CN210042317U - 一种led高速脉冲驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED高速脉冲驱动电路，包括功率器件、电感L1、二极管D1、钳压单元、储能电容C1、二极管D5、限流电阻R3以及LED单元，所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极连接，二极管D5的阴极、钳压单元的输出端以及储能电容C1的一端均连接到所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极的连接线上；LED单元的输出端与功率器件的第一端连接，二极管D5的阳极连接到所述LED单元的输出端与功率器件的第一端的连接线上；电感L1的一端连接二极管D5的阳极；功率器件的第二端接脉冲驱动器PD，功率器件的第三端接地；二极管D1的阳极与限流电阻R3的一端连接；本实用新型的优点在于：缩短LED脉冲驱动响应时间，提高LED脉冲驱动的响应速度。

Description

一种LED高速脉冲驱动电路

技术领域

本实用新型涉及发光二极管的驱动领域，更具体涉及一种LED高速脉冲驱动电路。

背景技术

LED学名为发光二极管，是一种将电能转化为光能的半导体元件。近年来，LED应用越来越普及，随着技术的不断发展，PWM调制光技术应用越来越广泛，更高频率的调制光需求向驱动技术发出挑战。近两年兴起的TOF技术，对LED发光器件的调制频率要求达到10MHZ以上，更低的驱动延迟、更短的上升和下降时间以及纳秒级窄脉冲光信号越来越受到重视，并且这也是一直以来亟待解决的工程难题。

图1是发光二极管的等效电路图。其中Cd是二极管的PN结电容，由于PN结的宽度会随着PN结两端的正偏电压增大而减小，所以结电容大小也会随着PN结两端电压增大而增大。图1中的Rd为PN结正偏下的动态电阻，由LED的伏安特性决定的。图1中的Rs为P型半导体和N型半导体的体电阻，电阻通常非常小，由P型半导体和N型半导体的电阻率决定。Lp和Cs分别为LED封装以后的寄生电感和寄生电容。由于LED开通和关断时，需要对结电容和寄生电容充电和放电，电容的大小直接影响LED的频率响应，即延迟LED的点亮、熄灭时间。

现有技术常用的发光二极管驱动电路如图2所示，图2中的LED1为发光二极管，属于负温度糸数的非线性元件。所谓“负温度糸数”是指LED的内阻随温度上升而减小。而“非线性”又会使内阻变小的趋势呈几何级数变化，如果处理不好，很容易造成LED灯珠的早衰甚至击穿、烧毁。图2中的R1为限流电阻或恒流器件，用于保护LED器件。图2中的S1为高速控制开关，通常为MOS管或晶体管，用于控制LED的通断。如图3，给S1施加使能控制，可以看到LED的驱动电流脉冲信号的上升沿和下降沿非常缓慢。光脉冲信号也出现了延迟，td表示给LED加上电流到LED开始辐射出光的延迟时间。tr表示光信号上升时间。tf表示光信号下降时间。由于LED等效电容会延迟注入载流子到达复合区域的时间，从而引起这种导通延迟。只有等效电容充满电后，LED才会辐射出光信号，而等效电容充电时间取决于时间常数和脉冲电流的大小。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术的LED脉冲驱动电路光信号的上升时间和下降时间较长。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种LED高速脉冲驱动电路，包括功率器件、电感L1、二极管D1、钳压单元、储能电容C1、二极管D5、限流电阻R3以及LED单元，所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极连接，二极管D5的阴极、钳压单元的输出端以及储能电容C1的一端均连接到所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极的连接线上；钳压单元的输入端接地，储能电容C1的另一端接地；

LED单元的输出端与功率器件的第一端连接，二极管D5的阳极连接到所述LED单元的输出端与功率器件的第一端的连接线上；电感L1的一端连接二极管D5的阳极，另一端接电源VCC2；功率器件的第二端接脉冲驱动器PD，功率器件的第三端接地；二极管D1的阳极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端接电源VCC1。

