摘要：設(shè)計了一種LED恒流驅(qū)動電路，芯片內(nèi)部電路由誤差放大模塊和PWM波形產(chǎn)生模塊組成，外部電路為一個BUCK型恒流電路。誤差放大模塊中采用了一個跨導(dǎo)放大器，將采樣電壓與基準(zhǔn)電壓做比較，產(chǎn)生誤差電流，反饋電容作為跨導(dǎo)放大器的負載，產(chǎn)生了誤差電壓信號。誤差信號與鋸齒波相比較產(chǎn)生PWM信號，控制外部BUCK電路的開關(guān)管對LED電流進行平衡。采用CSMC 0．5μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫進行電路仿真，結(jié)果表明本電路電流平衡的穩(wěn)定度較高，滿足中小功率的LED串并聯(lián)的驅(qū)動。
關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動；跨導(dǎo)放大器；降壓；恒流
近年來，白光LED光源以其長壽命、高亮度、低功耗等諸多優(yōu)點，迅速的占領(lǐng)了廣場、辦公、路燈、醫(yī)療等各個領(lǐng)域的照明市場。LED光源就是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及綠色照明逐漸深入人心的產(chǎn)物。
半導(dǎo)體發(fā)光材料的光強度與通過它的電流呈線性關(guān)系，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動是用恒壓驅(qū)動的方式，由于流過半導(dǎo)體的電流與加在上面的電壓呈指數(shù)關(guān)系，所以即便是恒壓驅(qū)動，當(dāng)負載由于溫度或者其他原因變化的時候，其上面的電流變動很大，嚴(yán)重的影響LED的發(fā)光亮度。
現(xiàn)行市場上流行的LED恒流驅(qū)動是通過上面改進而來，是由一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路的LED供電，如果其中一路LED故障，并不會影響其他路LED的工作，但是成本很高。還有就是恒流LED串聯(lián)應(yīng)用電路，但是如果其中某個LED故障，就會影響整個電路的工作。
本文設(shè)計的這種LED驅(qū)動電路，是工作在恒流驅(qū)動模式下的，此路的恒流電流可以驅(qū)動一個LED串聯(lián)電路，多個驅(qū)動電路并聯(lián)，就可以靈活的組成各種LED串并聯(lián)電路，而且流過LED的電流可以通過外部采樣電阻來調(diào)節(jié)，實現(xiàn)每一路電流都不相同的應(yīng)用。
1 基于OTA的恒流電路原理分析
1．1 整體電路架構(gòu)
恒流電路芯片內(nèi)部由誤差放大模塊和PWM產(chǎn)生模塊組成，外部是一個BUCK型的恒流驅(qū)動電路，如圖1所示。
誤差放大模塊將Rs上的采樣電壓VSEN反饋回芯片內(nèi)部，誤差放大器將VSEN電壓與基準(zhǔn)電壓作比較，產(chǎn)生誤差電壓值VERR。誤差電壓值VERR和鋸齒波進行比較，產(chǎn)生了能夠控制外部MOS管的PWM波形。外部電路是一個BUCK型的恒流電路，在GATE端的PWM波控制開關(guān)管的開啟關(guān)閉，在VIN端和NET0端之間的負載上產(chǎn)生電流。因為最終的VSEN采樣均值被誤差放大器穩(wěn)定在VREF處，且開關(guān)管導(dǎo)通時LED上流過的電流與采樣電阻電流相同，所以負載上的電流均值是恒定的。
1．2 誤差放大模塊
誤差放大模塊是將外部的采樣電壓VSEN轉(zhuǎn)換為誤差信號的電路，由采樣電路、誤差放大電路和緩沖輸出電路組成，如圖2所示。
MN1和MN2為兩個n管，組成了一個采樣電路。在PWM輸出端GATE為高電平時，采樣電壓VSEN有效，MN2導(dǎo)通，MN1截止，VSEN端的電壓傳輸?shù)秸`差放大電路中；當(dāng)GATE為低電平時，采樣的電壓無效，MN2截止，MN1導(dǎo)通，將基準(zhǔn)電壓VREF傳輸?shù)搅苏`差放大電路中，使誤差放大器的正負輸入端電壓相等，輸入差模信號為0。
整體電路中的X1是一種單端輸出的跨導(dǎo)型放大器。第一級差分輸入端P390和P391完成了電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換；第二級N381是一個共柵極的放大組態(tài)，其漏端對源端的電流增益為1。計算P390的跨導(dǎo)的公式如下：
εsio2=3．9，從仿真庫中查到P管的tox=1．37x10-8。
根據(jù)計算得到， Cox=2．52fF／μm2，gm=138．76μS。
應(yīng)用半電路分析法，得到差分輸入級的跨導(dǎo)Gm1=gm，又因為放大器是單端輸出的，所以整個放大器的跨導(dǎo)為差分級跨導(dǎo)的一半，即
X1輸出的電流為：
Ie=Gm (amp)×(VREF-VSEN)
