CN106413191A

CN106413191A - 用于可见光通信的高速率高转换效率的led驱动电路

Info

Publication number: CN106413191A
Application number: CN201610919313.6A
Authority: CN
Inventors: 毛陆虹; 闫俊松; 谢生; 肖谧
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-02-15

Abstract

一种用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，包括预加重电路、控制电路、第一MOS管和第二MOS管，控制电路的一个电源信号输入端连接直流偏置信号输入，外部电源输入端连接外部供电电源，信号输入端通过预加重电路连接数据信号输入，控制电路的电源输出负极通过第一电阻接地，电源输出正极连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的源极通过第一电阻接地，漏极连接第二MOS管的漏极，第二MOS管的栅极连接外部供电电源，源极连接发光二极管的负极，发光二极管的正极连接外部供电电源。本发明大大提高VLC系统的带宽。通过单一电源装置来控制交流电流信号和直流电流从而达到高速度，高效率，高集成度的目的。

Description

用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路

技术领域

本发明涉及一种可见光通信。特别是涉及一种采用预加重电路以及阻抗衰减的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路。

背景技术

近年来，随着电子科技的高速发展，智能设备的用户总数和普及率逐年大幅度增加，随之增长的是人们对高速宽带多媒体通信的需求。此时传统射频通信出现频谱资源紧张的态势，加之电磁辐射干扰等因素的局限,以及人们日益重视辐射对身体健康的影响，促使产生了一种能够拓宽频谱的资源，通过绿色节能的LED灯为传输基站的通信方式——可见光通信。

大功率LED由于其效率高，寿命长，体积小，在未来的照明系统中具有重要作用。此外，大功率LED在室内照明，车辆照明，交通信号和指示面板等许多领域得到广泛应用。与白炽灯和荧光灯相比，LED由于其较高的调制带宽从而更适合用来通信。因此，LED可以同时应用于照明和通信。基于以上原因，LED在未来具有巨大的发展潜力，并且有许多科研人员进行基于LED的通信网络研究。此外，由于其高保密性、低成本、与传统微波通信接口相兼容等特点，发展室内照明的VLC技术具有诸多优势。

发展VLC通信系统将面临三大挑战：成本，效率，传输速率。需要在这三个因素之间进行折中考虑。为了开发高速VLC系统，带有Bias-T的LED驱动被应用许多研究当中。除了将DC信号与AC信号相结合的Bias-T模块，还需要额外的用于传输数据的驱动。这通常是用一个功率放大器来实现。这就导致了低效率、低集成度、高成本等问题。这就限制了室内VLC技术的进一步发展。

白光LED已经广泛应用于室内照明中，荧光粉LED具有低成本、高可靠性、高发光强度、生产技术成熟等诸多优点，使其在市场上具有更大的竞争力。然而，荧光粉LED的较长响应时间使得其调制带宽通常小于2MHz。这将成为VLC高速通讯的设计瓶颈。因此，本设计提出了一种采用线性电源调制和阻抗衰减技术的LED驱动电路，这将大大提高VLC系统的带宽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够大大提高VLC系统带宽的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路。

本发明所采用的技术方案是：一种用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，其特征在于，包括预加重电路、控制电路、第一MOS管和第二MOS管，所述控制电路的一个电源信号输入端连接直流偏置信号输入，外部电源输入端连接外部供电电源，信号输入端通过所述预加重电路连接数据信号输入，所述控制电路的电源输出负极通过第一电阻接地，电源输出正极连接所述第一MOS管的栅极，第一MOS管的源极通过第一电阻接地，漏极连接所述第二MOS管的漏极，第二MOS管的栅极连接外部供电电源，源极连接发光二极管的负极，所述发光二极管的正极连接外部供电电源。

所述的预加重电路包括有第二电阻、第三电阻和第一电容，其中，所述第三电阻和第一电容并联连接，并联后的输入端连接数据信号输入，并联后的输出端连接所述控制电路的信号输入端，该输出端还通过第二电阻接地。

所述的控制电路包括有电压加法器和与电压加法器的输出端相连的误差放大器，所述电压加法器的电源输入端连接直流偏置信号输入，所述电压加法器的信号输入端通过所述预加重电路连接数据信号输入，所述误差放大器的电源输出负极通过第一电阻接地，电源输出正极连接所述第一MOS管的栅极。

