高效率、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

摘要： 文中提出了一種寬電壓輸入、高效率、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。在遲滯電流控制模式下， 該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不需要補(bǔ)償電路等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)外部引腳， 可以方便的進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路基于CSMC的1 μm 40 VCDMOS工藝， 采用HSPICE進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 結(jié)果表明在8～30 V輸入電壓范圍內(nèi)， 電路輸出電流最大可達(dá)1.2 A， 輸出電流精度可控制在5.5%以內(nèi)， 電源效率可高達(dá)97%。

　　0 引言

　　隨著LED技術(shù)的發(fā)展， 大功率LED在燈光裝飾和照明等領(lǐng)域得到了普遍的使用， 同時(shí)功率型LED驅(qū)動(dòng)芯片也顯得越來(lái)越重要。由于LED的亮度輸出與通過(guò)LED的電流成正比， 為了保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性， 有必要設(shè)計(jì)一款恒流驅(qū)動(dòng)器， 使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發(fā)光特性， 本文設(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入、大電流、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式， 可以用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內(nèi)， 通過(guò)對(duì)高端電流的采樣來(lái)設(shè)置LED平均電流， 芯片輸出電流精度控制在5.5%， 同時(shí)芯片可通過(guò)DIM引腳實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光和PWM調(diào)光， 優(yōu)化后的芯片響應(yīng)速度可使芯片達(dá)到很高的調(diào)光比。

　　本文首先對(duì)整體電路進(jìn)行了分析， 接著介紹各個(gè)重要子模塊的設(shè)計(jì)， 最后給出了芯片的整體仿真波形、版圖和結(jié)論。

　　1 電路系統(tǒng)原理

　　圖1是芯片整體架構(gòu)以及典型應(yīng)用電路圖。

　　該電路包括帶隙基準(zhǔn)、電壓調(diào)整器、高端電流采樣、遲滯比較器、功率管M1、PWM和模擬調(diào)光等模塊。此外該芯片還內(nèi)置欠壓和過(guò)溫保護(hù)電路， 從而能在各種不利的條件下， 有效的保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。

圖1 芯片整體等效架構(gòu)圖

　　從圖1中可以看到電感L、電流采樣電阻RS、續(xù)流二極管D1形成了一個(gè)自振蕩的連續(xù)電感電流模式的恒流LED控制器。該芯片采用遲滯電流控制模式， 因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電流的變化就反應(yīng)在RS兩端的壓差變化上， 所以在電路正常工作時(shí)， 通過(guò)采樣電阻RS采樣LED中的電流并將其轉(zhuǎn)化成一定比例的采樣電壓VCS， 然后VCS進(jìn)入滯環(huán)比較器，通過(guò)與BIAS模塊產(chǎn)生的偏置電壓進(jìn)行比較， 產(chǎn)生PWM控制信號(hào)， 再經(jīng)柵驅(qū)動(dòng)電路從而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

　　下面具體分析電路的工作原理。首先芯片在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)內(nèi)設(shè)兩個(gè)電流閾值IMAX和IMIN。當(dāng)電源VIN上電時(shí)， 電感L和電流采樣電阻RS的初始電流為零， LED電流也為零。這時(shí)候， CS_COMP遲滯比較器的輸出為高， 內(nèi)置功率NMOS開關(guān)管M1導(dǎo)通， SW端的電位為低， 流過(guò)LED的電流開始上升。電流通過(guò)電感L、電流采樣電阻RS、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從VIN流到地， 此時(shí)電流上升斜率由VIN、電感（L）、LED壓降決定。當(dāng)LED電流增大到預(yù)設(shè)值IMAX時(shí)， CS_COMP遲滯比較器的輸出為低， 此時(shí)功率開關(guān)管M1關(guān)閉， 由于電感電流的連續(xù)性， 此時(shí)電流以另一個(gè)下降斜率流過(guò)電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和續(xù)流肖特基二極管（D1）， 當(dāng)電流下降到另外一個(gè)預(yù)定值IMIN時(shí)，功率開關(guān)重新打開， 電源為電感L充電， LED電流又開始增大， 當(dāng)電流增大到IMAX時(shí)， 控制電路關(guān)斷功率管， 重復(fù)上一個(gè)周期的動(dòng)作， 這樣就完成了對(duì)LED電流的滯環(huán)控制， 使得LED的平均電流恒定不變。

　　從以上分析可知， LED的平均驅(qū)動(dòng)電流是由內(nèi)設(shè)的閾值IMAX和IMIN決定， 因而不存在類似于峰值電流控制模式的反饋回路。所以與峰值電流控制模式相比， 滯環(huán)電流控制模式具有自穩(wěn)定性，不需要補(bǔ)償電路， 另外峰值電流檢測(cè)模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)一般需要幾個(gè)周期的時(shí)間， 而滯環(huán)電流控制至多一個(gè)周期就可以穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)， 所以滯環(huán)電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加迅速。當(dāng)然滯環(huán)電流控制模式存在著輸出紋波較大， 變頻控制容易產(chǎn)生變頻噪聲等缺點(diǎn)， 但是在大功率LED照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中， 一定的紋波變化和開關(guān)頻率變化不會(huì)對(duì)LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響。[!--empirenews.page--]

