LED恒流驅(qū)動(dòng)電路研究與設(shè)計(jì)方案

中心議題：

• LED恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
• LED恒流驅(qū)動(dòng)電路仿真測(cè)試結(jié)果

解決方案：

• 基于MOS管飽和區(qū)恒流特性的恒流模塊
• 基于電流負(fù)反饋的恒流模塊
• 擬合工作區(qū)的恒流驅(qū)動(dòng)模塊

本文介紹基于CSMC0.5umBCD工藝給出的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。利用MOS管飽和區(qū)恒流特性以及電流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，給出三種恒流驅(qū)動(dòng)方案。比較三種方案的恒流工作電壓，確立最終結(jié)構(gòu)。本文采用的方案能夠有效降低恒流工作電壓并實(shí)現(xiàn)利用外接電阻控制恒流輸出的大小，驅(qū)動(dòng)電流范圍為14.5mA到91.5mA.驅(qū)動(dòng)電流可以通過(guò)外接PWM數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸出使能控制，控制響應(yīng)時(shí)間為7ns.可用于LED顯示屏。通過(guò)Hspice軟件進(jìn)行仿真，5V的電源電壓波動(dòng)±10%時(shí)驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)小于1.85%.環(huán)境溫度由25℃變化到85℃時(shí)驅(qū)動(dòng)電流變化2.14%.外接電壓由0V變化到5V,此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流變化小于5.5%.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為91.5mA時(shí)，恒流工作電壓僅為0.38V.

1  引言

近年來(lái)，LED顯示屏應(yīng)用迅速發(fā)展，推動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)IC的進(jìn)步?；趯?duì)LED的高可靠性以及亮度和色度一致性的考慮，通常要對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。

用于LED顯示屏的恒流驅(qū)動(dòng)電路主要存在三個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①驅(qū)動(dòng)電流可通過(guò)單一外接電阻設(shè)定。②最大限度降低恒流工作電壓。這里，恒流工作電壓指使輸出電流恒定時(shí)的內(nèi)部電路壓降，該壓降小則電路功耗低。③恒流輸出可由數(shù)字信號(hào)控制，響應(yīng)速度要快，以滿(mǎn)足采用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)光或高速掃描應(yīng)用的需要。文中給出了一種使驅(qū)動(dòng)MOS管在線(xiàn)性區(qū)實(shí)現(xiàn)恒流的控制方法，且不需要在源極串聯(lián)反饋電阻，有效降低了恒流工作電壓。在此基礎(chǔ)上，給出了滿(mǎn)足以上三方面要求的完整控制電路。

2  恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

恒流驅(qū)動(dòng)模塊是整個(gè)控制電路設(shè)計(jì)核心，決定整體電路的恒流特性。針對(duì)此模塊給出三種方案。具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中電流I_rset只受控于外接電阻Rset,當(dāng)Rset不變時(shí)，此電流恒定。Vcc是電路的外接電壓，用來(lái)為L(zhǎng)ED供電。

圖1  電路結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的恒流方式，常應(yīng)用于大功率LED照明電路，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。電路利用M1實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)。外接電壓Vcc的增大使得M1進(jìn)入飽和區(qū)，利用運(yùn)放保證M1柵電壓保持不變。工作于飽和區(qū)的M0與M1的共柵連接方式使得流經(jīng)它們的電流滿(mǎn)足線(xiàn)性比例關(guān)系且電流恒定，比例系數(shù)取決于兩者的寬長(zhǎng)比的比值。這種恒流模式完全依賴(lài)于MOS管的柵電壓并且恒流工作電壓（VDS1）至少要滿(mǎn)足M1管飽和導(dǎo)通，因此結(jié)構(gòu)對(duì)于LED顯示電路來(lái)說(shuō)功耗大。

2.2  基于電流負(fù)反饋的恒流模塊
為減小電路功耗，采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒流輸出。電路結(jié)構(gòu)如圖1（b）。當(dāng)電路由于某一原因?qū)е翸0的漏電流增加時(shí)，增加的電流通過(guò)R1作用反饋到運(yùn)放的反相端，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)會(huì)使得M0的柵壓降低，使M0上漏電流減小，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，保證M0的漏電流恒定不變，反之亦然。這樣的恒流方式降低了恒流工作電壓，電路功耗小。動(dòng)態(tài)平衡方式很好的實(shí)現(xiàn)了恒流輸出，恒流特性好。負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動(dòng)電流Iout與I_rset之間滿(mǎn)足線(xiàn)性比列關(guān)系，比例系數(shù)取決于R0與R1的阻值比。