本发明的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，提出了一种采用线性电源调制和阻抗衰减技术的LED驱动电路，这将大大提高VLC系统的带宽。本发明将白光LED照明和VLC技术相结合。提出的LED驱动采用线性电流调节，通过单一电源装置来控制交流电流信号和直流电流从而达到高速度，高效率，高集成度的目的。本发明具有以下优点：

1、基于新兴的可见光通信技术，实现了可见光环境下的数据发射功能，与传统的射频通信技术相比，具有适用性广，抗干扰保密性强，无电磁辐射对人体无害等优点，在危险品存放和特殊场所物品检测方面有诸多优势。

2、采用阻抗衰减技术来极大地展宽LED驱动电路的带宽。

3、采用一阶预加重电路用来提高由于荧光粉LED过慢的响应速度造成的带宽限制。

4、采用标准CMOS工艺，使可见光通信系统芯片化，使用成熟先进的半导体工艺CMOS技术，代替了现有的通过分立元器件的方式搭建的可见光通信系统，实现了VLC系统的高度集成化，减小了系统体积，降低了成本。为可见光通信的芯片行业注入新的活力。

综上所述，本发明提出的基于可见光通信的LED驱动电路结构和实施方法具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路的电路框图；

图2是本发明中预加重电路的电路原理图。

图中

1：预加重电路 2：控制电路

21：电压加法器 22：误差放大器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路做出详细说明。

如图1所示，本发明的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，包括预加重电路1、控制电路2、第一MOS管M1和第二MOS管M2，所述控制电路2的一个电源信号输入端连接直流偏置信号输入DC，外部电源输入端连接外部供电电源VDD2，信号输入端通过所述预加重电路1连接数据信号输入AC，所述控制电路2的电源输出负极通过第一电阻R1接地，电源输出正极连接所述第一MOS管M1的栅极，第一MOS管M1的源极通过第一电阻R1接地，漏极连接所述第二MOS管M2的漏极，第二MOS管M2的栅极连接外部供电电源VDD，源极连接发光二极管LED的负极，所述发光二极管LED的正极连接外部供电电源VDD1。

本发明中第一MOS管M1和第二MOS管M2构成功率输出部分：该部分主要目的是提供给发光二极管LED大功率电流，通过采用阻抗衰减技术从而扩展电路带宽。

如图1所示，所述的控制电路2包括有电压加法器21和与电压加法器21的输出端相连的误差放大器22，所述电压加法器21的电源输入端连接直流偏置信号输入DC，所述电压加法器21的信号输入端通过所述预加重电路1连接数据信号输入AC，所述误差放大器22的电源输出负极通过第一电阻R1接地，电源输出正极连接所述第一MOS管M1的栅极。

如图2所示，所述的预加重电路1包括有第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C1，其中，所述第三电阻R3和第一电容C1并联连接，并联后的输入端连接数据信号输入AC，并联后的输出端连接所述控制电路2的信号输入端，该输出端还通过第二电阻R2接地。

预加重电路1为了解决荧光粉LED的较慢的响应速度，采用预均衡技术补偿荧光粉LED的带宽限制。

控制电路2目的是将直流偏置信号输入DC和数据信号输入AC通过单一的功率管结合起来。这样不仅能够提供较大的直流工作电流而且能够提供较大带宽实现高速率通信。

如图1所示，本发明的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，将控制电路2与第一MOS管M1和用于电流检测的第一电阻R1相连，驱动电路由闭环控制，这样可以产生比较精确的电流I_led。Vcs是驱动电路的输出电压，这样驱动电流就等于Vcs/R1。因为I_led和V_cs的一阶关系，此电路的线性电流调制目的就达到了。同时，此线性驱动电路通过第一MOS管M1实现了DC和AC信号的控制。这时，控制电路2的输出电压Vcs就等于DC信号加上AC信号。换句话说，发光二极管LED驱动电流I_led包含了照明和通信信号。这就使得发光二极管LED驱动电路将VLC技术与照明成功结合。

