一種電流模式PFM型LED驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)

   LED是繼白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈之后的人類第四次照明方式的*。它具有色彩還原好、響應(yīng)速度快、節(jié)能、安全、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于日光燈、室內(nèi)照明與裝飾、路燈、舞臺燈、顯示屏、背光源、指示燈等。隨著LED發(fā)光效率的不斷提升，LED在應(yīng)用上呈現(xiàn)多層次的變化，現(xiàn)已廣泛用于汽車電子、移動(dòng)設(shè)備、LCD背光及通用照明等領(lǐng)域。

　　伴隨著LED的廣泛應(yīng)用，LED驅(qū)動(dòng)IC的需求也迅猛增長，LED驅(qū)動(dòng)IC主要用于為LED提供高效和持久的驅(qū)動(dòng)。它除了為LED提供簡單的控制與驅(qū)動(dòng)外，一般還具有智能管理功能，從而實(shí)現(xiàn)高性能、高效率和各種管理及保護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)IC的需求和LED的應(yīng)用密不可分，LED的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，也推動(dòng)了驅(qū)動(dòng)IC的發(fā)展。反過來，驅(qū)動(dòng)技術(shù)又是提升LED照明應(yīng)用水平的關(guān)鍵所在。因此，如何設(shè)計(jì)出效率更高，功能更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更優(yōu)的LED驅(qū)動(dòng)IC，將是集成電路設(shè)計(jì)的新一輪挑戰(zhàn)。

　　1 芯片結(jié)構(gòu)及其工作原理

　　基于開關(guān)電源的市場需要，本文設(shè)計(jì)了一款LED照明驅(qū)動(dòng)芯片，圖1所示是基于0.5μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)出的一種不隨溫度、電源電壓以及工藝變化的高電源抑制比的基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)。該芯片采用脈頻調(diào)制方式，通過設(shè)計(jì)電阻-電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電路的固定關(guān)斷時(shí)間功能，這種電路結(jié)構(gòu)避免了采用斜坡補(bǔ)償技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)電路的PFM調(diào)制的同時(shí)也簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了芯片效率。該芯片內(nèi)部包括振蕩器、PFM控制電路、基準(zhǔn)電壓源、偏置電路、RS觸發(fā)器、過壓、欠壓保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路等核心模塊。

圖1 芯片電路結(jié)構(gòu)

　　工作時(shí)，該芯片通過一個(gè)功率MOSFET和一采樣電阻來將負(fù)載變化情況反饋到芯片內(nèi)部。反饋信號先經(jīng)過低通濾波器，把高頻開關(guān)噪音濾掉，再以電流形式輸入到Current COMP模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生控制R-S觸發(fā)器R端的信號，然后和Oscillator PFM Regulator模塊產(chǎn)生的S端信號共同控制驅(qū)動(dòng)電路，最后驅(qū)動(dòng)功率MOFFET來實(shí)現(xiàn)電路的PFM調(diào)節(jié)。除此之外，Error AMP模塊、AMP模塊及Voltage COMP三模塊則構(gòu)成過流保護(hù)電路，當(dāng)流過外部電路的電流過大時(shí)，通過外部電阻的電流檢測，并使反饋電壓與恒定基準(zhǔn)電壓作比較，再將兩者差值比較放大，以產(chǎn)生控制RS鎖存器CtR端的信號，并強(qiáng)制關(guān)斷功率管。這種前饋保護(hù)模式可有效降低電流過大時(shí)燒毀功率管和LED燈的風(fēng)險(xiǎn)，可對電路起到可靠的保護(hù)作用。而Low Voltage Lockout保護(hù)模塊可在輸入電壓低于正常工作電壓2.5V情況下強(qiáng)制關(guān)斷芯片，從而防止芯片在低電壓下工作，提高電源的利用效率。

　　2 芯片主要電路模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 自偏置電路

　　圖2所示電路為該IC的自偏置電路，芯片自行啟動(dòng)將提供兩個(gè)偏置，分別為N管偏置和P管偏置，從而為各個(gè)模塊提供偏置電壓。

圖2 偏置電路結(jié)構(gòu)

　　由于M1和M2柵極的電位相同，故有：

　　由于(W/L) 2=K (W/L) 1， 則：

　　因此可得到：

　　從而得出N管偏置電壓和P管偏置電壓為：

　　同時(shí)，該模塊還設(shè)計(jì)有欠壓保護(hù)電路，利用R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用上拉電阻鉗位，可使電壓在低于2.5V情況下強(qiáng)制關(guān)斷芯片，從而提高電源的利用效率。

　　2.2 高電源抑制比基準(zhǔn)電壓源

　　基于0.5μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)一種不隨溫度、電源電壓以及工藝變化的高電源抑制比基準(zhǔn)電壓源的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。在室溫下，該基準(zhǔn)源具有零溫度系數(shù)，且在-40℃～120℃范圍內(nèi)電壓變化很小，其溫度系數(shù)可達(dá)3ppm/℃數(shù)量級。

圖3 基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)基準(zhǔn)電壓源的小信號模型來分析其電源抑制PSR，可得：

　　同時(shí)，該模塊還設(shè)計(jì)有欠壓保護(hù)電路，利用R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用上拉電阻鉗位，可使電壓在低于2.5V情況下強(qiáng)制關(guān)斷芯片，從而提高電源的利用效率。

