一种单片节能灯驱动芯片的保护电路设计.doc

5221371 11号

论文题目 一种单片节能灯驱动芯片的保护电路设计
专业学位类别 工 程 硕 士
学 号 200950301022
作 者 姓 名 鄢 嫣
指 导 教 师 方 健 教 授

分类号 密级

UDC注1

学 位 论 文

一种单片节能灯驱动芯片的保护电路设计
（题名和副题名）

鄢 嫣
（作者姓名）

指导教师 方 健 教 授
电子科技大学 成 都
崔晓东 高级工程师
英特尔产品有限公司 成 都
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 硕士 专业学位类别 工 程 硕 士
工程领域名称 集成电路工程
提交论文日期 2014.03 论文答辩日期 2014.05
学位授予单位和日期 电子科技大学 2014年6月27日
答辩委员会主席
评阅人

注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。

PROTECTION CIRCUIT DESIGN OF A SINGLE ENERGY-SAVING LAMP DRIVER CHIP

A Master Thesis Submitted to
University of Electronic Science and Technology of China

Major:
Integrated Circuit Engineering
Author:
Yan Yan
Advisor:
Fang Jian
School :
School of Microelectronics and Solid-state Electronics

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

作者签名： 日期： 年 月 日

论文使用授权
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
作者签名： 导师签名：
日期： 年 月 日

摘 要
摘 要
随着我国经济的不断高速发展，人们现在更加重视节约能源，提倡对“绿色照明”的应用，特别是用各种节能灯替代传统的白炽灯的要求。本文针对一种单片节能灯的驱动芯片设计其保护电路，可适应在民用交流电220V工作环境下的稳定、高功效、低散热。本芯片采用的专门化器件集成模块，可以很好的将各器件隔离，并且尽量缩小设计的体积、工作过程和响应时间。本驱动芯片的保护电路主要是对脉冲触发电路、故障定时器的短路保护、外围电阻温度检测、异常电压电流控制电路、电流采样与比较电路、ESD防静电保护电路的设计，达到对整个芯片的功能模块实现有效的保护。
本文对保护电路的每个单元电路进行了电路图的设计，并完成仿真和实验测试。通过与设计参数的对比，本电路的实验测试结果可以达到预期标准，可在保证可靠性的条件下以低功耗、高效率运行。整个驱动电路的紧凑版图设计对于有体积要求的节能灯产品来说有着实际意义。
本设计的保护电路，可应用于以发光二极管为功率器件的节能灯驱动芯片，从设计特性分析，也可用于其他低功率节能灯产品，其应用面广泛。设计保护电路部分的实现与测试仿真。本芯片采用的专门化器件集成模块，可以很好的将电磁、光耦隔离的缺点减小，并且有效控制了芯片的体积，缩短响应时间。
本设计能够使芯片有较好的封装形式和封装材料，以实现在可靠性的条件下达到低功耗、散热效果好，并降低成本。对本驱动电路的各部分电路，在实验环境下搭建了模拟的应用工作平台，使用实验测试仪器完成了对各项参数的采集和设计对比。通过测试结果分析，本设计的芯片的可以达到要求的功能和工作标准，保证了芯片工作中的散热性、稳定性、好的工作效率，并可适合运用于节能灯产品的生产。对ESD保护电路的半导体材料进行分析选用，并介绍在大规模生产环境下的静电防护工艺。设计出一款适用于发光二极管节能灯的功率驱动芯片保护电路。对设计中用到的各元器件进行定义的引用及功能介绍，着重完成保护电路的实现,并在此平台的基础上完成芯片驱动电路的版图设计。

