基于结型场效应管开关特性控制AC-LED晶粒分段导通的研究
2014-04-01慎邦威于德鲁杨馥瑞沈建华
慎邦威，于德鲁，杨馥瑞，沈建华，许 键,2
(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.Department of Engineering Science and Mechanics， Penn State University，Pennsylvania 16802，USA)
引言
LED光源是一种环保、节能、寿命较长的新型光源。[1]传统的LED，即DC-LED,必须以直流电作为驱动，其工作模式一般为：在市电与LED负载之间加入降压、恒流等模块，才能使得其正常工作，增加了灯具的体积、成本等。[2]
AC-LED是一种通过半导体工艺，在芯片上集成了整流桥式电路、一系列超细LED晶粒阵列，无需变压，能直接工作在工频市电下的新型光源，具有使用更方便、发热更低等特点。[3]但是由于芯片内部单颗LED晶粒正向开启电压和市电相比很低，为了提高AC-LED芯片的耐压能力，往往需要在芯片内部集成多颗LED晶粒，串联成高压LED(HV-LED)，当输入交流电压值达到高压LED开启电压，芯片才产生正向电流。[4]为了控制芯片峰值电流，高压芯片的开启电压往往很大，这样就导致了AC-LED芯片在一个工作周期内有一大部分时间是处于未点亮状态，从而使得AC-LED的光利用率下降。[5]因此，提高AC-LED在一个周期内的导通时间，有利于提高AC-LED的光利用率。
结型场效应管(Jfet)是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件，常用的是耗尽型。具有响应速度高，噪音系数低，输出阻抗很大、电流具有负的温度系数，具有自我保护的功能的特点。[6]
本文设计出一种基于Jfet开关特性控制AC-LED中串联LED晶粒分段、恒流、连续导通的电路。将AC-LED中的晶粒分成若干组，降低每组的开启电压，将具有不同截止电压的场效应管与其相匹配，在输入电压未达到所有晶粒的正向开启电压之前，控制除了最后一组之外所有LED依次提前串联导通，最后所有晶粒共同导通，大大的提高了AC-LED的导通时间，提高了芯片的光利用率。[7]同时通过调试Jfet截止电压等参数，让提前导通的LED晶粒工作在分段恒流导通状态，有利于解决AC-LED的频闪问题。[8]
1 理论
图1为带有4颗整流二极管AC-LED芯片电路示意图。四颗整流二极管构成桥式整流电路，50Hz的交流电，通过整流桥变成频率为100Hz的单相电驱动n颗串联的LED晶粒阵列发光。LED是PN结器件，当PN结两端的输入电压超过其正向开启电压VF，LED产生正向电流IF。[9]如果AC-LED芯片中串联n颗LED晶粒，每颗LED晶粒的开启电压VF，则AC-LED近似开启电压为nVF，当输入电压高于nVF，AC-LED才会被点亮。设交流电表达式为:
v(t)=Umsin2πft
(1)
图1 带有整流二极管的AC-LED电路示意图Fig.1 The circuit diagram of A C-LED chip with rectifier diodes
则在一个周期内，AC-LED被点亮的时间TON为：
(2)
由式(2)可知，随着正向开启电压的增大，AC-LED在一个周期内导通时间越短。因此将AC-LED的开启电压分成若干组数值较小的开启电压分段提前导通，有利于提高导通时间和光利用率。
图2为输入110V、50Hz交流电的AC-LED的输出电压、电流在一个周期内的变化曲线。从图中可以看出，AC-LED在整流后一个周期(10ms)内导通时间为0.003～0.007s，共4ms，只占周期的40%，大部分LED晶粒在一个周期内是处于“闲置”状态。这将会造成AC-LED的光利用率较低。
图2 AC-LED的输出电压、电流变化曲线Fig.2 Curve：the output voltage and current variation of AC-LED in a cycle
2 电路设计
2.1 电路设计思想
将AC-LED芯片中的n颗LED晶粒合理分成m组串联，每组晶粒个数分别为：l1，l2，l3…lm，每组的开启电压为：l1VF，l2VF，l3VF…lmVF，且满足：
l1VF+l2VF+l3VF+…+lmVF=nVF
(l1+l2+l3+…+lm=n)
(3)
