慎邦威，于德魯，楊馥瑞，沈建華，許 鍵,2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.Department of Engineering Science and Mechanics， Penn State University，Pennsylvania 16802，USA)

引言

LED光源是一種環(huán)保、節(jié)能、壽命較長(zhǎng)的新型光源。[1]傳統(tǒng)的LED，即DC-LED,必須以直流電作為驅(qū)動(dòng)，其工作模式一般為：在市電與LED負(fù)載之間加入降壓、恒流等模塊，才能使得其正常工作，增加了燈具的體積、成本等。[2]

AC-LED是一種通過半導(dǎo)體工藝，在芯片上集成了整流橋式電路、一系列超細(xì)LED晶粒陣列，無需變壓，能直接工作在工頻市電下的新型光源，具有使用更方便、發(fā)熱更低等特點(diǎn)。[3]但是由于芯片內(nèi)部單顆LED晶粒正向開啟電壓和市電相比很低，為了提高AC-LED芯片的耐壓能力，往往需要在芯片內(nèi)部集成多顆LED晶粒，串聯(lián)成高壓LED(HV-LED)，當(dāng)輸入交流電壓值達(dá)到高壓LED開啟電壓，芯片才產(chǎn)生正向電流。[4]為了控制芯片峰值電流，高壓芯片的開啟電壓往往很大，這樣就導(dǎo)致了AC-LED芯片在一個(gè)工作周期內(nèi)有一大部分時(shí)間是處于未點(diǎn)亮狀態(tài)，從而使得AC-LED的光利用率下降。[5]因此，提高AC-LED在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，有利于提高AC-LED的光利用率。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Jfet)是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件，常用的是耗盡型。具有響應(yīng)速度高，噪音系數(shù)低，輸出阻抗很大、電流具有負(fù)的溫度系數(shù)，具有自我保護(hù)的功能的特點(diǎn)。[6]

本文設(shè)計(jì)出一種基于Jfet開關(guān)特性控制AC-LED中串聯(lián)LED晶粒分段、恒流、連續(xù)導(dǎo)通的電路。將AC-LED中的晶粒分成若干組，降低每組的開啟電壓，將具有不同截止電壓的場(chǎng)效應(yīng)管與其相匹配，在輸入電壓未達(dá)到所有晶粒的正向開啟電壓之前，控制除了最后一組之外所有LED依次提前串聯(lián)導(dǎo)通，最后所有晶粒共同導(dǎo)通，大大的提高了AC-LED的導(dǎo)通時(shí)間，提高了芯片的光利用率。[7]同時(shí)通過調(diào)試Jfet截止電壓等參數(shù)，讓提前導(dǎo)通的LED晶粒工作在分段恒流導(dǎo)通狀態(tài)，有利于解決AC-LED的頻閃問題。[8]

1 理論

圖1為帶有4顆整流二極管AC-LED芯片電路示意圖。四顆整流二極管構(gòu)成橋式整流電路，50Hz的交流電，通過整流橋變成頻率為100Hz的單相電驅(qū)動(dòng)n顆串聯(lián)的LED晶粒陣列發(fā)光。LED是PN結(jié)器件，當(dāng)PN結(jié)兩端的輸入電壓超過其正向開啟電壓VF，LED產(chǎn)生正向電流IF。[9]如果AC-LED芯片中串聯(lián)n顆LED晶粒，每顆LED晶粒的開啟電壓VF，則AC-LED近似開啟電壓為nVF，當(dāng)輸入電壓高于nVF，AC-LED才會(huì)被點(diǎn)亮。設(shè)交流電表達(dá)式為:

v(t)=Umsin2πft

(1)

圖1 帶有整流二極管的AC-LED電路示意圖Fig.1 The circuit diagram of A C-LED chip with rectifier diodes

則在一個(gè)周期內(nèi)，AC-LED被點(diǎn)亮的時(shí)間TON為：

(2)

由式(2)可知，隨著正向開啟電壓的增大，AC-LED在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越短。因此將AC-LED的開啟電壓分成若干組數(shù)值較小的開啟電壓分段提前導(dǎo)通，有利于提高導(dǎo)通時(shí)間和光利用率。