关键词：短路保护，ESD防护，电流采样，外围电阻

I
ABSTRACT
ABSTRACT
With the continuous rapid economic development, people now pay more attention to energy conservation, with the "green light" applications, especially the requirement to replace the traditional incandescent lamp with a variety of energy-saving lamps. In this paper, the design of its protection circuit for a single energy saving lamp driver chip, can be adapted to a stable, high efficiency, low heat dissipation at 220V AC civilian work environment. Specialized device integrated module of the chip can be good for each device isolation, and try to reduce the size of the chip design, work processes and short response time. The driver chip protection circuits are mainly discussed on the pulse trigger circuit, short-circuit protection fault timer peripheral resistance temperature detector, abnormal signal generating circuit, compared with the current sampling circuit, ESD anti-static protection for the entire chip function modules to achieve effective protection.
In this paper, each unit circuit of the protection circuit is schematics designed, and completed the simulation experimental testing. By comparing with the design parameters, experimental results of the circuit can reach the expectation and run at low power, high efficiency under conditions to ensure reliability. Effectively control the size of the chip, shorten response time.
The design of the protection circuit can be used to power devices with LED energy saving lamp driver chip, from the design characterization, can also be used for other low-power energy-saving lighting products, its wide application surface. Implementation and testing simulation designed to protect part of the circuit. Disadvantages specialized device integrated module of the chip, and can be a good electromagnetic, optical isolators, decreases, and try to reduce the size of the chip design, work processes and short response time.
Based on the integration requirements, this design enables a better chip packages and packaging materials in order to achieve low power conditions to achieve reliability, thermal effects, and lower costs. Each part of the circuit of the drive circuit, in the experimental simulation environment to build applications work platform, using the experimental test instruments designed to collect and complete comparison of the various parameters. By analyzing the test results, you can achieve the required functionality and working standards of the design of the chip, the chip work to ensure heat dissipation, stability, good efficiency, and suitable for the production of products used in energy-saving lamps. Analysis the semiconductor materials selection, and introduces electrostatic protection technology in large-scale production environment of ESD protection circuit. Design a suitable energy-saving light-emitting diode lamp power driver IC. Refer to the design and function of the various components, which are focusing on the completion of the circuit to achieve protection. Also complete the driver circuit chip layout design based on this platform on.

Keywords: Short circuit protection, ESD protection, current sampling, peripheral resistance
II
目录
目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 实用价值分析 1
1.3 保护电路设计技术路线 5
1.4本章总结 7
第二章 节能灯驱动电路芯片的功能器件 8
2.1 LED发光二极管 8
2.2 交流电子镇流器 9
2.2.1交流电子镇流器的组成 10
2.2.2交流电子镇流器的优点 10
2.3场致发光灯 11
2.4保护电路结构设计 13
2.5 本章总结 16
第三章 节能灯驱动芯片保护电路设计 18
3.1 驱动芯片保护电路结构 18
3.1.1 故障定时器的短路保护 18
3.1.2 脉冲触发电路 21
3.1.3 外围电阻温度检测 23
3.2保护电路内部模块 26
3.2.1 异常电压电流控制电路 26
3.2.2 电流采样与比较电路 27
3.3 ESD防静电保护电路 31
3.4 整体保护电路的应用分析 34
3.5 本章总结 35
第四章 芯片的ESD保护材料与生产工艺 37
4.1 ESD防护材料选用 37
4.2 芯片生产工艺的ESD保护 40
4.2.1 二氧化碳的冲洗去除ESD 40
4.2.2 ESD探测器 41
4.3 本章总结 43
第五章 保护电路的芯片封装工艺与测试 45
5.1 芯片封装工艺介绍 45
5.1.1 MCM多芯片封装模式 46
5.1.2 引线键合工艺介绍 46
5.1.3 封装形式选用 47
5.2 驱动电路整体版图 49
5.3 芯片的仿真测试 51
5.4 驱动电路芯片测试数据归纳 57
5.5 本章小结 58
第六章 结论 59
6.1 本电路的设计特点 59
6.2 设计目标比较 60
6.3 下一步工作计划 60
致 谢 62
参考文献 63

IV
第一章 绪论

17
第一章 绪论
1.1研究背景
随着我国经济的不断高速发展，人们现在更加重视节约能源，提倡对“绿色照明”的应用，特别是用各种节能灯替代传统的大功耗白炽灯的要求，如图1-1所示常见的两种节能灯产品。这进一步推动了设计者们使用高性能、具有控制器IC的智能功率集成电路。近几年来，我国在集成电路芯片的设计、生产、测试等方面取得了很大的进展，使得我们有能力生产国产自主知识产权的智能功率集成电路IC。