當(dāng)采樣電壓VSEN小于基準(zhǔn)電壓值VREF時，跨導(dǎo)放大器電流輸出為正，對電容C1充電，使得X1的輸出端電壓升高；當(dāng)采樣電壓VSEN大于基準(zhǔn)電壓值時，跨導(dǎo)放大器電流輸出為負，電容C1對跨導(dǎo)放大器放電，使得X1的輸出端電壓降低。
X2為緩沖輸出電路，由一個兩級的差分運放構(gòu)成，運放開環(huán)時，低頻增益為45dB，-3dB帶寬為3．5kHz。因為運放的帶寬較小，所以能夠有效濾除誤差電壓信號上疊加的高頻分量，保證了誤差信號的直流特性。將此運放連接為單位增益的方式，構(gòu)成電壓跟隨電路，保證了誤差電壓信號對后級電路的驅(qū)動能力，也將X1輸出的誤差電壓信號與后級電路隔離開，不受后級電路的高頻耦合影響。
1．3 PWM波形產(chǎn)生模塊
PWM模塊是將誤差信號與基準(zhǔn)電壓做比較，輸出PWM波形，驅(qū)動外部開關(guān)管。
X3是一個比較器，將峰值為1V震蕩鋸齒波VSLOPE與0～1V之間的誤差信號直流電平VERR做比較，產(chǎn)生占空比與誤差信號直流電平VERR成正比的PWM方波，此方波信號經(jīng)過一個或非門X4和一個RS觸發(fā)器X5，或非門和RS觸發(fā)器的另一端輸入為震蕩頻率的方波信號，保證此PWM方波與震蕩頻率同步。X6為一個由4級大寬長比的反相器構(gòu)成的驅(qū)動緩沖電路，其中每一級的反相器寬長比都比前一級大一倍。驅(qū)動緩沖電路將PWM方波信號驅(qū)動能力增強，才能保證外部開關(guān)管有效的導(dǎo)通和截止，使外部電路正常工作。
1．4 外部應(yīng)用電路
外部應(yīng)用電路是一個BUCK型的PWM控制的恒流電路。VIN是外部電壓，MOSFET是開關(guān)管，D1是肖特基二極管，L1是儲能電感，C2為濾波電容，電阻Rs是采樣電阻，VSEN是采樣電壓反饋，GATE是PWM輸出，負載LED接在VIN和NET0之間。
當(dāng)GATE為高電平時，MOSFET開關(guān)管開啟，VIN電壓加在負載LED上，電流從VIN到NET0，經(jīng)過L1和MOSFET以及采樣電阻Rs，D1反偏不導(dǎo)通，同時VIN為電容C2充電；當(dāng)GATE為低電平時，MOSFET管關(guān)閉，從MOSFET的漏極到地沒有電流通路，而且電感上的電流不能突變，還是從NET0到NET1的電流，此時電感左邊的節(jié)點NET1電壓瞬間升高，高于VIN+VD，其中VD為肖特基二極管的正向壓降，肖特基二極管導(dǎo)通，電流從電感的右邊節(jié)點NET0到左邊NET1，然后順著二極管的正向開啟方向，流入負載LED中，同時C2為負載放電，保持電流穩(wěn)定，如果電感L1和電容C2中的儲存能量消耗完之前，GATE變?yōu)楦唠娖降脑?，VIN又能對電感沖入能量，維持連續(xù)的工作模式，如果電感L1和電容C2中的儲存能量消耗完，但是MOSFET還沒有開啟的話，二極管關(guān)斷，LED上沒有電流通路，此時就工作在了不連續(xù)模式。
2 電路仿真
本文設(shè)計的電路采用CSMC 0．51μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫，利用HSPICE軟件進行仿真驗證(見圖3)。
2．1 跨導(dǎo)放大器仿真
將跨導(dǎo)放大器的輸出端連接一個電容負載，尾電流為9μA，負輸入端接0．25V直流電平，正輸入端加入一個正弦波，其直流偏置為0．25V，峰峰值為0．05V，頻率為1MHz的交流小信號，觀察各節(jié)點電壓電流。
由圖可以看出，在正端電壓比負端電壓大0．05V的時候，輸出到負載的電流為3．5μA。根據(jù)此仿真結(jié)果，3．5μA／0．05V=70μs，與計算得到的跨導(dǎo)結(jié)果一致。
2．2 全電路仿真
將誤差放大器模塊、PWM波形產(chǎn)生模塊，以及外部應(yīng)用電路連接在一起，構(gòu)成一個閉合的反饋環(huán)路(見圖4)。整體電路中，加入控制信號和基準(zhǔn)電壓250mV，觀察負載電流和采樣電壓與GATE占空比的關(guān)系。
由仿真結(jié)果可得，GATE端的占空比為48％，流過LED的等效電流為247mA。等效電流基本上等于基準(zhǔn)電壓除以采樣電阻，電流精度高，穩(wěn)定性好。
3 結(jié)束語
本文設(shè)計的LED驅(qū)動電路是基于OTA的BUCK型恒流驅(qū)動電路。誤差放大模塊對采樣電壓與基準(zhǔn)電壓差進行放大，輸出的誤差電壓信號控制外部開關(guān)管的PWM的占空比，最后由外部應(yīng)用電路實現(xiàn)LED的恒流功能，并將采樣電壓反饋回芯片內(nèi)部。本文電路基于CSMC 0．5μm的工藝庫做了仿真，結(jié)果顯示本電路能夠穩(wěn)定LED上面的電流，可以滿足對電流穩(wěn)定度要求較高的LED驅(qū)動。而且本文設(shè)計的驅(qū)動電路，電路實現(xiàn)性好，
可以多個支路并聯(lián)應(yīng)用，增加電路靈活性，適合家庭及辦公場所照明應(yīng)用。
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