圖2為輸入110V、50Hz交流電的AC-LED的輸出電壓、電流在一個(gè)周期內(nèi)的變化曲線。從圖中可以看出，AC-LED在整流后一個(gè)周期(10ms)內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為0.003～0.007s，共4ms，只占周期的40%，大部分LED晶粒在一個(gè)周期內(nèi)是處于“閑置”狀態(tài)。這將會(huì)造成AC-LED的光利用率較低。

圖2 AC-LED的輸出電壓、電流變化曲線Fig.2 Curve：the output voltage and current variation of AC-LED in a cycle

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)思想

將AC-LED芯片中的n顆LED晶粒合理分成m組串聯(lián)，每組晶粒個(gè)數(shù)分別為：l1，l2，l3…lm，每組的開啟電壓為：l1VF，l2VF，l3VF…lmVF，且滿足：

l1VF+l2VF+l3VF+…+lmVF=nVF

(l1+l2+l3+…+lm=n)

(3)

前m-1組LED晶粒由m-1個(gè)Jfet依次控制提前導(dǎo)通。各組Jfet的柵源電壓(vGS)由第一組導(dǎo)通中的兩顆LED的兩端電壓控制，漏源電壓(vDS)由后幾組LED晶粒兩端變化電壓控制。在整流后一個(gè)周期內(nèi)：在輸入電壓從0增加到峰值的過程中，當(dāng)輸入電壓到達(dá)第1組LED開啟電壓l1VF時(shí)，第1組LED與第1個(gè)Jfet串聯(lián)導(dǎo)通，Jfet并迅速進(jìn)飽和狀態(tài)，第1組LED提前恒流導(dǎo)通，第2,3…m組LED被短路，此時(shí)輸入電壓為V1，當(dāng)輸入電壓到達(dá)l2VF+V1，第2組LED與第2個(gè)Jfet串聯(lián)導(dǎo)通，此時(shí)第1組LED中電流增加，第1個(gè)Jfet柵源電壓逐漸減小，直到截止，第2個(gè)Jfet迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，第1，2組LED提前串聯(lián)恒流導(dǎo)通，此時(shí)輸入電壓為V2；后幾組依此類推。最后m組LED晶粒共同導(dǎo)通，達(dá)到峰值電流。同理，在輸入電壓從峰值減小到0這一過程中，電路工作順序相反。通過設(shè)定每組Jfet不同的電學(xué)參數(shù)，可以得到當(dāng)vDS達(dá)到一個(gè)較小值時(shí)，Jfet開始進(jìn)入飽和狀態(tài)，當(dāng)下一組Jfet飽和工作時(shí)，上一組Jfet進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)的效果，提高了Jfet的開關(guān)響應(yīng)速度和LED提前導(dǎo)通時(shí)間；設(shè)定每組LED的顆數(shù)，控制每組導(dǎo)通時(shí)間。電路具體工作過程，見表1(表1只給出電路在輸入電壓從0增加到峰值電壓的工作過程，從峰值減小到0的過程與之相反)。

表1 電路工作原理Table 1 Circuit working principle

由表1可知，在n顆LED晶粒未完全導(dǎo)通前，前m-1組依次被提前導(dǎo)通，每組提前導(dǎo)通LED依次工作在恒流I1,I2…Im-1下，共提前導(dǎo)通n-lm個(gè)LED晶粒，每個(gè)周期共導(dǎo)通時(shí)間為2(T1+T2+…Tm-1+Tm)s。

2.2 電路元件的選擇及仿真

2.2.1 整流二極管、LED晶粒I-V曲線的描述

圖3(a)為整流二極管I-V曲線，從圖可知，二極管的反向擊穿電壓約為1450V，正向開啟電壓約為0.5V，較大的反向擊穿電壓可以滿足對(duì)市電整流的條件，較小的正向開啟電壓減小了器件對(duì)電源的消耗。[10]圖3(b)中，LED的開啟電壓約為2.3V，當(dāng)兩端電壓為3.0V時(shí)，電流約為70mV。在后續(xù)的電路設(shè)計(jì)中，選擇合適LED晶粒的數(shù)量，控制在一個(gè)周期中，單顆LED晶粒兩端的電壓變化為0～3.0V，峰值電流約為70mA。

2.2.2 Jfet原理及參數(shù)的編輯與調(diào)試

電路中，選擇n溝道耗盡型Jfet，依次工作在開啟、飽和與截止三個(gè)狀態(tài)。由于其柵源電壓(vGS)一直小于0，而選取第一組導(dǎo)通中的兩顆LED的反向變化電壓(0～6V)作為柵源電壓，有利于電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)vP>vGS,Jfet截止；vPv(br)DSS(漏源擊穿電壓)，Jfet被擊穿，iD迅速增加。[11]