前m-1组LED晶粒由m-1个Jfet依次控制提前导通。各组Jfet的栅源电压(vGS)由第一组导通中的两颗LED的两端电压控制，漏源电压(vDS)由后几组LED晶粒两端变化电压控制。在整流后一个周期内：在输入电压从0增加到峰值的过程中，当输入电压到达第1组LED开启电压l1VF时，第1组LED与第1个Jfet串联导通，Jfet并迅速进饱和状态，第1组LED提前恒流导通，第2,3…m组LED被短路，此时输入电压为V1，当输入电压到达l2VF+V1，第2组LED与第2个Jfet串联导通，此时第1组LED中电流增加，第1个Jfet栅源电压逐渐减小，直到截止，第2个Jfet迅速进入饱和状态，第1，2组LED提前串联恒流导通，此时输入电压为V2；后几组依此类推。最后m组LED晶粒共同导通，达到峰值电流。同理，在输入电压从峰值减小到0这一过程中，电路工作顺序相反。通过设定每组Jfet不同的电学参数，可以得到当vDS达到一个较小值时，Jfet开始进入饱和状态，当下一组Jfet饱和工作时，上一组Jfet进入截止状态的效果，提高了Jfet的开关响应速度和LED提前导通时间；设定每组LED的颗数，控制每组导通时间。电路具体工作过程，见表1(表1只给出电路在输入电压从0增加到峰值电压的工作过程，从峰值减小到0的过程与之相反)。
表1 电路工作原理Table 1 Circuit working principle
由表1可知，在n颗LED晶粒未完全导通前，前m-1组依次被提前导通，每组提前导通LED依次工作在恒流I1,I2…Im-1下，共提前导通n-lm个LED晶粒，每个周期共导通时间为2(T1+T2+…Tm-1+Tm)s。
2.2 电路元件的选择及仿真
2.2.1 整流二极管、LED晶粒I-V曲线的描述
图3(a)为整流二极管I-V曲线，从图可知，二极管的反向击穿电压约为1450V，正向开启电压约为0.5V，较大的反向击穿电压可以满足对市电整流的条件，较小的正向开启电压减小了器件对电源的消耗。[10]图3(b)中，LED的开启电压约为2.3V，当两端电压为3.0V时，电流约为70mV。在后续的电路设计中，选择合适LED晶粒的数量，控制在一个周期中，单颗LED晶粒两端的电压变化为0～3.0V，峰值电流约为70mA。
2.2.2 Jfet原理及参数的编辑与调试
电路中，选择n沟道耗尽型Jfet，依次工作在开启、饱和与截止三个状态。由于其栅源电压(vGS)一直小于0，而选取第一组导通中的两颗LED的反向变化电压(0～6V)作为栅源电压，有利于电路结构的设计。当vP>vGS,Jfet截止；vP
Jfet主要调试电学参数有：截止电压 (vP)、沟道长度调制系数(lambda)、源漏击穿电压(v(br)DSS)。设定任意一组的Jfet的截止电压为vPn，饱和工作时栅源电压为vGSn，饱和工作时漏源电压最小值vDSmin=0.1V，则饱和工作的的临界条件是：vGSn-vPn=vDSmin=0.1V。为了达到当下一组Jfet饱和工作时，上一个Jfet刚好截止工作的效果，下一组场效应管饱和工作时vGSn+1=vPn，vPn+1=vPn-0.1V。通过调试Jfet的截止电压 (vP)，跨导参数，沟道长度调制系数(lambda)等参数，仿真每个Jfet的输出特性曲线，找到满足第一个Jfet饱和电流约20mA，后几组Jfet饱和电流依次增加，且饱和工作时漏源电压最小值vDSmin=0.1V的输出曲线，共调试5组Jfet，J1～J5，得到最优参数为：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，饱和电流分别为：23mA，28mA，33mA，38mA，43mA。仿真曲线如图4所示。
图3 整流二极管和LED晶粒I-V特性曲线Fig.3 Curve: the current-voltage characteristics of rectifier diode and LED grain
图4 J1-J5输出特性曲线Fig.4 Curve: the output characteristic of J1-J5
当沟道长度调制系数值偏大，饱和电流会随着漏源电压的增加而增加，控制沟道长度调制系数尽可能的小。[12]设定v(br)DSS=30V，每组LED颗数不超过10颗，VDS的最大值小于v(br)DSS，保证J1-J5其他参数一致。
2.3 电路设计图