　　2 電路子模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 帶隙基準(zhǔn)（Bandgap）

　　圖2為采用共源共柵電流鏡， 可以改善電源抑制和初始精度的CMOS自偏置基準(zhǔn)電路。其中，R1和PH4組成啟動(dòng)電路， 當(dāng)電源上電時(shí)， 若電路出現(xiàn)零電流狀態(tài)， 此時(shí)VA為低， MOS管PH4開啟， 并向基準(zhǔn)核心電路中注入電流， 使得基準(zhǔn)電路擺脫零簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)， 當(dāng)電路正常工作時(shí)， 通過(guò)合理的設(shè)置P7和P8的寬長(zhǎng)比， 使它們都處于深線性區(qū)， 由于R2和R3阻值很大， 此時(shí)VA的大小接近輸入電壓， MOS管PH4關(guān)斷， 啟動(dòng)結(jié)束。此外，由于VA的電壓接近電源電壓， 通過(guò)電阻R2和R3的分壓后， 電壓VB就能表征電源電壓， 從而在電源電壓低于設(shè)定值時(shí)， 輸出欠壓信號(hào)， 關(guān)斷功率管， 起到欠壓保護(hù)的功能。

圖2 帶隙基準(zhǔn)電壓源電路圖

　　由于基準(zhǔn)電路的輸入電壓最高可達(dá)到30V，而普通MOS管漏源和柵耐壓為5V。而且為了使電流鏡像更加匹配， P1、P2、P5、P7必須使用普通的MOS管。所以， 為了防止管子在高壓時(shí)被擊穿， 需在這些管子的漏源之間加入柵漏短接的厚柵氧MOS管作為保護(hù)管， 即PH1、PH2、PH3。

　　2.2 遲滯比較器（CS_COMP）

　　圖3為遲滯比較器等效電路圖， 其中VTH_H和VTH_L為BIAS模塊提供的偏置基準(zhǔn)電壓， 而CS為電流采樣模塊提供的采樣電壓。電流采樣和遲滯比較器模塊是組成該芯片的核心模塊， 通過(guò)這兩個(gè)模塊就可以很好的實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流控制。

圖3 遲滯比較器等效電路圖

　　電路工作時(shí)， 高端電流采樣模塊采樣輸出電流， 并按一定比例轉(zhuǎn)化成采樣電壓CS， 當(dāng)CS電壓大于VTH_H時(shí)， P_OFF為高， P_ON為低， M1關(guān)M2開啟， 此時(shí)COMP1_G負(fù)端輸入VTH_L，并且此時(shí)由于P_ON為低， 功率管關(guān)斷， LED電流開始減小， 采樣電壓也開始減小。當(dāng)CS電壓小于VTH_L時(shí)， P_OFF為低， P_ON為高， M1開啟，M2關(guān)斷， COMP_G負(fù)端輸入VTH_H， 此時(shí)P_ON為高， 功率管開啟， LED電流開始增大， 采樣電壓也開始增大。當(dāng)CS電壓大于VTH_H時(shí)， 遲滯比較器模塊將重復(fù)上一個(gè)周期的動(dòng)作。這樣通過(guò)遲滯比較器就能產(chǎn)生一定占空比的方波來(lái)控制功率開關(guān)管關(guān)與斷， 從而有效控制外部LED的電流大小。

　　此外， 高端電流采樣和遲滯比較器模塊需要有較高的單位增益帶寬GBW， 從而提高電流采樣和遲滯比較的速度， 這樣就可以減少電路延遲，提高芯片的響應(yīng)速度， 同時(shí)也提高了芯片輸出電流精度。

　　2.3 模擬和PWM調(diào)光（DIM）

　　通常希望在不同的應(yīng)用場(chǎng)合和環(huán)境下， LED的發(fā)光亮度能夠隨著應(yīng)用和環(huán)境的變化隨時(shí)可調(diào)， 這就需要LED驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)光的功能?，F(xiàn)在， 最常用的LED調(diào)光方式有： 模擬調(diào)光、PWM調(diào)光、數(shù)字調(diào)光等方式。[!--empirenews.page--]

　　模擬調(diào)光是通過(guò)線性的改變LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電流來(lái)調(diào)整LED的發(fā)光亮度， 它的優(yōu)點(diǎn)是能夠避免由PWM或數(shù)字調(diào)光所產(chǎn)生的噪聲等問(wèn)題， 缺點(diǎn)是模擬調(diào)光會(huì)改變LED的驅(qū)動(dòng)電流， 從而引起LED的色偏。PWM調(diào)光方式是通過(guò)反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器， 在PWM信號(hào)使能期間輸出電流， 其它時(shí)間內(nèi)關(guān)閉LED驅(qū)動(dòng)， 通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比可來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。PWM調(diào)光的原理是利用人眼的‘視覺(jué)暫留’ 效應(yīng)， 但為了避免人眼能夠看到LED的閃爍， PWM調(diào)光的頻率應(yīng)在100 Hz以上。