图1-1 不同样式的节能灯
在上世纪中叶，科技工作者设计出了第一支半导体晶体管，它标志着世界的电子技术水平迈向了全新的台阶。之后的几十年，更多的高效多功能的半导体器件问世，并逐步进入到千家万户广泛地运用起来，大到飞机船舶，小到一个灯管。当代的电力电子技术，是指用功率器件控制、完成转换电能从而加以运用[1]。随后，微电子技术进一步产生巨大的发展，更为复杂的控制、驱动、保护等电路开始集成在电力电子器件上，所以智能功率集成电路Smart power IC 就应运而生。高压智能功率集成技术的产生，又是对智能功率集成电路技术有了实现条件的支撑，它在国际、国内的市场各个行业都运用广泛，潜力也很大[2]。
1.2 实用价值分析
节能灯作为一种绿色照明产品，其使用的灯管材料和填充气体都是低污染低辐射的。相比于传统的白炽灯，其能耗低、发热少，并且对电能的转换率提高了很多。当前市场上节能灯已成为绝对的主流照明产品，应用于家庭、工业等各个领域。但节能灯的主要工作器件如半导体发光二极管，是不能够像白炽灯一样可以直接加交流电，而必须通过驱动。同时，如果外部的输入电流电压发生较大波动，很容易引起发光管的损毁。因此，如何设计一款功耗低、保护性能好的驱动电路，是节能灯产品的不可缺少部分。
从半导体行业的另一个角度看，本世纪开始，移动电子设备为最具吸引力的消费品，增长速度是非常迅速的。移动设备中的背光，包括各种显示屏以及车灯等，都是类似节能灯的半导体发光方式[3]。消费的刺激使更多的制造公司把研发和资金投入到半导体的发展中来，其中包括如手机、移动电脑、相机、玩具、娱乐设备等等。在国内一年的消费增长中，电子产品是最为快速和持续的。在通信行业也是如此，通信网络的不断发展，越来越高的带宽和浏览速度要求，使便携可移动的电源管理芯片（PMC）得到长足的发展壮大；对于家电领域，如电视、智能洗衣机、摄像设备、私家车的越来越普及，智能控制芯片被更多行业重视，也成为了最顶尖和时尚的代表。可以这样说，科技是第一生产力，而智能芯片技术就是第一推进力。
随着智能驱动芯片技术的逐步快速的前进，国内外半导体技术工作者们已经开始逐渐注意到功率驱动芯片抗干扰技术和防止电网污染技术[4]。行业内上逐渐研发出更多功率驱动芯片具有更高的工作功率以及更低的功耗，所需的电压降低，适用于移动设备的能力更强了。
目前低功率驱动芯片的开发和推广工作已经开始进行中，并争取早日实现便携装置微型化。智能驱动芯片技术可以使芯片的工作电压输入输出电压都达到10以内的数量级，而且集成度高、散热性能好、工作过程稳定[5]。现在软开关、谐振变换、折叠绕组变压器和高性能铁芯等行业内的先进技术的更新和进步，智能驱动芯片在各种功率应用场合下的工作效率都显著提高。随着整个世界的半导体技术不断推进，智能驱动芯片从工作频率、电压、耐热、耐压等方面可以说是日臻完美。智能驱动芯片集成度的提高，器件元件越来越小，芯片朝着22nm级别发展，对于整个智能驱动芯片的体积和重量都是重大的提升。
可以总结得出，对于本设计的单片节能灯产品来说，需要将电路的设计朝着节能高效率、低成本、低功耗并且集成度高的方向设计，以便更好地适应市场需要，为社会的发展打下基础。整个智能驱动芯片技术的革新应用也具有更加长远的意义。
如图1-2展示了一种国外较为常用的芯片设计[6]，整体结构是以主流的器件结合而成，包括了脉冲发生、逻辑控制、死区时间产生、滤波、延时等。本驱动芯片的保护电路设计思路也是在这个基础上改进优化而来，之后的章节会详细介绍。