　　2.2 高電源抑制比基準(zhǔn)電壓源

　　基于0.5μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)一種不隨溫度、電源電壓以及工藝變化的高電源抑制比基準(zhǔn)電壓源的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。在室溫下，該基準(zhǔn)源具有零溫度系數(shù)，且在-40℃～120℃范圍內(nèi)電壓變化很小，其溫度系數(shù)可達(dá)3ppm/℃數(shù)量級。

圖3 基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)基準(zhǔn)電壓源的小信號模型來分析其電源抑制PSR，可得：

　　由于Is與發(fā)射極面積成正比，所以有：

　　由此便可得到輸出點(diǎn)的電壓Vout：

　　通過對式(10) 的分析可以發(fā)現(xiàn)： 基準(zhǔn)電壓源的PSR同運(yùn)算放大器的開環(huán)增益和電源抑制PSR有關(guān)。因此，若將運(yùn)算放大器的開環(huán)增益A增大，其基準(zhǔn)電壓源的電源抑制PSR就能夠得到提高； 而如果運(yùn)放Add接近于1，那么，基準(zhǔn)電壓源的PSR將得到極大提高。本文采用高開環(huán)增益的運(yùn)算放大器來使Add近似等于1，以得到很高的PSR。

　　運(yùn)放的輸入可認(rèn)為虛短，即V+=V-，又因R1=R2，所以，流過Q1和Q2的電流相等，于是有：

　　由于Is與發(fā)射極面積成正比，所以有：

　　由此便可得到輸出點(diǎn)的電壓Vout：

　　2.3 RS觸發(fā)器

　　圖4所示是RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)，通過該觸發(fā)器可提高芯片的抗干擾能力，以保證在一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)工作脈沖到達(dá)輸出級，從而保證在惡劣的噪聲環(huán)境下，電路也不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。表1所列是該RS觸發(fā)器的功能。

圖4 RS觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)

表1 RS觸發(fā)器功能

　　2.4 過流保護(hù)模塊

　　圖5所示是本系統(tǒng)中的過流保護(hù)電路，該電路由Error AMP模塊、AMP模塊及Voltage COMP等三個(gè)模塊構(gòu)成。其中，AMP模塊起到對Vcs電壓十倍放大的作用，放大后的Vcs電壓與Error AMP模塊的輸出電壓相比較，輸出電壓可控制RS觸發(fā)器的Ctr端。將電路接成boost結(jié)構(gòu)，當(dāng)反饋端電流過大使VFB高于1V時(shí)，Error AMP模塊輸出為0，而VoltageCOMP模塊輸出為1，即RS觸發(fā)器Ctr端置1，于是RS觸發(fā)器輸出為0，以強(qiáng)制關(guān)斷芯片。這種保護(hù)模式有效地降低了電流過大時(shí)燒毀功率管和LED燈的風(fēng)險(xiǎn)，可對電路起到可靠的保護(hù)作用。

圖5 過流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

　　2.5 脈頻調(diào)制控制電路

　　通過設(shè)計(jì)電阻-電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電路的固定關(guān)斷時(shí)間功能，同時(shí)，通過芯片外部電路中電阻-電容的串并聯(lián)組合，則可方便地調(diào)節(jié)固定關(guān)斷時(shí)間的長短，避免采用斜坡補(bǔ)償技術(shù)，并可在實(shí)現(xiàn)電路的PFM調(diào)制的同時(shí)，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高芯片效率。

　　2.6 電流檢測比較器模塊

　　該模塊采用采樣電阻與開關(guān)功率管串聯(lián)，并通過采樣電阻上的壓降來反映支路上的電流，這樣可以將得到的精確采樣值恒定的基準(zhǔn)輸出電壓進(jìn)行比較放大，這種精確控制模式大大提高了芯片精度。

　　3 版圖設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

　　3.1 版圖設(shè)計(jì)

　　圖6給出了芯片的版圖，其中最中間部分的基準(zhǔn)電壓源用以減小應(yīng)力影響。最左邊為偏置電路，右上方為Oscillator PFM Regulator模塊，該模塊正下方為采樣電路； 芯片最下方為RS觸發(fā)器和DRV電路版圖，正上方為修條電阻。

圖6 總體電路版圖

　　3.2 仿真結(jié)果

　　本文提出的電路可采用candence進(jìn)行電路仿真，圖7所示分別為芯片采樣檢測電壓、DRV輸出電壓、負(fù)載電流以及上電電壓仿真波形。從仿真結(jié)果可以看出： 當(dāng)反饋電壓CS達(dá)到250mV時(shí)，通過峰值檢測可實(shí)現(xiàn)芯片輸出端(DRV) 的關(guān)斷功能，然后由PFM Regulator單元電路控制電路的開啟，以實(shí)現(xiàn)固定關(guān)斷時(shí)間功能，固定關(guān)斷時(shí)間為520ns； LED燈上的紋波電流幅度在4%以內(nèi)；同時(shí)上電較快。通過電路仿真驗(yàn)證，該芯片設(shè)計(jì)合理，性能良好。

圖7 總體電路仿真波形曲線

　　4 結(jié)束語

　　本文結(jié)合LED的驅(qū)動(dòng)特性要求，提出了一種電流檢測型LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)方法。

　　該驅(qū)動(dòng)電路采用PFM控制方式，從而可避免采用諧波補(bǔ)償技術(shù)，提高芯片效率，簡化電路結(jié)構(gòu)。

　　同時(shí)，電路通過高電源抑制比、低溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)和自啟動(dòng)電路和欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了電路高效、安全、可靠等特性。該驅(qū)動(dòng)電路可廣泛用于各種LED產(chǎn)品的照明驅(qū)動(dòng)。