一種升壓型白光LED驅(qū)動控制芯片的設(shè)計方案

摘要 文章針對高亮度白光LED的驅(qū)動要求，提出一種適用于升壓型LED驅(qū)動電路的控制器設(shè)計方案。針對LED的電氣特性，芯片控制策略采用峰值電流模式控制并建立了小信號模型進行系統(tǒng)環(huán)路補償設(shè)計;針對LED的背光應(yīng)用要求，在控制器中集成了模擬與數(shù)字調(diào)光(PWM Dimming)功能，具體介紹了數(shù)字調(diào)光模式的功能電路，其最大的調(diào)光比(Dimming Ratio)可以達到3000:1,為了滿足更高的效率要求，設(shè)計了無采樣電阻的控制電路，減少了外圍的器件并提高了系統(tǒng)的效率。芯片在1.5μm BCD工藝下設(shè)計并流片，最后給出了各種工作模式下的測試結(jié)果，基本滿足設(shè)計要求。

1 前言

由于世界上日趨嚴重的能源危機，發(fā)光二極管(LED)作為一種高效率光源得到了高度重視，不僅消費電子產(chǎn)品中的手機、PDA、液晶電視等的背光光源中已普遍應(yīng)用白光LED,在公共交通信號標志，工業(yè)通信照明系統(tǒng)、汽車燈具以及用量巨大的普通工業(yè)與民用照明領(lǐng)域也將獲得廣泛應(yīng)用。作為光源，LED的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：節(jié)能、環(huán)保和長壽耐用。首先，LED的能耗理論上僅為白熾燈的10%,熒光燈的50%;在使用壽命方面，LED是利用固體發(fā)光，耐震、耐沖擊、不易破碎，預(yù)期壽命可達10萬小時。在環(huán)保方面，由于在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不使用汞等易污染物，廢棄物可回收無污染。

LED應(yīng)用中的一個技術(shù)關(guān)鍵是提供與其特性相適應(yīng)的電源或驅(qū)動電路。在照明應(yīng)用中，現(xiàn)今的高亮度白光LED的工作電流可達150mA~3A,導通壓降高達3~5V,以提供更高的亮度。由于功率的增加，傳統(tǒng)的電阻限流，線性調(diào)節(jié)，電荷泵的驅(qū)動方法的效率受原理的限制已無法進一步提高，PWM開關(guān)電源型的直流變換器就成為首選的LED驅(qū)動解決方案。本文提出一種應(yīng)用于升壓LED驅(qū)動電路的控制器的芯片，考慮到LED是典型的電流型器件，電流的波動會影響其發(fā)光效率和色彩，而電流超過額定值將損害其壽命與可靠性。因此，在LED驅(qū)動中電流模式控制具有明顯的優(yōu)點。而且PWM控制技術(shù)發(fā)展至今，其電流控制模式也已發(fā)展出多種模式。相對于環(huán)路設(shè)計較為復(fù)雜的平均電流控制模式和電磁干擾問題較多的遲滯電流控制模式，峰值電流控制模式環(huán)路設(shè)計較為簡單，且可以有效地限制電流。

考慮到上述因素，芯片在設(shè)計中采用了峰值電流控制模式，并集成了斜坡補償電路，使之具有較寬的電壓工作范圍(3~16V)。本文首先給出了整個控制系統(tǒng)的建模與環(huán)路補償設(shè)計，接下來針對LED調(diào)光的要求在傳統(tǒng)的峰值電流模式控制器模塊的基礎(chǔ)之上設(shè)計數(shù)字調(diào)光功能的模塊。第三部分介紹了芯片中的無采樣電阻的控制功能電路，實現(xiàn)直接通過采樣功率開關(guān)管漏源電壓，即Rds(on)采樣來采樣電流，減少了采樣電阻上的損耗，可以有效地提高系統(tǒng)的效率。最后給出控制芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、版圖和各種模式下的測試結(jié)果。

2 系統(tǒng)建模與環(huán)路補償設(shè)計

升壓型LED驅(qū)動電路以及控制環(huán)路圖如圖1所示。通過電阻Rs1采樣負載LED電流輸入電壓誤差放大器(EA)，誤差放大器的輸出經(jīng)過補償網(wǎng)絡(luò)輸出作為電流峰值比較器的基準，電阻Rs2采樣開關(guān)管S1上的電流輸入比較器的正端，Ramp是峰值電流控制中的斜坡補償電流。時鐘信號CLK確定開關(guān)頻率與開關(guān)管的開通，當電流信號大于設(shè)定的閾值時，比較器的輸出變高觸發(fā)邏輯電路翻轉(zhuǎn)開關(guān)管關(guān)斷。