功率输出级的主要目的就是提供给发光二极管LED大功率电流，包含功率MOSFET和电流检测电阻。

但是大功率的电流引起了MOSFET栅极较大的等效电容。这样会引起LED驱动电路环路带宽的降低，并且会使控制电路2的功耗增加因为更多的电流被用来驱动功率MOSFET。而且会造成系统的传输速率降低，效率降低和线性度恶化。本发明的阻抗衰减技术能够降低功率MOSFET的栅极等效电容。

如图1所示，由第一MOS管M1和第二MOS管M2组成的功率输出级包含阻抗衰减技术的电路。电路中会存在较大的功率管栅极等效电容，这来自于小信号输入电容C_iss的米勒效应的影响。米勒电容的值取决于功率管漏级的输出阻抗。但是第一MOS管M1的漏级输出电阻因为串联的发光二极管LED增大了。这将反过来增大第一MOS管M1栅极的等效电容。这样驱动电路的带宽被过大的等效电容所限制。

为了解决因为串联在第二MOS管M2漏级的发光二极管LED而引起的过大等效电容，本设计引入了阻抗衰减技术。由于引入了共源共栅第二MOS管M2，第一MOS管M1的输出阻抗被降低了1+g_mr_o倍。第一MOS管M1栅极等效电容减小从而电路带宽扩大。本发明通过引入阻抗衰减技术实现了高带宽、高驱动电流和高效率的驱动。

控制电路2的目的是将照明用DC信号和通信用AC信号通过单一的功率器件结合起来。控制电路2不仅能够提供较大直流电流而且能够提供较大带宽从而实现高速率通信。控制电路2包括误差放大器和电压加法器。

误差放大器：为实现高增益，高驱动能力和高线性度的目的，该控制电路2的误差放大器由具有AB类输出级的折叠式共源共栅放大器实现。

电压加法器：电压加法器的目的是将直流发光信号VLD与交流信号数据信号结合起来，并且提供给误差放大器合适的信号。

尽管LED驱动的电带宽可以通过阻抗衰减技术得到提高，但是光带宽受限于荧光粉LED的较慢的响应速度。为了解决这个问题，预加重电路1用来补偿因为荧光粉LED造成的带宽限制。如图2所示，预加重电路1由一级电路组成：第二电阻R2，第一电容C1，第三电阻R3，传输函数如下。本发明的重点是将零点W1放置于LED的-3dB带宽频率上，极点W2放置于通信系统想要达到的带宽频率上。所以预加重电路可以补偿由于荧光粉LED带来的带宽限制。

Claims

1.一种用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，其特征在于，包括预加重电路(1)、控制电路(2)、第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)，所述控制电路(2)的一个电源信号输入端连接直流偏置信号输入(DC)，外部电源输入端连接外部供电电源(VDD2)，信号输入端通过所述预加重电路(1)连接数据信号输入(AC)，所述控制电路(2)的电源输出负极通过第一电阻(R1)接地，电源输出正极连接所述第一MOS管(M1)的栅极，第一MOS管(M1)的源极通过第一电阻(R1)接地，漏极连接所述第二MOS管(M2)的漏极，第二MOS管(M2)的栅极连接外部供电电源(VDD)，源极连接发光二极管(LED)的负极，所述发光二极管(LED)的正极连接外部供电电源(VDD1)。

2.根据权利要求1所述的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，其特征在于，所述的预加重电路(1)包括有第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第一电容(C1)，其中，所述第三电阻(R3)和第一电容(C1)并联连接，并联后的输入端连接数据信号输入(AC)，并联后的输出端连接所述控制电路(2)的信号输入端，该输出端还通过第二电阻(R2)接地。

3.根据权利要求1所述的用于可见光通信的高速率高转换效率的LED驱动电路，其特征在于，所述的控制电路(2)包括有电压加法器(21)和与电压加法器(21)的输出端相连的误差放大器(22)，所述电压加法器(21)的电源输入端连接直流偏置信号输入(DC)，所述电压加法器(21)的信号输入端通过所述预加重电路(1)连接数据信号输入(AC)，所述误差放大器(22)的电源输出负极通过第一电阻(R1)接地，电源输出正极连接所述第一MOS管(M1)的栅极。