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， 同時功率型LED驅(qū)動芯片也顯得越來越重要,。由于LED的亮度輸出與通過LED的電流成正比,， 為了保證各個LED亮度、色度的一致性,， 有必要設(shè)計一款恒流驅(qū)動器,， 使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發(fā)光特性,， 本文設(shè)計了一種寬電壓輸入,、大電流、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式,， 可以用于驅(qū)動一顆或多顆串聯(lián)LED,。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內(nèi)， 通過對高端電流的采樣來設(shè)置LED平均電流,， 芯片輸出電流精度控制在5.5%,， 同時芯片可通過DIM引腳實現(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,。

　　本文首先對整體電路進(jìn)行了分析,， 接著介紹各個重要子模塊的設(shè)計， 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,， 因為LED驅(qū)動電流的變化就反應(yīng)在RS兩端的壓差變化上,， 所以在電路正常工作時， 通過采樣電阻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,， 再經(jīng)柵驅(qū)動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)計時會內(nèi)設(shè)兩個電流閾值IMAX和IMIN,。當(dāng)電源VIN上電時,， 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LED的電流開始上升,。電流通過電感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， CS_COMP遲滯比較器的輸出為低,， 此時功率開關(guān)管M1關(guān)閉,， 由于電感電流的連續(xù)性， 此時電流以另一個下降斜率流過電感（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預(yù)定值IMIN時,，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， 控制電路關(guān)斷功率管,， 重復(fù)上一個周期的動作,， 這樣就完成了對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,， 另外峰值電流檢測模式動態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)一般需要幾個周期的時間,， 而滯環(huán)電流控制至多一個周期就可以穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)， 所以滯環(huán)電流控制的動態(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， 但是在大功率LED照明驅(qū)動應(yīng)用中,， 一定的紋波變化和開關(guān)頻率變化不會對LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響,。

　　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， 同時功率型LED驅(qū)動芯片也顯得越來越重要,。由于LED的亮度輸出與通過LED的電流成正比,， 為了保證各個LED亮度、色度的一致性,， 有必要設(shè)計一款恒流驅(qū)動器,， 使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發(fā)光特性,， 本文設(shè)計了一種寬電壓輸入,、大電流、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動芯片,。該芯片采用遲滯電流控制模式,， 可以用于驅(qū)動一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內(nèi),， 通過對高端電流的采樣來設(shè)置LED平均電流,， 芯片輸出電流精度控制在5.5%， 同時芯片可通過DIM引腳實現(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,。

　　本文首先對整體電路進(jìn)行了分析， 接著介紹各個重要子模塊的設(shè)計,， 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,， 因為LED驅(qū)動電流的變化就反應(yīng)在RS兩端的壓差變化上， 所以在電路正常工作時,， 通過采樣電阻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,， 再經(jīng)柵驅(qū)動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)計時會內(nèi)設(shè)兩個電流閾值IMAX和IMIN,。當(dāng)電源VIN上電時,， 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LED的電流開始上升。電流通過電感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,， CS_COMP遲滯比較器的輸出為低,， 此時功率開關(guān)管M1關(guān)閉， 由于電感電流的連續(xù)性,， 此時電流以另一個下降斜率流過電感（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預(yù)定值IMIN時，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,， 控制電路關(guān)斷功率管,， 重復(fù)上一個周期的動作， 這樣就完成了對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,， 另外峰值電流檢測模式動態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)一般需要幾個周期的時間,， 而滯環(huán)電流控制至多一個周期就可以穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)， 所以滯環(huán)電流控制的動態(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， 但是在大功率LED照明驅(qū)動應(yīng)用中,， 一定的紋波變化和開關(guān)頻率變化不會對LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響,。