可建立如圖2所示的小信號模型電路。對于升壓型的功率級電路，利用狀態(tài)空間平均法可以得到原功率級兩個重要的傳遞函數(shù)Gvd(s)，Gid(s)并根據(jù)圖中模型可以推導出輸出電壓對指令電流信號的等效功率級傳函Ap(s)。

其中Fm=1/MaTs,Fv=D''2Ts/2L,Ma是斜坡補償電流的斜率，L是濾波電感，Ts是開關(guān)周期，D是穩(wěn)態(tài)占空比。考慮整個環(huán)路的傳遞函數(shù)T(s);

補償前的環(huán)路傳函幅相頻曲線如圖3中所示，系統(tǒng)有兩個極點(p1,p2)，一個左半平面的零點z(輸出電容ESR引起)，一個右半平面的零點z1.這里需要指出的是，如果沒有帶斜坡補償電路的電流反饋控制系統(tǒng)的引入，輸出LCR網(wǎng)絡(luò)決定環(huán)路系統(tǒng)是一個高Q值的系統(tǒng)，而電流反饋使得系統(tǒng)的Q值大大地減小，但右半平面的零點會提高穿越頻率并使得相位裕度更差。可以采用的補償方法是加入一個單零點單極點的補償網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，Gc(s)表達式為，

其中z2用來補償極點p1,坐標原點的極點可以提高低頻的環(huán)路增益以較小直流穩(wěn)態(tài)誤差，p3抵消z1帶來的幅度增加，抑制接近開頻頻率的噪聲，最終的穿越頻率fc設(shè)定在開關(guān)頻率的1/10左右。最簡單的補償方法也可以采用單極點的補償網(wǎng)絡(luò)，為保證相位裕度就會帶來缺點即環(huán)路的帶寬會更小，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變慢。對于實際應(yīng)用的升壓型的LED驅(qū)動電路進行建模并在MATLAB中仿真結(jié)果(如圖4所示)，從仿真的結(jié)果看，環(huán)路在這種斜坡電流和補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計下在穿越頻率附近的相位裕度大于45°，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，與公式推算的結(jié)果基本相符。

3 LED調(diào)光模式的設(shè)計

許多便攜式LED的應(yīng)用中都需要有調(diào)光的功能。例如LCD的背光應(yīng)用中，調(diào)光可以改變亮度和對比度?，F(xiàn)今有兩種比較常用的調(diào)光方式：模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光通過反饋環(huán)路直接改變LED的電流實現(xiàn)發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)，缺點是會帶來色彩漂移和發(fā)光效率的下降;PWM調(diào)光(PWM Dimming)通過保持流過LED的最大電流減小導通占空比來實現(xiàn)，如果要實現(xiàn)50%的亮度就要LED電流采用50%的占空比。需要注意的是PWM調(diào)光信號的頻率必須大于100Hz,以使人眼不會被發(fā)現(xiàn)燈的閃爍，而最大的PWM調(diào)光頻率由電源的啟動時間或者響應(yīng)時間決定。在升壓型LED驅(qū)動電路中增加了一個功率管串聯(lián)在LED支路上，所以對于控制器而言需要增加額外的驅(qū)動電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但換來的是真色彩的調(diào)光效果，所以現(xiàn)有的LED驅(qū)動產(chǎn)品中廣泛加入了PWM調(diào)光功能。典型的調(diào)光范圍可以由調(diào)光比(Dimming Ratio)來衡量，即調(diào)光PWM的周期與導通時間的比例，數(shù)值越大說明調(diào)光的能力越強。

圖5給出芯片在升壓型的應(yīng)用中PWM調(diào)光的控制圖。從圖中可以看出，外部的PWM信號控制與LED負載串聯(lián)的開關(guān)。利用運放的外接補償電容CEAOUT,當PWM信號為低電平時斷開運放輸出端與補償電容的通路，維持電容上的電壓直到下個PWM周期。利用這種控制方法，當開關(guān)頻率在700kHz,PWM頻率100Hz的情況下，最大的調(diào)光比可以達到3000 ∶ 1.