　　由于不會(huì)改變LED平均電流， PWM調(diào)光也就不會(huì)改變LED的色度。

圖4 模擬調(diào)光等效電路圖

　　圖4給出了模擬調(diào)光等效電路圖。圖4是一個(gè)差分輸入結(jié)構(gòu)。其中輸入V1為一固定電平2.5 V，V2為DIM引腳的輸入經(jīng)電阻分壓后的電平。由于本電路只工作于大信號(hào)情況下， 所以首先對(duì)其大信號(hào)進(jìn)行分析。N1、N2管組成的電流鏡將兩通路電流強(qiáng)制相等， 則：

　　壓大于V1時(shí)， 由于L2點(diǎn)電壓為低N3、N4截止。輸出Io為零， 無(wú)調(diào)光效果。當(dāng)V2減小到2.5 V， 兩邊電流相等， 輸出也為零。此時(shí)若V2從2.5 V減小ΔV， 由公式（3） 可知電壓L1與L3之差就增大ΔV， 這樣引起的電壓差在電阻上產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)N3、N4鏡像后就得到輸出電流Io。該電流將進(jìn)入電流采樣模塊， 并影響電流采樣電壓CS的大小， 從而起到改變輸出電流的作用。

　　圖5給出了芯片模擬調(diào)光過(guò)程仿真圖。從圖中可以看到， 當(dāng)DIM引腳電壓逐漸降低時(shí)， LED平均電流IL也開始按一定比例降低， 在DIM引腳電壓低于0.3 V時(shí)， 功率管被關(guān)斷， LED電流下降到零。這就說(shuō)明模擬調(diào)光模塊能很好的控制LED驅(qū)動(dòng)電流大小。

圖5 模擬調(diào)光過(guò)程仿真圖[!--empirenews.page--]

　　圖6給出了PWM調(diào)光等效電路圖， 通過(guò)在DIM引腳加入可變占空比的PWM信號(hào)就可以改變輸出電流， 從而實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。

圖6 PWM調(diào)光等效電路圖

　　圖6中， 當(dāng)DIM由高變低， 小于VT_L時(shí)， 使能變EN為高。此時(shí)VT選通為VT_H， 當(dāng)DIM由低變高， 高于VT_H時(shí)使能轉(zhuǎn)換， 并實(shí)現(xiàn)一定的電壓遲滯。如果輸入信號(hào)是PWM信號(hào)， 同樣通過(guò)上述工作過(guò)程， 這樣EN輸出同樣為PWM信號(hào)， 控制內(nèi)部功率管的開關(guān)， 從而達(dá)到控制輸出電流的目的。

　　圖7給出了當(dāng)DIM輸入典型值20 kHz、占空比為50%的PWM方波時(shí)， 輸出電流波形。從圖中可以看到在DIM引腳輸入一定占空比的方波時(shí)，LED的平均電流與PWM方波的占空比成正比， 因此通過(guò)設(shè)定PWM方波的占空比， 就可以改變LED平均電流的大小。

圖7 PWM調(diào)光波形圖

　　由上圖還可以看出， 當(dāng)輸出一個(gè)電感電流周期時(shí)， PWM方波具有最小的占空比， 約為4%，此時(shí)最大調(diào)光比為25:1。顯然， 采用周期越長(zhǎng)，頻率越低的PWM方波進(jìn)行數(shù)字調(diào)光所獲得的調(diào)光比就越高， 但考慮到人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)， 為防止輸出LED電流頻率過(guò)低引起閃爍， 應(yīng)用時(shí)一般設(shè)置最低fDIM=100 Hz， 此時(shí)最大調(diào)光比可高達(dá)5000:1。

　　3 仿真結(jié)果

　　本文基于1 μm 40 V CSMC工藝模型， 使用HSPICE軟件， 對(duì)整體芯片進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

　　表1給出了典型條件下， 采樣電阻RS=0.33ohm， 電感L=100 μH時(shí)， 在不同的電源電壓， 不同LED連接數(shù)目下， LED輸出電流精度。芯片由于采樣延遲、采樣精度、驅(qū)動(dòng)級(jí)延遲等因素， 會(huì)導(dǎo)致輸出電流產(chǎn)生誤差。在不同的電源電壓和負(fù)載條件下， 從表一中可以看到輸出電流精度均能很好的控制在5.5%以內(nèi)。同時(shí)也可以看到， 要實(shí)現(xiàn)較好的電流精度， 固定負(fù)載下需要相應(yīng)的電源電壓與之匹配。

表1 輸出電流精度

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于1 μm 40 V CSMC高壓工藝， 設(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入、大電流、高調(diào)光比LED恒流降壓驅(qū)動(dòng)芯片。在滯環(huán)電流控制模式下， 芯片具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不需要補(bǔ)償電路等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)DIM引腳， 芯片可以方便的進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和寬范圍的PWM調(diào)光。仿真結(jié)果表明， 當(dāng)輸入電壓從8 V變化到30 V時(shí)， 芯片輸出電流最大偏差不超過(guò)5.5%。此外， 在芯片驅(qū)動(dòng)7個(gè)LED時(shí)， 效率可高達(dá)97%。