基于結型場效應管開關特性控制AC-LED晶粒分段導通的研究

慎邦威，于德魯，楊馥瑞，沈建華，許 鍵,2

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

引言

LED光源是一種環保、節能、壽命較長的新型光源。[1]傳統的LED，即DC-LED,必須以直流電作為驅動，其工作模式一般為：在市電與LED負載之間加入降壓、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是一種通過半導體工藝，在芯片上集成了整流橋式電路、一系列超細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、發熱更低等特點。[3]但是由于芯片內部單顆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，往往需要在芯片內部集成多顆LED晶粒，串聯成高壓LED(HV-LED)，當輸入交流電壓值達到高壓LED開啟電壓，芯片才產生正向電流。[4]為了控制芯片峰值電流，高壓芯片的開啟電壓往往很大，這樣就導致了AC-LED芯片在一個工作周期內有一大部分時間是處于未點亮狀態，從而使得AC-LED的光利用率下降。[5]因此，提高AC-LED在一個周期內的導通時間，有利于提高AC-LED的光利用率。

結型場效應管(Jfet)是一種利用電場效應來控制電流大小的半導體器件，常用的是耗盡型。具有響應速度高，噪音系數低，輸出阻抗很大、電流具有負的溫度系數，具有自我保護的功能的特點。[6]

本文設計出一種基于Jfet開關特性控制AC-LED中串聯LED晶粒分段、恒流、連續導通的電路。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效應管與其相匹配，在輸入電壓未達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依次提前串聯導通，最后所有晶粒共同導通，大大的提高了AC-LED的導通時間，提高了芯片的光利用率。[7]同時通過調試Jfet截止電壓等參數，讓提前導通的LED晶粒工作在分段恒流導通狀態，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的單相電驅動n顆串聯的LED晶粒陣列發光。LED是PN結器件，當PN結兩端的輸入電壓超過其正向開啟電壓VF，LED產生正向電流IF。[9]如果AC-LED芯片中串聯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，當輸入電壓高于nVF，AC-LED才會被點亮。設交流電表達式為:

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

則在一個周期內，AC-LED被點亮的時間TON為：

(2)

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

圖2為輸入110V、50Hz交流電的AC-LED的輸出電壓、電流在一個周期內的變化曲線。從圖中可以看出，AC-LED在整流后一個周期(10ms)內導通時間為0.003～0.007s，共4ms，只占周期的40%，大部分LED晶粒在一個周期內是處于“閑置”狀態。這將會造成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 電路設計

2.1 電路設計思想

將AC-LED芯片中的n顆LED晶粒合理分成m組串聯，每組晶粒個數分別為：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Jfet依次控制提前導通。各組Jfet的柵源電壓(vGS)由第一組導通中的兩顆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。在整流后一個周期內：在輸入電壓從0增加到峰值的過程中，當輸入電壓到達第1組LED開啟電壓l1VF時，第1組LED與第1個Jfet串聯導通，Jfet并迅速進飽和狀態，第1組LED提前恒流導通，第2,3…m組LED被短路，此時輸入電壓為V1，當輸入電壓到達l2VF+V1，第2組LED與第2個Jfet串聯導通，此時第1組LED中電流增加，第1個Jfet柵源電壓逐漸減小，直到截止，第2個Jfet迅速進入飽和狀態，第1，2組LED提前串聯恒流導通，此時輸入電壓為V2；后幾組依此類推。最后m組LED晶粒共同導通，達到峰值電流。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。通過設定每組Jfet不同的電學參數，可以得到當vDS達到一個較小值時，Jfet開始進入飽和狀態，當下一組Jfet飽和工作時，上一組Jfet進入截止狀態的效果，提高了Jfet的開關響應速度和LED提前導通時間；設定每組LED的顆數，控制每組導通時間。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晶粒未完全導通前，前m-1組依次被提前導通，每組提前導通LED依次工作在恒流I1,I2…Im-1下，共提前導通n-lm個LED晶粒，每個周期共導通時間為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市電整流的條件，較小的正向開啟電壓減小了器件對電源的消耗。[10]圖3(b)中，LED的開啟電壓約為2.3V，當兩端電壓為3.0V時，電流約為70mV。在后續的電路設計中，選擇合適LED晶粒的數量，控制在一個周期中，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原理及參數的編輯與調試