4 無采樣電阻模式的設(shè)計

利用功率MOSFET的導通電阻Rds(on)作為采樣電阻的方法可以省去峰值電流采樣電阻Rs2,減少了不必要的功率損耗提高了整體的效率，同時減少了外圍的元器件和系統(tǒng)所占的空間，這種方式稱之為無采樣電阻模式。這種模式也存在一些問題：(1)當MOSFET關(guān)斷時，漏端的電壓可能會迅速升高，這就對電流峰值比較器提出了更高的抗高共模電壓的要求;(2)功率管的導通電阻會隨著電流和溫度的變化發(fā)生改變，會對設(shè)定的峰值電流閾值產(chǎn)生影響。對于一些特定的場合，第二個問題引入的誤差在可以允許的范圍內(nèi)時，這種模式還是有很好的應(yīng)用前景，對于高共模輸入最好最簡單的方法就是在關(guān)斷的同時切斷輸入的途徑，通過合理的開關(guān)切換和延時電路來實現(xiàn)。

無采樣模式的系統(tǒng)圖見圖6。采樣端通過比較器與7V基準比較判斷是否工作于無采樣電阻模式，通過邏輯電路決定峰值比較器的輸入(IEN)、輸出(SEN)控制信號。邏輯信號Gd、Gfb分別是驅(qū)動邏輯的輸出信號和最終驅(qū)動功率管柵極信號的反饋。

5 芯片版圖與測試

5.1 芯片結(jié)構(gòu)與版圖

控制器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要模塊也標注于圖中。

芯片有兩個基準電路，基準1用于欠壓鎖定比較器的基準，基準2(VREF)是一個精確度更高的電壓基準用于誤差放大器、比較器等模塊電路。供電模塊主要包括一個7V(INTVCC)輸出的低壓差電壓調(diào)節(jié)器和3V(VDD)輸出的電壓調(diào)節(jié)器。運算放大器是芯片核心的模塊之一，SP、SN作為運算放大器的兩個輸入端，OV采樣輸出電壓則是作為過壓或限壓的功能。其它諸如帶斜坡補償電路的振蕩器，分別用于開關(guān)管和調(diào)光管的驅(qū)動電路，峰值電流以及過壓、過流比較器，邏輯單元電路等共同組成這個驅(qū)動控制器芯片系統(tǒng)。本文提出的升壓型LED驅(qū)動控制芯片在1.5μm BCD的工藝下仿真并流片測試，芯片的輸入電壓范圍為3~15V,圖8為芯片的顯微照片。

5.2 芯片測試

設(shè)計升壓型LED驅(qū)動電路的PCB測試版進行不同工作模式下的測試，其中的主要外圍元件參數(shù)為：電感L=47μH,輸出電容C=20μF,采樣電阻Rs1=300 mΩ，Rs2=50mΩ。當輸入電壓為5V,輸出電壓大約為24V(7個LED串聯(lián))時，占空比超過80%.圖9為輸出典型波形圖。VOUT是輸出電壓，Iinduct是電感電流，Gate是功率管的驅(qū)動電壓波形，在較大占空比時斜坡補償起到了很好的穩(wěn)定輸出的效果。

圖10是PWM調(diào)光功能下的測試波形，輸入電壓為10V,輸出電壓為15V,調(diào)光的頻率為100Hz,調(diào)光比為3000:1.可以看到，LED的導通電流值幾乎不變，實現(xiàn)了前面所說的恒流PWM調(diào)光功能。

對于選用的功率管的導通電阻Rds(on)=10mΩ(@VGS=7V)，直接利用該電阻替代電流峰值檢測電阻RS2,測試的條件：輸入電壓5V,輸出電壓15V,開關(guān)頻率fS=320kHz,測試結(jié)果如圖11所示。

在升壓型驅(qū)動電路測試中成功實現(xiàn)了無采樣電阻模式和PWM調(diào)光模式，測試結(jié)果充分驗證了設(shè)計方案的可行性。

6 結(jié)束語

本文提出了一種可用于升壓型白光LED驅(qū)動的控制器芯片，采用峰值電流控制模式，與以往的LED驅(qū)動控制器相比，有高達3000:1調(diào)光比的PWM調(diào)光和傳統(tǒng)的模擬調(diào)光方式，并可直接采用無電阻采樣模式，提高了系統(tǒng)的效率。芯片在1.5μm BCD工藝下流片并進行測試取得了理想的結(jié)果，驗證了電路的設(shè)計和仿真均達到了要求。