該結(jié)構(gòu)存在一些不足：①R1不宜過(guò)大，否則R1上壓降過(guò)高，產(chǎn)生較大功耗。②R1不宜過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致反饋電壓過(guò)小，反饋電壓信噪比低，電路性能不穩(wěn)定。R1設(shè)置在幾個(gè)歐姆為宜，對(duì)于電阻的精確要求使得版圖設(shè)計(jì)相對(duì)困難，對(duì)工藝的要求較高。③反饋電阻的存在就不可避免的在R1上產(chǎn)生一定的壓降，造成集成電路內(nèi)部功耗的增加。

2.3  擬合工作區(qū)的恒流驅(qū)動(dòng)模塊
為避免反饋電阻存在的問(wèn)題，采用圖1（c）結(jié)構(gòu)，負(fù)反饋取樣點(diǎn)在M1漏端。同時(shí)為最大限度的降低恒流工作電壓需實(shí)現(xiàn)MOS管在線(xiàn)性區(qū)可以恒流輸出。這種方式將線(xiàn)性區(qū)恒流輸出曲線(xiàn)與飽和區(qū)恒流輸出特性曲線(xiàn)擬合成一條曲線(xiàn)，得到驅(qū)動(dòng)電流的恒流輸出曲線(xiàn)恒流特性好，恒流工作電壓低。

MOS管漏電流ID在不同工作區(qū)滿(mǎn)足關(guān)系式：
當(dāng)VDS>VGS-VTHN時(shí)，MOS管處于飽和區(qū)：

當(dāng)V DS < VGS - V THN時(shí)， MOS 管處于線(xiàn)性區(qū)：


若某一原因?qū)е逻\(yùn)放同相端輸入電壓增大，會(huì)使得M0柵電壓增加。而I_rset對(duì)于固定的外設(shè)電阻是恒定的，故M0的漏電壓減小，從而M1的柵電壓減小，漏電壓增加，即運(yùn)放的反相端電壓也隨之增加，反之亦然。這一結(jié)構(gòu)保證運(yùn)放的同相端和反相端輸入電壓始終保持相等，即保證M1和M2的漏電壓相等。同時(shí)M1和M2的共柵連接方式使得兩者的柵電壓相等。由式（1）、（2）可以看出，只要保證M1和M2的柵、漏電壓均相等，驅(qū)動(dòng)電流Iout與I_rset就會(huì)滿(mǎn)足一個(gè)線(xiàn)性的比例關(guān)系，比例系數(shù)依賴(lài)于M1和M2的寬長(zhǎng)比的比值。而對(duì)于一個(gè)固定的外設(shè)電阻，I_rset是固定不變的，電路可以利用此關(guān)系在M2尚處于線(xiàn)性區(qū)時(shí)就可以恒流輸出，顯著的降低恒流輸出的工作電壓。這一結(jié)構(gòu)要求電路中的運(yùn)放的線(xiàn)性區(qū)的工作范圍寬，即保證在M2處于線(xiàn)性區(qū)時(shí)，運(yùn)放一直能夠正常放大，保證M1和M2的漏源電壓相等。當(dāng)同相端的增加量使得運(yùn)算放大器已經(jīng)進(jìn)入到飽和區(qū)時(shí)，盡管反饋結(jié)構(gòu)不再起作用，但M2已經(jīng)可以利用飽和區(qū)恒流特性實(shí)現(xiàn)恒流輸出，I_reST不變使得飽和區(qū)的恒流值與線(xiàn)性區(qū)一致，兩個(gè)工作區(qū)的曲線(xiàn)擬合在一起，形成最終的恒流輸出曲線(xiàn)。

三種結(jié)構(gòu)的恒流工作電壓和驅(qū)動(dòng)電流最大誤差如表1所示。三種結(jié)構(gòu)的I_rset均是同一簡(jiǎn)單電流鏡產(chǎn)生的1mA電流，驅(qū)動(dòng)電流與I_rset的比例關(guān)系均設(shè)置為1：50,外接電壓的工作范圍均為0V~5V.

