt∞TrefI+ΔiI－()1=2πΔt∞ΔiTrefI（1）式中，e———相位偏差，rad；Δt∞———开通时间，s；Tref———参考时钟周期，s；I———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1W的LED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IC和MOSFET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为390mT，对分体灯可留出35%的安全裕量，即Bw=0.65Bs=0.65×390=253.5（mT）；按厂家的产品数据手册，查得PQ26/25磁芯的le=5.43cm。由上述计算可知，总的工作磁通密度为252mT，工作磁场强度为13.4Oe。顺便指出：不饱和磁场强度留有较大裕量，μe调整至90亦是不错的选择。经核算：磁滞回线在这个范围内工作是安全的，设计通过。
10结束语
在输入电压最小时，根据安培定律应防止磁场强度饱和；而输入电压最大时，根据法拉第定律应防止磁通密度饱和。铁硅铝磁芯的磁通量是铁氧体的2倍，在更大功率的灯电路中，宜选用铁硅铝磁芯。