图1-2 一款国外较为常用的智能芯片设计
我国功率驱动芯片的发展过程，从侧面上反映了国际功率驱动芯片发展的历程，但是从功率驱动芯片设计研发的情况来看，国内的技术还远远达不到顶尖水平，尤其是在复杂度更高的芯片设计上，还很大程度处于探索阶段。
从上世纪70年代起，我国开始将输出电压为5V、输出电流为20～200A、频率为20kHZ的AC-DC功率驱动芯片应用在在黑白电视机和中小型计算机中。驱动功率芯片的研究和生产逐步发展起来。
在80年代中期时，我国在程控交换机等通信电源领域中，AC-DC及DC-DC功率驱动芯片的应用占有的比例还不是很大。到80年代末后由于我国通信电源开始了大规模升级，新型的大功率器件取代了传统的晶闸管相控稳压电源；在办公室自动化设备中也开始广泛采用了功率驱动芯片。在工业生产方面也大面积地将功率驱动芯片投入了应用。
到90年代在中国已经发展了一些新的专用电源芯片，其典型例子如下：
1、卫星功率驱动芯片。在我国自主研发的通信卫星和气象卫星上，都成功地应用了自主研制的功率驱动芯片。其特点是：多输出，而无法修复的情况可以稳定地保持长期的功能，设置模块具有很高的可靠性，EMC满足空间环境，不仅具有较高的效率，而且体积重量都很小；
2、远程火箭控制系统也采用了一款功率驱动芯片，能够在发射过程中保持很高的可靠性；
3、功率达到1000kW的牵引变流器功率驱动芯片；
4、运用于焊接机的双IGBT管软功率驱动芯片，具有很高的电流和功率输出，并具有较高的效率，输出频率达到40kHZ。双IGBT管软功率驱动芯片的负载大范围变化较为频繁，因此具有很好的动态特性，电源冲击电流小且无过冲[7]；
5、变电所在流操作系统功率驱动芯片。使供继电保护装置加以充电，代替通过晶闸管来实现对电压的控制，达到输出电流为10A，输出电压为180～286V。MOSFET和IGBT作为主体的器件[8]；
6、相和三相高功率因数整流器（有源功率同数校正器）。
国内的功率驱动芯片研究和应用在改革开放后有了很大发展，这是来源于基础产业的推动和综合国力的增强，也和国际先进功率驱动芯片技术的发展影响有关，充分显示了我国电源技术人员不断学习世界先进技术、不断自我进步的韧性。
参考其他部分节能灯驱动电路的研究实例：
1998年，湖北省电子产品质量研究所的胡大友介绍了节能灯驱动电路IR2153，该节能灯驱动电路是由美国国际整流器公司所推出的，是用于控制镇流器的专用电路。该电路由镇流器控制电路、功率因数校正电路、保护电路和保护电路等部分组成。另外，保护电路还包括逻辑比较电路和灯管的电流检测电路，能够实现安全断开功能，也能够实现平滑再启动功能。二极管光伏照明灯的驱动电路，当光伏照明灯系统输出的电压是12V的时候，他采用交叉串并联的方式设计了一个新的电路，当有部分二极管击穿电路时不会影响整个系统正常工作。
2005年，云南师范大学的张跃设计了二极管光伏照明灯的驱动电路，当光伏照明灯系统输出的电压是12V的时候，他采用交叉串并联的方式设计了一个新的电路，当有部分二极管击穿电路时不会影响整个系统正常工作。当光伏照明灯系统输出的电压是220V时，他又设计了另外一种电路。
2007年，东南大学的黄浩峰对电子节能灯驱动芯片的设计进行了研究，他采用两块芯片作为内部电路，并进行详细的分析，分析了其设计过程并进行仿真。他所研究的主芯片包括RC张弛振荡器、欠电压保护电路、死区时例控制电路、预热电路、低压功率管驱动电路等等，所研究的副芯片包括多级缓冲器和高压段接收信号电路。他还将所设计的芯片进行测试，测试结果和设计参数具有较高的吻合度。
电子科技大学的吴琼在2010的研究设计中，使用了TSUPREM软件平台设计的一款节能灯的驱动电路，主要是针对驱动电路中的半桥功率MOSFET进行设计，她对 LDMOSLDMOS LDMOS器件的中版图进行了详细的设计，同时还对单个元胞器件的版图进行了设计，并通过实验模拟的方法对这两种设计进行了验证；模拟实验结果对版图的尖端耐压进行了分析，可以改变布局从而节约面积。
2013年，电子科技大学的潘福跃在之前的平台基础上研究了高压EL灯驱动开关电源芯片设计，他在芯片子电路设计分为三个步骤进行，分别是 Boost 负反馈电路、H 桥逻辑控制电路以及 H 桥驱动电路。其中，在H桥驱动电路的设计过程中，他采用了高压二极管组件来针对上桥臂管进行钳位，利用二极管串接数量变化来对桥臂驱动电流进行控制，这样也便于控制H桥的驱动能力。同时考虑到芯片在高压下的耐受性，使用LDMOS器件实现对输入输出电压的控制。
以上的实例都很好的引导了本设计的思路，从元器件的选择、主要电路部分的设计方式、以及如何选取适合的测试方式以验证设计结果是否符合要求。对于测试平台的选用，也结合了实验室的具体环境，选取模拟软件来实现。相对于以上设计以及传统的节能灯驱动电路设计，本文的特点是注重于对芯片的保护电路部分，并且加强电路的可移植性，使其能运用于更广泛的节能灯产品。
由此可以看出，目前半导体的设计制造领域及生活方式都开始了新的转变，如何更好地利用有限的能源对绿色照明产业的提出了新的要求，客观上推动了拥有更高效、可靠、低成本的电子节能灯的发展和推广。
目前IC业内技术领先的公司在生产智能功率驱动芯片时，都是将高压功率器件和低压控制部分以及保护电路做在同一块芯片上，这样做的优点是具有很高的可靠性，但是也具备成本高的明显缺点。目前IC制成的智能功率驱动芯片，应用存在的最大问题就是价格较高。目前市面上销售的家庭照明用的一体化节能灯则大多采用采用磁环变压器为核心的半桥逆变器电路，由于价格合理且具有较好的使用效果，在功率为20W以下的节能灯市场已经完全占据了主流，如果制造智能功率驱动芯片能够采用这种最普遍的工艺设计，肯定能够在经济效益和市场前景上获得广阔的发展空间。