　　2 電路子模塊設(shè)計

　　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組成啟動電路， 當(dāng)電源上電時,， 若電路出現(xiàn)零電流狀態(tài),， 此時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)電路擺脫零簡并偏置點， 當(dāng)電路正常工作時,， 通過合理的設(shè)置P7和P8的寬長比,， 使它們都處于深線性區(qū)， 由于R2和R3阻值很大,， 此時VA的大小接近輸入電壓,， MOS管PH4關(guān)斷， 啟動結(jié)束,。此外,，由于VA的電壓接近電源電壓， 通過電阻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， 輸出欠壓信號,， 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,， 通過這兩個模塊就可以很好的實現(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， 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， P_OFF為高,， P_ON為低,， M1關(guān)M2開啟， 此時COMP1_G負(fù)端輸入VTH_L,，并且此時由于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， 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,， 遲滯比較器模塊將重復(fù)上一個周期的動作。這樣通過遲滯比較器就能產(chǎn)生一定占空比的方波來控制功率開關(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)境的變化隨時可調(diào)， 這就需要LED驅(qū)動器具有調(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,。

　　模擬調(diào)光是通過線性的改變LED驅(qū)動器的輸出電流來調(diào)整LED的發(fā)光亮度， 它的優(yōu)點是能夠避免由PWM或數(shù)字調(diào)光所產(chǎn)生的噪聲等問題,， 缺點是模擬調(diào)光會改變LED的驅(qū)動電流,， 從而引起LED的色偏。PWM調(diào)光方式是通過反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動器,， 在PWM信號使能期間輸出電流,， 其它時間內(nèi)關(guān)閉LED驅(qū)動， 通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比可來實現(xiàn)調(diào)光,。PWM調(diào)光的原理是利用人眼的‘視覺暫留’ 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,。

　　由于不會改變LED平均電流,， PWM調(diào)光也就不會改變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情況下,， 所以首先對其大信號進(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， 由于L2點電壓為低N3,、N4截止,。輸出Io為零， 無調(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)光過程仿真圖,。從圖中可以看到， 當(dāng)DIM引腳電壓逐漸降低時,， 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， 功率管被關(guān)斷,， LED電流下降到零,。這就說明模擬調(diào)光模塊能很好的控制LED驅(qū)動電流大小。

　　圖5 模擬調(diào)光過程仿真圖

　　圖6給出了PWM調(diào)光等效電路圖,， 通過在DIM引腳加入可變占空比的PWM信號就可以改變輸出電流,， 從而實現(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， 使能變EN為高,。此時VT選通為VT_H,， 當(dāng)DIM由低變高， 高于VT_H時使能轉(zhuǎn)換,， 并實現(xiàn)一定的電壓遲滯,。如果輸入信號是PWM信號， 同樣通過上述工作過程,， 這樣EN輸出同樣為PWM信號,， 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， 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,，LED的平均電流與PWM方波的占空比成正比， 因此通過設(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)輸出一個電感電流周期時,， PWM方波具有最小的占空比,， 約為4%，此時最大調(diào)光比為25:1,。顯然,， 采用周期越長，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暫留效應(yīng),， 為防止輸出LED電流頻率過低引起閃爍， 應(yīng)用時一般設(shè)置最低fDIM=100 Hz,， 此時最大調(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,， 對整體芯片進(jìn)行了仿真驗證,。

　　表1給出了典型條件下， 采樣電阻RS=0.33ohm,， 電感L=100 μH時,， 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)動級延遲等因素,， 會導(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),。同時也可以看到， 要實現(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

　　本文基于1 μm 40 V CSMC高壓工藝， 設(shè)計了一種寬電壓輸入,、大電流,、高調(diào)光比LED恒流降壓驅(qū)動芯片。在滯環(huán)電流控制模式下,， 芯片具有結(jié)構(gòu)簡單,、動態(tài)響應(yīng)快,、不需要補(bǔ)償電路等優(yōu)點。通過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,， 芯片輸出電流最大偏差不超過5.5%。此外,， 在芯片驅(qū)動7個LED時,， 效率可高達(dá)97%。