适用于照明和可见光通信的宽输入电压范围的分段式LED驱动电路

导读

浙江工业大学信息工程学院、杭州电子科技大学自动化学院、浙江科技学院工程训练中心的研究人员陈怡、张志义等，在2018年第12期《电工技术学报》上撰文指出，当照明与可见光通信（VLC）相结合时，LED及其驱动电路便获得了更宽广的应用舞台。适用于照明和可见光通信的LED驱动电路既需要满足电气照明标准又需要满足通信要求。

本文以输入电压自适应的恒定功率照明为主体，提出局部归零开关键控（RZ-OOK）调制的LED电流控制方法，使分段式LED驱动电路在宽输入电压范围内兼具照明和可见光通信的功能。

样机的实验测试结果表明：照明模式下，PF值和THD值都符合电气照明标准，而且输出功率可保持恒定；连续少帧VLC模式下，PF值和THD值也都符合电气照明标准，而且输出功率波动较小，适合照明和可见光通信两用；连续多帧VLC模式下，仅PF值符合电气照明标准，而且输出功率波动较大，更适合可见光通信的应用。

发光二极管（Light Emitting Diodes, LED）具有节能、寿命长、环保、响应速度快等诸多优点，已被公认为是一种性能优越的照明光源[1-3]。除了照明，近年来LED还被用于频谱资源丰富、无电磁辐射、高安全性的可见光通信（Visible Light Communication, VLC）[4-7]。当照明与可见光通信相结合时，LED及其驱动电路便获得了更宽广的应用舞台。

适用于照明和可见光通信的LED驱动电路不但需要满足基本的电气照明标准（以AC-DC应用为例，需要考虑功率因数、总谐波畸变率、效率等多项指标），而且还需要满足数据传输速率及误码率等通信要求。

目前，低速率的可见光通信（下行传输速率范围覆盖数十kbit/s～数Mbit/s）主要应用于无线广播和定位导航；而未来，高速率的可见光通信（下行传输速率可高达数十Gbit/s）将成为物联网的一部分，与WiFi、4G甚至5G网络实现融合[6,7]。

无论是低速率还是高速率的可见光通信，现适用的LED驱动方案大多以现有的LED照明驱动电路为基础，在其输出端为LED串添加额外的开关器件：串联的阻断开关适合输出电压型的LED照明驱动电路[7-11]；并联的旁路开关则适合输出电流型的LED照明驱动电路[12,13]。再根据照明（包含调光）和可见光通信的要求以及LED照明驱动电路的工作特点，选用合适的LED电流调制方式控制上述额外开关器件的工作状态（包括线性放大状态[14-16]）。

开关键控（On-Off Key, OOK）调制和脉冲位置调制（Pulse Position Modulation, PPM）是最常用的两种LED电流调制方式[7,17]。开关键控调制包括归零开关键控（Return-to-Zero OOK, RZ-OOK）[10]调制和非归零开关键控（Non-Return-to-Zero-OOK, NRZ- OOK）[15]调制；脉冲位置调制包括子载波脉冲位置调制（SC-PPM）[18]、差分脉冲位置调制（Differential PPM, DPPM）[19]和变脉冲位置调制（Variable PPM, VPPM）[11-13]。

分段式LED驱动电路是一种应用于AD-DC小功率场合的线性电路，具有高效率、高功率因数（Power Factor, PF）、低总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）、低成本、长寿命等优点[20-24]。它们的主电路中已包含多个控制LED电流的半导体器件（常见的有MOSFET[20,21]和BJT[22-24]）。因此，不需要再添加任何额外的开关器件，只需要合理地利用上述这些可控半导体器件就可以令分段式LED驱动电路满足照明和可见光通信的应用需求。

本文在文献[24]的基础上，以输入电压自适应的恒定功率照明为主体，提出了局部RZ-OOK调制的LED电流控制方法，使分段式LED驱动电路在宽输入电压范围内兼具照明和可见光通信的功能。

图1  宽输入电压范围的分段式LED驱动电路

图5  由样机、VLC接收装置和上位机组成的实验平台

结论

本文以输入电压自适应的恒定功率照明为主体，提出了局部RZ-OOK调制的LED电流控制方法，使分段式LED驱动电路在宽输入电压范围内兼具照明和可见光通信的功能。

从本质上讲，本文所提方案与传统串联数字调光方案[9]和串联RZ-OOK VLC调制方案[10]同属于串联调制方法。三种方案性能比较见表6，本文所提方案在充分利用LED驱动电路原有可控半导体器件方面具有优势。

今后，还将继续改进“局部调制”的LED电流控制方法，着重从提高LED电流调制频率和改变调制方式两方面入手解决分段式LED驱动电路在连续多帧VLC模式下适合照明和可见光通信两用的问题。

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