1.3 保护电路设计技术路线
本文结合实际对智能功率集成电路用于节能灯驱动电路的保护电路部分进行设计，针对节能灯的特点分析选用封装工艺，并对ESD静电保护的生产工艺做出设计思路，完成了整体电路的测试，设计出一款适用于多种节能灯的功率驱动芯片保护电路。该款功率驱动保护电路芯片内部功能模块有基准电压源、振荡器、滤波电路、RS触发器、脉冲触发电路、故障定时器的短路保护、外围电阻温度检测、异常电压电流控制电路、电流采样与比较电路、ESD防静电保护电路。
本文的重点是对单片节能灯驱动芯片系统在保护电路方面的安全性设计，以及对散热性和稳定性的要求。本设计能够使芯片有较好的封装形式和封装材料，以实现在可靠性的条件下达到低功耗、散热效果好，并降低成本，以及对芯片的版图设计和器件元件选用。
通过对比半导体行业内的先进手法，在设计的芯片版图上也考虑了对芯片ESD防护的设计。芯片在正常工作环境下可以达到各项参数标准，可以很好的适用于节能灯这一产品，以及其他相关产品，以实现民用、工业、通讯等领域中系统的小型化、智能化，并可具备一定的量产价值。
对半导体芯片的封装工艺介绍如何选用先进而适合本设计的封装材料及工艺。对本驱动电路的各部分电路，在实验环境下搭建了模拟的应用工作平台，使用实验测试仪器完成了对各项参数的搜集和设计对比。通过测试结果分析，本设计的芯片的可以达到要求的功能和工作标准，保证了芯片工作中的散热性、稳定性、好的工作效率，并可适合运用于节能灯产品的生产，低成本的控制等。
本文还将对芯片最重要的一个的静电放电ESD保护的生产工艺进行介绍，ESD对半导体器件及芯片的潜在损害或甚至击穿整个集成电路。驱动电路芯片在正常工作条件下，许多ESD保护元件常表现出不均匀触发。电流分流路径被触发只在该装置的一个限制区域，而不是沿整个器件的宽度。这通常是由于不充分的压舱电阻，硅化漏极和源极扩散。
节能灯驱动集成电路的应用符合严格的ESD（静电要求放电）和EMI（电磁干扰）抗扰度目标，以确保电路在较恶劣输入环境下的稳定性要求。本文阐述了如何采用一种保护元件形式的导体，防止ESD导致的集成电路击穿的设计方案。设计出本芯片整体的电路版图，并对输入输出信号及内部各个部分的布局做出了分析。在版图设计中，采用了高压结终端。工作电压和内部数字信号通过对N型保护环接高电位，来消耗掉基座上的游离子，P型保护环连接到接地端，去除基座上的空穴。另一个部分对于电路板线宽的设计，要有一定的高电流承受性，在驱动电路的输出级做到安全保证。最终以实现对芯片整体集成度、稳定性和良好的散热性要求。
本论文拟采取的技术路线和实施方案如下：
1、通过故障定时器在输入信号异常且不可调节的情况下，输出单相的错误指示，连接指示灯以报警，并截断电路的工作；
2、采用双脉冲触发模式完成高端信号的高低压电平位移，减小驱动电路的整体功耗并保证了高低压电平位移电路中器件的安全工作；
3、外围电阻温度检测可通过将输入信号预先接入热敏电阻，通过温度传感器将采集的温度信号转换为方波信号，可判断在过高温度工作环境下对输入信号的截断。
4、异常电压电流控制电路保证整体电路的前端与后端之间不会发生直通，有效地加速了功能器件的关断，防止瞬时导通，避免产生烧毁芯片的危险；
5、电流采样与比较电路通过接入采样电阻至输入端，计算其压降，从而与基准电压相比较，判定是否输入信号异常；
6、ESD防静电保护通过对交流触发的双寄生可控整流器SCR，接入芯片的I/O脚。其由两个NMOS管相连成为NPNP结构，控制并消除芯片的直流触发。
1.4本章总结
本章结合目前市场对节约能源、绿色照明的背景下，对节能灯驱动电路这一选题意义进行了分析，对目前智能芯片发展历程和前景深入了解。从而确定了本设计考虑的设计思路和范围，对所需器件元件的选用加以梳理。并对比了近年来业内比较成熟的产品及其存在的问题，更好的确定本设计的重点和技术实施路线。
第二章 节能灯驱动电路芯片的功能器件
第二章 节能灯驱动电路芯片的功能器件
2.1 LED发光二极管
二极管诞生于上世纪50年代，发光二极管（LED）是由电流激发固体半导体发光，其载流子可释放出能量从而形成光源，并且根据频率和半导体材料选用的不同，形成白、红、黄、蓝、绿等各色的光。LED作为一种使用非常广泛的发光源，具有高效节能、体积小、成本低且激发时间短的特点[9]。
当前我国正在大力推行节能减排政策，已经开始在生活、生产和服务等各行业中采取各种措施，来从根本上减少能量的消耗。照明直接影响到人们的生活质量，与人们的生活息息相关。所以，要想从本质上减少能源的消耗，就必须从源头抓起，大力推广节能灯的使用。而节能灯的驱动如果是采用过高的功耗和输入电压要求，或者不稳定可靠，也是不可以有利于它的大面积推广的。从这个目标着手，本设计会考虑到对节能灯驱动电路采用集成度高、功耗低、安全性和低成本的器件来实现。
图2-1 发光二极管原理图
发光二极管原理如图2-1所示，其组成为环氧树脂外壳、半导体芯片、金线、银角、支架。通过输入的低压直流信号，激发其中的半导体元件发光。
发光二极管相比于传统白炽灯和荧光灯，其供电方式是有很大不同的。图2-2发光二极管的伏安特性曲线，可以看出发光二极管并不是随电压电流均匀变化的，而是随温度陡升。那么就要求驱动电路的散热性良好，以保证工作电压的稳定。普通民用交流电220V不可作为输入电压，所以在驱动电路设计中，要求通过接口电路实现对输入电流电压的调节，同时不能损失过多能耗。从智能控制的角度，发光二极管是更容易加以电子化控制的，包括常用的广告灯组等，都是通过逻辑控制实现[9]。