Jfet主要調(diào)試電學(xué)參數(shù)有：截止電壓 (vP)、溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)(lambda)、源漏擊穿電壓(v(br)DSS)。設(shè)定任意一組的Jfet的截止電壓為vPn，飽和工作時(shí)柵源電壓為vGSn，飽和工作時(shí)漏源電壓最小值vDSmin=0.1V，則飽和工作的的臨界條件是：vGSn-vPn=vDSmin=0.1V。為了達(dá)到當(dāng)下一組Jfet飽和工作時(shí)，上一個(gè)Jfet剛好截止工作的效果，下一組場(chǎng)效應(yīng)管飽和工作時(shí)vGSn+1=vPn，vPn+1=vPn-0.1V。通過調(diào)試Jfet的截止電壓 (vP)，跨導(dǎo)參數(shù)，溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)(lambda)等參數(shù)，仿真每個(gè)Jfet的輸出特性曲線，找到滿足第一個(gè)Jfet飽和電流約20mA，后幾組Jfet飽和電流依次增加，且飽和工作時(shí)漏源電壓最小值vDSmin=0.1V的輸出曲線，共調(diào)試5組Jfet，J1～J5，得到最優(yōu)參數(shù)為：vP1=-5.3V，vGS1=-5.2V，vP2=-5.4V，vGS2=-5.3V，vP3=-5.5V，vGS3=-5.4V，vP4=-5.6V，vGS4=-5.5V，vP5=-5.7V，vGS5=-5.6V，飽和電流分別為：23mA，28mA，33mA，38mA，43mA。仿真曲線如圖4所示。

圖3 整流二極管和LED晶粒I-V特性曲線Fig.3 Curve: the current-voltage characteristics of rectifier diode and LED grain

圖4 J1-J5輸出特性曲線Fig.4 Curve: the output characteristic of J1-J5

當(dāng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)值偏大，飽和電流會(huì)隨著漏源電壓的增加而增加，控制溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)盡可能的小。[12]設(shè)定v(br)DSS=30V，每組LED顆數(shù)不超過10顆，VDS的最大值小于v(br)DSS，保證J1-J5其他參數(shù)一致。

2.3 電路設(shè)計(jì)圖

電路設(shè)計(jì)如圖5，AC-LED輸入電壓設(shè)為峰值110V正弦電，D1-D4組成橋式整流電路，D7-D42串聯(lián)。J1-J5的漏極接在該組LED的末端，源、柵兩極共同接在第41顆LED的正端，42顆的負(fù)端，41，42兩顆LED兩端變化電壓作為Jfet的柵源電壓，控制Jfet的導(dǎo)通與截止，J1控制第1組(D7、D8、D9、D41、D42)，J2控制第2組(D10-D16),J3控制第3組(D17-D23),J4控制第4組(D24-D30)，J5控制第5組(D31-D37)。電流變化范圍設(shè)定為0～70mA。根據(jù)LED晶粒的I-V曲線得，單顆LED電壓變化范圍為：0～3V，則AC-LED中LED晶粒顆數(shù)約為：110V/3=36顆。將LED晶粒分成6組，每組LED顆數(shù)分別為：5，7，7，7，7，3。由圖4知：J1～J5在截止電壓分別為：-5.3V,-5.4V,-5.5V,-5.6V,-5.7V，飽和工作最小vDSmin為0.1V時(shí)，飽和電流分別為：23mA、28mA、33mA、38mA、43mA，△I=5mA。飽和工作時(shí)，VGS分別為：-5.2V，-5.3V，-5.4V，-5.5V，-5.6V，單顆LED電壓變化范圍約為：2.6～2.8V。

圖5 輸入電壓為110V正弦電的電路原理圖設(shè)計(jì)Fig.5 Circuit schematic design with 110V input voltage

3 電路的仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證電路是否達(dá)到設(shè)定的功能，通過pspice對(duì)電路進(jìn)行仿真，選取一個(gè)周期(20～30ms)10ms的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin pro軟件進(jìn)行作圖。仿真結(jié)果如下：