表1  三種結(jié)構(gòu)恒流工作電壓及驅(qū)動(dòng)電流最大誤差比較

可以看出，圖1中（c）的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)顯著降低恒流工作電壓的目的?？傮w電路中的恒流驅(qū)動(dòng)模塊采用該結(jié)構(gòu)。

LED恒流驅(qū)動(dòng)的總體電路如圖2所示，圖中控制電路部分用于控制是否有恒流輸出。ctr信號(hào)是外接PWM數(shù)字信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的調(diào)光控制。

                                                                                           圖2  恒流驅(qū)動(dòng)電路總圖

整個(gè)控制模塊利用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)電平的準(zhǔn)確翻轉(zhuǎn)，通過(guò)邏輯門(mén)作用于MC8、MC9.這兩個(gè)MOS管在控制信號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)迅速將電平拉高或拉低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制信號(hào)控制功能的加速作用，電路的響應(yīng)速度快。當(dāng)ctr信號(hào)為高時(shí)輸出禁止，ctr信號(hào)為低時(shí)輸出允許，從而實(shí)現(xiàn)利用外部的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。I_rset產(chǎn)生電路要實(shí)現(xiàn)通過(guò)外設(shè)電阻Rset對(duì)I_rest大小的控制，并且對(duì)與固定的Rset可以恒流輸出。利用帶隙電壓源產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓，利用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓到基準(zhǔn)電流的轉(zhuǎn)換。將運(yùn)放的反相端連接到外設(shè)電阻Rset就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換的電流大小受控于Rset.通過(guò)后續(xù)電路將電流適當(dāng)放大，最終給出I_rset.總體電路利用確立好的恒流驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

3  仿真測(cè)試結(jié)果

采用圖2電路結(jié)構(gòu)，基于CSMC0.5umBCD工藝庫(kù)進(jìn)行LED恒流驅(qū)動(dòng)電路仿真。電路實(shí)現(xiàn)了恒流工作電壓低，驅(qū)動(dòng)電流大小可以由外部電阻調(diào)節(jié)，并且外部數(shù)字信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流具有使能控制功能，響應(yīng)速度快的目的。

控制ctr信號(hào)變化時(shí)驅(qū)動(dòng)電流變化情況如圖3.結(jié)果顯示ctr對(duì)驅(qū)動(dòng)電流具有輸出使能控制作用，測(cè)量得到控制信號(hào)ctr響應(yīng)時(shí)間僅為7ns.

圖3  驅(qū)動(dòng)電流隨控制信號(hào)變化情況

不同外接電阻下恒流輸出特性曲線(xiàn)如圖4.阻值由200Ω~1300Ω時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流變化范圍是14.5mA~91.5mA,輸出恒流為91.5mA時(shí)，恒流工作電壓僅為0.38V.分析時(shí)Vcc由0V到5V變化，驅(qū)動(dòng)電流變化保持在5.5%以?xún)?nèi)，負(fù)載電路的增加使得恒流結(jié)構(gòu)的恒流精度與先前相比有所降低。

圖4  外接電阻變化時(shí)，恒流輸出特性曲線(xiàn)

設(shè)置Rset為500Ω、Vcc為3V,令5V電源電壓產(chǎn)生±10%的波動(dòng)，此時(shí)恒流輸出情況如圖5.驅(qū)動(dòng)電流由37.8mA變化到38.5mA,波動(dòng)百分比為1. 85%。

圖5  驅(qū)動(dòng)電流隨電源電壓變化曲線(xiàn)

設(shè)置Rset為500Ω、Vcc為3V,令電路工作的環(huán)境溫度為25℃~85℃時(shí)，恒流輸出情況如圖6.驅(qū)動(dòng)電流由37.3mA變化到38.1mA,波動(dòng)百分比2.14%.

圖6  驅(qū)動(dòng)電流隨溫度變化曲線(xiàn)

4  結(jié)束語(yǔ)

文中給出一種LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，可用于LED顯示屏。利用電流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)并擬合工作區(qū)，電路恒流工作電壓低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)外部數(shù)字信號(hào)的使能控制，控制信號(hào)響應(yīng)速度快，可用于實(shí)現(xiàn)PWM數(shù)字調(diào)光。驅(qū)動(dòng)電流大小可以有外接電阻實(shí)現(xiàn)控制。仿真顯示，電路5V的電源電壓波動(dòng)&plusmn;10%時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)小于1.85%.環(huán)境溫度在25℃~85℃時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流變化2.14%.驅(qū)動(dòng)電流為91.5mA時(shí)，恒流工作電壓僅為0.38V.電路驅(qū)動(dòng)電流可由外接信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸出使能控制，響應(yīng)時(shí)間為7ns.驅(qū)動(dòng)電流大小通過(guò)外接電阻設(shè)置實(shí)現(xiàn)，設(shè)置范圍200Ω~1300Ω,對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流變化范圍是14.5mA~91.5mA.