电路设计如图5，AC-LED输入电压设为峰值110V正弦电，D1-D4组成桥式整流电路，D7-D42串联。J1-J5的漏极接在该组LED的末端，源、栅两极共同接在第41颗LED的正端，42颗的负端，41，42两颗LED两端变化电压作为Jfet的栅源电压，控制Jfet的导通与截止，J1控制第1组(D7、D8、D9、D41、D42)，J2控制第2组(D10-D16),J3控制第3组(D17-D23),J4控制第4组(D24-D30)，J5控制第5组(D31-D37)。电流变化范围设定为0～70mA。根据LED晶粒的I-V曲线得，单颗LED电压变化范围为：0～3V，则AC-LED中LED晶粒颗数约为：110V/3=36颗。将LED晶粒分成6组，每组LED颗数分别为：5，7，7，7，7，3。由图4知：J1～J5在截止电压分别为：-5.3V,-5.4V,-5.5V,-5.6V,-5.7V，饱和工作最小vDSmin为0.1V时，饱和电流分别为：23mA、28mA、33mA、38mA、43mA，△I=5mA。饱和工作时，VGS分别为：-5.2V，-5.3V，-5.4V，-5.5V，-5.6V，单颗LED电压变化范围约为：2.6～2.8V。
图5 输入电压为110V正弦电的电路原理图设计Fig.5 Circuit schematic design with 110V input voltage
3 电路的仿真及结果分析
为了验证电路是否达到设定的功能，通过pspice对电路进行仿真，选取一个周期(20～30ms)10ms的仿真数据导入origin pro软件进行作图。仿真结果如下：
从图6(a)Jfet的iD-T曲线可知：J1～J5是按照表1中设定的方式进行工作：Jn逐渐截止，与此同时Jn+1迅速开启，无时间间隔，保证了各组LED晶粒持续提前导通每组Jfet由开启到饱和、饱和到截止过程耗费时间极短，响应速度较快。在一个周期内，J1～J5分别工作两次，且工作顺序相反。J1～J5饱和电流分别为：23，28，33，38，43mA，与设定值保持一致。从图6(b)Jfet的vDS-iD曲线可知：J1～J5的vDS变化范围为：0～20V，未发生击穿现象。Jfet基本工作在饱和状态，提高了每组LED恒流导通的时间。由PJfet=vDSiD可知，Jfet在开启与截止时间内消耗极少电能，提高了电路中LED对电能利用的效率。
图7对比了有无Jfet两种电路中，AC-LED中的LED晶粒在一个周期内(10ms)电流随时间变化情况。从图中可知：在Jfet的控制下，前五组LED(共33颗)依次提前导通，一个周期内导通时间约为9ms，占一个周期时间的90%，由图2知，在保证其他条件相同情况下，没有Jfet控制的AC-LED导通时间约为4ms，占一周期40%，导通时间大大提高。在前半个周期内：第一组LED依次工作在：23、28、33、38、43mA五个恒流阶段；第二组与第一组串联依次工作在28、33、38、43mA四个恒流阶段；第三组与前两组串联依次工作在33、38、43mA三个恒流阶段；第四组与前三组串联依次工作在38、43mA两个恒流阶段；第五组与前四组串联工作在43mA一个阶段，当第六组3颗LED导通，36颗LED全部导通，达到峰值电流70mA，后半个周期工作顺序相反。
图6 电路中J1～J5的iD-T、iD-vDS曲线Fig.6 Curve: the iD-T and iD-vDS ofJ1-J5
图7 有、无Jfet情况下，各组LED晶粒的I-T的比较图Fig.7 Curve：The comparison of current-time of each group of LED grains with Jfet and that without Jfet
D41,D42两颗LED晶粒的变化电压控制J1～J5的栅源电压。从图8可知，J1～J5饱和工作时，栅源电压依次为：-5.2，-5.3，-5.4，-5.5，-5.6V，与设定值保持一致。
图8 J1～J5的栅源电压随时间变化曲线Fig.8 Curve：the vGS variation of J1～J5 in a cycle
4 结论
本文基于pspice电路仿真软件，设计了一种利用结型场效应管开关特性控制AC-LED中LED晶粒分段提前导通的电路。[13]根据LED晶粒的I-V特性曲线、输入电压的峰值电压与峰值电流确定了LED晶粒的数量，并对其合理分组，控制了每组恒流导通的时间。通过编辑、调试、优化了J1～J5电学参数，得到了Jfet相继导通、截止的工作模式，很好地控制了AC-LED中的LED晶粒依次分组提前导通，通过设定较小的Vds值，减少了Jfet从开启到饱和，从饱和到截止的时间，提高了开关响应速度，降低其对电源的利用效率，也提高了LED的发光时间与光利用率。通过选取输入电压为110V交流电，36颗LED串联晶粒，并用5个Jfet将其分成6组的实例进行电路仿真，从仿真数据可得：通过Jfet控制LED晶粒分段串联导通，在一个周期内各组LED导通时间共9ms，相比没有Jfet控制的AC-LED，发光时间大大提高，频闪现象可以缓解。
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