從圖6(a)Jfet的iD-T曲線可知：J1～J5是按照表1中設(shè)定的方式進(jìn)行工作：Jn逐漸截止，與此同時(shí)Jn+1迅速開啟，無時(shí)間間隔，保證了各組LED晶粒持續(xù)提前導(dǎo)通每組Jfet由開啟到飽和、飽和到截止過程耗費(fèi)時(shí)間極短，響應(yīng)速度較快。在一個(gè)周期內(nèi)，J1～J5分別工作兩次，且工作順序相反。J1～J5飽和電流分別為：23，28，33，38，43mA，與設(shè)定值保持一致。從圖6(b)Jfet的vDS-iD曲線可知：J1～J5的vDS變化范圍為：0～20V，未發(fā)生擊穿現(xiàn)象。Jfet基本工作在飽和狀態(tài)，提高了每組LED恒流導(dǎo)通的時(shí)間。由PJfet=vDSiD可知，Jfet在開啟與截止時(shí)間內(nèi)消耗極少電能，提高了電路中LED對(duì)電能利用的效率。

圖7對(duì)比了有無Jfet兩種電路中，AC-LED中的LED晶粒在一個(gè)周期內(nèi)(10ms)電流隨時(shí)間變化情況。從圖中可知：在Jfet的控制下，前五組LED(共33顆)依次提前導(dǎo)通，一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間約為9ms，占一個(gè)周期時(shí)間的90%，由圖2知，在保證其他條件相同情況下，沒有Jfet控制的AC-LED導(dǎo)通時(shí)間約為4ms，占一周期40%，導(dǎo)通時(shí)間大大提高。在前半個(gè)周期內(nèi)：第一組LED依次工作在：23、28、33、38、43mA五個(gè)恒流階段；第二組與第一組串聯(lián)依次工作在28、33、38、43mA四個(gè)恒流階段；第三組與前兩組串聯(lián)依次工作在33、38、43mA三個(gè)恒流階段；第四組與前三組串聯(lián)依次工作在38、43mA兩個(gè)恒流階段；第五組與前四組串聯(lián)工作在43mA一個(gè)階段，當(dāng)?shù)诹M3顆LED導(dǎo)通，36顆LED全部導(dǎo)通，達(dá)到峰值電流70mA，后半個(gè)周期工作順序相反。

圖6 電路中J1～J5的iD-T、iD-vDS曲線Fig.6 Curve: the iD-T and iD-vDS ofJ1-J5

圖7 有、無Jfet情況下，各組LED晶粒的I-T的比較圖Fig.7 Curve：The comparison of current-time of each group of LED grains with Jfet and that without Jfet

D41,D42兩顆LED晶粒的變化電壓控制J1～J5的柵源電壓。從圖8可知，J1～J5飽和工作時(shí)，柵源電壓依次為：-5.2，-5.3，-5.4，-5.5，-5.6V，與設(shè)定值保持一致。

圖8 J1～J5的柵源電壓隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curve：the vGS variation of J1～J5 in a cycle

4 結(jié)論

本文基于pspice電路仿真軟件，設(shè)計(jì)了一種利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)特性控制AC-LED中LED晶粒分段提前導(dǎo)通的電路。[13]根據(jù)LED晶粒的I-V特性曲線、輸入電壓的峰值電壓與峰值電流確定了LED晶粒的數(shù)量，并對(duì)其合理分組，控制了每組恒流導(dǎo)通的時(shí)間。通過編輯、調(diào)試、優(yōu)化了J1～J5電學(xué)參數(shù)，得到了Jfet相繼導(dǎo)通、截止的工作模式，很好地控制了AC-LED中的LED晶粒依次分組提前導(dǎo)通，通過設(shè)定較小的Vds值，減少了Jfet從開啟到飽和，從飽和到截止的時(shí)間，提高了開關(guān)響應(yīng)速度，降低其對(duì)電源的利用效率，也提高了LED的發(fā)光時(shí)間與光利用率。通過選取輸入電壓為110V交流電，36顆LED串聯(lián)晶粒，并用5個(gè)Jfet將其分成6組的實(shí)例進(jìn)行電路仿真，從仿真數(shù)據(jù)可得：通過Jfet控制LED晶粒分段串聯(lián)導(dǎo)通，在一個(gè)周期內(nèi)各組LED導(dǎo)通時(shí)間共9ms，相比沒有Jfet控制的AC-LED，發(fā)光時(shí)間大大提高，頻閃現(xiàn)象可以緩解。

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