优选的，所述功率器件为低栅源电容和漏源电容的功率器件。

优选的，所述功率器件为三极管、晶闸管或者BJT型晶体管中任一种。

优选的，所述储能电容C1取值范围为1pF～1uF。

优选的，所述钳压单元的电压高于电源VCC1的电压2V以上，且钳压单元的电压低于功率器件的耐压。

优选的，所述钳压单元为稳压二极管、TVS管或者压敏电阻。

优选的，所述二极管D1和二极管D5为多数载流子器件。

优选的，所述二极管D1和二极管D5为肖特基二极管。

优选的，所述电源VCC1的电压大于所述电源VCC2的电压。

优选的，所述LED单元为单个LED、LED阵列、多个LED阵列串联或者Vcsel激光二极管。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型基于BOOST拓扑结构，利用峰值脉冲技术设计出一种LED高速驱动电路，在LED开启或者关断时采用电流脉冲峰值技术，可以在LED开启时给LED施加过冲电流信号加速LED开启或者关断时施加负电流过冲信号加速LED关断，相比常用LED驱动方式可以缩短响应时间，提高LED脉冲驱动的响应速度，并且光效率也得到了极大的提升。

附图说明

图1是发光二极管的等效电路图；

图2是现有技术的发光二极管的驱动电路图；

图3是现有技术的发光二极管的驱动电路中电流脉冲驱动LED产生光信号延迟示意图；

图4是本实用新型实施例所提供的一种LED高速脉冲驱动电路中利用脉冲峰值技术驱动LED产生光脉冲响应的原理示意图；

图5是本实用新型实施例所提供的一种LED高速脉冲驱动电路原理图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

一种LED高速脉冲驱动电路，包括功率器件、电感L1、二极管D1、钳压单元、储能电容C1、二极管D5、限流电阻R3以及LED单元，所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极连接，二极管D5的阴极、钳压单元的输出端以及储能电容C1的一端均连接到所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极的连接线上；钳压单元的输入端接地，储能电容C1的另一端接地；

LED单元的输出端与功率器件的第一端连接，二极管D5的阳极连接到所述LED单元的输出端与功率器件的第一端的连接线上；电感L1的一端连接二极管D5的阳极，另一端接电源VCC2；功率器件的第二端接脉冲驱动器PD，功率器件的第三端接地；二极管D1的阳极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端接电源VCC1。

作为本实用新型的优选方案，所述功率器件为低栅源电容和漏源电容的功率器件。具体的，所述功率器件为三极管、晶闸管、BJT型晶体管以及其他功率器件，本实施例中功率器件采用的是场效应管S2。上述第一端、第二端、第三端是为了便于理解对功率器件三接线端编号，在实际应用中，三极管的三接线端分别为集电极、基极、发射极，场效应管的三接线端分别为漏极、栅极、源极，根据选取的器件不同，三接线端名称有所不同，本领域技术人员很容易根据功率器件选型不同，调整三接线端名称的描述，在此不对各接线端一一阐述。

作为本实用新型的优选方案，所述钳压单元的电压高于电源VCC1的电压2V以上，且钳压单元的电压低于功率器件的耐压。所述钳压单元为稳压二极管、TVS管或者压敏电阻。本实施例中钳压单元为稳压二极管D3。

作为本实用新型的优选方案，所述二极管D1和二极管D5为多数载流子器件。本实施例中，所述二极管D1和二极管D5为肖特基二极管。

作为本实用新型的优选方案，所述LED单元为单个LED、LED阵列、多个LED阵列串联或者Vcsel激光二极管，本实施例中，所述LED单元为发光二极管LED3。

如图4所示，本实施例中，所述发光二极管LED3的阳极与二极管D1的阴极连接，二极管D5的阴极、稳压二极管D3的阴极以及储能电容C1的一端均连接到所述发光二极管LED3的阳极与二极管D1的阴极的连接线上；稳压二极管D3的阳极接地，储能电容C1的另一端接地；

发光二极管LED3的阴极与场效应管S2的漏极连接，二极管D5的阳极连接到所述发光二极管LED3的阴极与场效应管S2的漏极的连接线上；电感L1的一端连接二极管D5的阳极，另一端接电源VCC2；场效应管S2的栅极接脉冲驱动器PD，场效应管S2的源极接地；二极管D1的阳极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端接电源VCC1。