图2-2 发光二极管伏安特性
LED的发光强度是由驱动的电流大小决定，如果LED接收的电流输入信号波动过大不稳定，必然影响节能灯的使用质量。那么对于驱动电路的要求就是能输出平稳不宜衰减的信号，LED可以持续保证工作状态，适合各个领域的使用。
另外，45nm的半导体设计，也在继续选用CMOS互补金属氧化物半导体复合器件，强制采用低功耗技术。它是由PMOS管和NMOS管组成，通过门电路控制P/N MOS导通截至，它的效率比普通三极管好。CMOS器件的一大优势就是功耗低、可承受的输入电压大、其逻辑信号幅度大、抗干扰能力强。但是考虑到本设计需要较高的集成度，这一器件不足以满足对芯片面积的控制。
LED发光二极管的驱动电路，其重点设计要求是对于高压输入交流信号的转换。作为一个低压单向导电的半导体器件，其驱动芯片需要将交流信号调制为直流或脉冲信号，实现稳定供电。另一方面是可实现一个门限电压的导通，控制驱动电路的输出工作电压在3V左右。对于LED半导体器件可承受的电功率也是有限的，因此为保护器件不易损坏，驱动电路内部加入负载电阻、电感器件以实现智能控制。
2.2 交流电子镇流器
荧光灯交流电子镇流器是由各种电子电路所组成的，它被安装在荧光灯和电源之间，将电源所输出的交流电转变为高频率的交流电，从而使得荧光灯正常启动，继而稳定工作。
2.2.1交流电子镇流器的组成
交流电电子镇流器的工作原理如下：将频率为50Hz工频电转换为直流电，一般情况下都是依靠桥式全波整流滤波电路来完成的，实现的AC-DC转换，其工作原理如图2-3所示。电子镇流器的核心就是AC-DC转化器，其功能就是产生一定频率范围内的高频电流，高频电流的频率为20～45kHz，AC-DC逆变电路主要分为推挽式和半桥式逆变电路两种。位于高频电子镇流器输出级的电路，通常情况下都是使用LC串联谐振网络，而LC电路的串联谐振恰恰就是荧光灯启动时所需要的，在启动过程中电容的两端会产生高压脉冲，高压脉冲会将荧光灯点燃。在荧光灯正常启动之后，电感元件就会发挥的作用，控制电流的剧烈变化。因为电子镇流器的开关频率非常高，所以电感器的体积要做的非常小[10]。