電路中，選擇n溝道耗盡型Jfet，依次工作在開啟、飽和與截止三個狀態。由于其柵源電壓(vGS)一直小于0，而選取第一組導通中的兩顆LED的反向變化電壓(0～6V)作為柵源電壓，有利于電路結構的設計。當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主要調試電學參數有：截止電壓 (vP)、溝道長度調制系數(lambda)、源漏擊穿電壓(v(br)DSS)。設定任意一組的Jfet的截止電壓為vPn，飽和工作時柵源電壓為vGSn，飽和工作時漏源電壓最小值vDSmin=0.1V，則飽和工作的的臨界條件是：vGSn-vPn=vDSmin=0.1V。為了達到當下一組Jfet飽和工作時，上一個Jfet剛好截止工作的效果，下一組場效應管飽和工作時vGSn+1=vPn，vPn+1=vPn-0.1V。通過調試Jfet的截止電壓 (vP)，跨導參數，溝道長度調制系數(lambda)等參數，仿真每個Jfet的輸出特性曲線，找到滿足第一個Jfet飽和電流約20mA，后幾組Jfet飽和電流依次增加，且飽和工作時漏源電壓最小值vDSmin=0.1V的輸出曲線，共調試5組Jfet，J1～J5，得到最優參數為：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

當溝道長度調制系數值偏大，飽和電流會隨著漏源電壓的增加而增加，控制溝道長度調制系數盡可能的小。[12]設定v(br)DSS=30V，每組LED顆數不超過10顆，VDS的最大值小于v(br)DSS，保證J1-J5其他參數一致。

2.3 電路設計圖

電路設計如圖5，AC-LED輸入電壓設為峰值110V正弦電，D1-D4組成橋式整流電路，D7-D42串聯。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)。電流變化范圍設定為0～70mA。根據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晶粒顆數約為：110V/3=36顆。將LED晶粒分成6組，每組LED顆數分別為：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，飽和電流分別為：23mA、28mA、33mA、38mA、43mA，△I=5mA。飽和工作時，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計Fig.5 Circuit schematic design with 110V input voltage

3 電路的仿真及結果分析

為了驗證電路是否達到設定的功能，通過pspice對電路進行仿真，選取一個周期(20～30ms)10ms的仿真數據導入origin pro軟件進行作圖。仿真結果如下：

從圖6(a)Jfet的iD-T曲線可知：J1～J5是按照表1中設定的方式進行工作：Jn逐漸截止，與此同時Jn+1迅速開啟，無時間間隔，保證了各組LED晶粒持續提前導通每組Jfet由開啟到飽和、飽和到截止過程耗費時間極短，響應速度較快。在一個周期內，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，未發生擊穿現象。Jfet基本工作在飽和狀態，提高了每組LED恒流導通的時間。由PJfet=vDSiD可知，Jfet在開啟與截止時間內消耗極少電能，提高了電路中LED對電能利用的效率。

圖7對比了有無Jfet兩種電路中，AC-LED中的LED晶粒在一個周期內(10ms)電流隨時間變化情況。從圖中可知：在Jfet的控制下，前五組LED(共33顆)依次提前導通，一個周期內導通時間約為9ms，占一個周期時間的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導通時間約為4ms，占一周期40%，導通時間大大提高。在前半個周期內：第一組LED依次工作在：23、28、33、38、43mA五個恒流階段；第二組與第一組串聯依次工作在28、33、38、43mA四個恒流階段；第三組與前兩組串聯依次工作在33、38、43mA三個恒流階段；第四組與前三組串聯依次工作在38、43mA兩個恒流階段；第五組與前四組串聯工作在43mA一個階段，當第六組3顆LED導通，36顆LED全部導通，達到峰值電流70mA，后半個周期工作順序相反。

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，柵源電壓依次為：-5.2，-5.3，-5.4，-5.5，-5.6V，與設定值保持一致。

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

4 結論

本文基于pspice電路仿真軟件，設計了一種利用結型場效應管開關特性控制AC-LED中LED晶粒分段提前導通的電路。[13]根據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晶粒的數量，并對其合理分組，控制了每組恒流導通的時間。通過編輯、調試、優化了J1～J5電學參數，得到了Jfet相繼導通、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通，通過設定較小的Vds值，減少了Jfet從開啟到飽和，從飽和到截止的時間，提高了開關響應速度，降低其對電源的利用效率，也提高了LED的發光時間與光利用率。通過選取輸入電壓為110V交流電，36顆LED串聯晶粒，并用5個Jfet將其分成6組的實例進行電路仿真，從仿真數據可得：通過Jfet控制LED晶粒分段串聯導通，在一個周期內各組LED導通時間共9ms，相比沒有Jfet控制的AC-LED，發光時間大大提高，頻閃現象可以緩解。

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