具体的，所述储能电容C1取值范围为1pF～1uF。

具体的，所述电源VCC1的电压大于所述电源VCC2的电压。

本实用新型的工作过程和工作原理为：针对背景技术中的问题，通常的做法是在LED开启或者关断时采用电流脉冲峰值技术。所谓脉冲峰值技术是指在LED开启时给LED施加过冲电流信号加速LED开启或者关断时施加负电流过冲信号加速LED关断。如图5所示是利用脉冲峰值技术驱动LED产生光脉冲响应示意图。与图3相比，可以大大改善光信号的上升和下降时间，尤其是下降时间，不再有较长的拖尾了。而本实用新型就是利用电流脉冲峰值技术改善光信号的上升和下降时间的，下面对工作过程详细阐述。

在第一个脉冲信号来临前，储能电容C1的电压约为电源VCC1的电压。当第一个脉冲到来后，场效应管S2迅速导通，发光二极管LED3注入电流，但此时的发光二极管并没有快速响应。在场效应管S2打开的同时，电感L1也开始进行储能充电。

当第一个脉冲结束后，场效应管S2迅速关断，发光二极管LED3由于存在寄生电容，需要对寄生电容继续充电而难以快速熄灭。而与发光二极管LED3相连的电感L1在上个脉冲结束时已经存在电流，会继续保持电流，释放电感L1中存储的能量，迅速为发光二极管的寄生电容充电，从而在发光二极管LED3中产生负电流过冲，加速发光二极管LED3关断。当发光二极管LED3的阴极电压充至高于阳极约0.5V时，二极管D5导通，由于电感L1、二极管D5、场效应管S2、储能电容C1组成BOOST升压结构，能量通过二极管D5充入储能电容C1中，二极管D1的作用是防止储能电容C1中电荷流入电源VCC1中，储能电容C1电压随着电感L1的能量灌入而升高。但储能电容C1中的电流持续升高可能会造成发光二极管或者场效应管损坏，稳压二极管D3的作用是钳位电压保护，防止储能电容C1电压过高，提高系统稳定性。在下一个脉冲到来前，C1电压已充至高于VCC1的高压。

当第二个脉冲到来时，场效应管S2迅速打开，由于储能C1已存储了比较高的电压，而发光二极管的等效阻抗不变，所以发光二极管LED3开通时产大瞬时过冲电流，发光二极管LED3迅速开通，延迟和响应时间均大大缩小。同时，电感L1也在进行新一轮储能充电。当后面的脉冲连续不断到来时，重复上述过程，LED响应脉冲的速度大大提升。

通过以上技术方案，本实用新型提供的一种LED高速脉冲驱动电路，基于BOOST拓扑结构，在LED开启或者关断时采用电流脉冲峰值技术，可以在LED开启时给LED施加过冲电流信号加速LED开启或者关断时施加负电流过冲信号加速LED关断，相比常用LED驱动方式可以缩短响应时间，提高LED脉冲驱动的响应速度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，包括功率器件、电感L1、二极管D1、钳压单元、储能电容C1、二极管D5、限流电阻R3以及LED单元，所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极连接，二极管D5的阴极、钳压单元的输出端以及储能电容C1的一端均连接到所述LED单元的输入端与二极管D1的阴极的连接线上；钳压单元的输入端接地，储能电容C1的另一端接地；

LED单元的输出端与功率器件的第一端连接，二极管D5的阳极连接到所述LED单元的输出端与功率器件的第一端的连接线上；电感L1的一端连接二极管D5的阳极，另一端接电源VCC2；功率器件的第二端接脉冲驱动器PD，功率器件的第三端接地；二极管D1的阳极与限流电阻R3的一端连接，限流电阻R3的另一端接电源VCC1。

2.根据权利要求1所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述功率器件为低栅源电容和漏源电容的功率器件。

3.根据权利要求2所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述功率器件为三极管、晶闸管或者BJT型晶体管中任一种。

4.根据权利要求1所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述储能电容C1取值范围为1pF～1uF。

5.根据权利要求1所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述钳压单元的电压高于电源VCC1的电压2V以上，且钳压单元的电压低于功率器件的耐压。

6.根据权利要求5所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述钳压单元为稳压二极管、TVS管或者压敏电阻。

7.根据权利要求1所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述二极管D1和二极管D5为多数载流子器件。

8.根据权利要求7所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述二极管D1和二极管D5为肖特基二极管。

9.根据权利要求1所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述电源VCC1的电压大于所述电源VCC2的电压。

10.根据权利要求1所述的一种LED高速脉冲驱动电路，其特征在于，所述LED单元为单个LED、LED阵列、多个LED阵列串联或者Vcsel激光二极管。

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