图2-3 电子镇流器工作原理
2.2.2交流电子镇流器的优点
通过与电感式镇流器比较，电子镇流器具有如下的优点:
1、节能效果非常明显。表现在三个方面：首先，大幅度的增加了光能的输出，提高了光能的使用效率。因为供电频率对发光效率影响较大，所以高频比工频的效率更高出12%左右；其次，降低了自身的功耗。根据相关的数据可以知道，电感镇流器的功耗一般都是荧光灯功率的20%左右，而同样参数的电子镇流器其功耗将降低一半，降低功耗的效果明显；最后，增加了线路功能因素。因为电子镇流器采用了PFC技术，使得其线路功率因素达到了0.99，而未采用PFC技术的线路功率最高也只能达到0.6。
2、重量轻、体积小、无噪声、无频闲。前面也提到过了，电感是在工频条件下工作时电感既大又笨重，荧光灯在这种条件下工作时会出现明显的闪烁现象，而且还会发出蜂声。但是，如果电流频率为40Khz时，电感在这样的高频下工作就不会出现噪声和闪烁的现象。另外，因为LC谐振电路的电感值只需要几个mH，这就造成了LC谐振电路的电感值比较小，这也使得它具有体积小和重量轻的特点。
3、在较低的电源电压下也可启动荧光灯。相关的研究表明，电感镇流器启动电压是180V，但是在我国一些偏远的地方，或者是在用电量高峰时期，电网电压通常都低于180V，这样就影响了居民照明效果，也不利于“绿色照明”的推广。如果采用电子镇流器，其启动电压只有120V，满足各种条件下照明的需要。
2.3场致发光灯
最近几年以来，场致发光灯(Electroluminescent Lamp，EL)已经被广泛地应用于日常生活和工业生产中，场致发光灯是节能灯的一种，如图2-4所示是常见的一种指示灯标志。当前我国正在大力推行节能减排政策，已经开始在生活、生产和服务等各行业中采取各种措施，来从根本上减少能量的消耗。

图2-4 场致发光灯实例
在以前像这样类似的指示灯标志使用的场致发光灯，都是在较高的电压下完成的，它的驱动电路部分都是高压的输入，那么就必须在使用时接入一个变压器，得以提升输入到场致发光灯中的高电压。但是，这种需要高压驱动的驱动电路会有很大的体积和重量，信噪比不大，负载调整率低，那么就不可以运用与便携式的场致发光灯或是节能灯上，生产出来的产品也会体积巨大。尤其是当时钟信号的频率很低的时候，这种驱动电路所表现出来的效果更是不如人意。随着场致发光灯被越来越多的使用，研发者们都纷纷把焦点都集中在它的关键技术上，这就是场致发光灯的驱动电路。
场致发光是一种将固体材料在高强电场的激发导致其电子游离等过程从而放光。电致发光灯最终的目标和它工作原理就是把电能转换成光能，利用交变电流来激发荧光层发光。场致发光灯已经被大量地运用在移动通信领域的显