0 引言

    LED憑借能源消耗低,、發(fā)光效率高、環(huán)保,、使用壽命長,、安全可靠等眾多優(yōu)勢在照明領(lǐng)域獲得一席之地，并有不斷擴大的趨勢,，同樣LED 照明產(chǎn)業(yè)也帶來了十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益,。因此，LED照明的迅速普及也帶動了LED驅(qū)動芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,，使得LED驅(qū)動芯片已成為電源管理電路市場的重要組成部分^[1-5],。由于LED照明的光亮度與其導(dǎo)通電流的強度密切相關(guān)，恒流驅(qū)動是最理想的選擇,，本文設(shè)計了一款輸入電壓范圍寬,，輸入電流精度高，PWM數(shù)字調(diào)光,，可驅(qū)動大功率的LED恒流驅(qū)動芯片,。

1 芯片的總體設(shè)計及應(yīng)用

1.1 芯片結(jié)構(gòu)及工作原理

    本款芯片是DC/DC降壓型LED恒流驅(qū)動芯片，其輸入電壓范圍寬,，達(dá)到6 V至45 V,，輸出正向電流最高可達(dá)1.5 A，可以滿足大部分直流應(yīng)用，能使流過不超過最高輸出電壓的串聯(lián)LED的電流穩(wěn)定,。采用遲滯控制模式,，利用Buck電路中電感電流的不可突變性，通過采樣電阻的反饋電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓進行比較,，通過內(nèi)部MOSFET開關(guān)控制輸出電壓導(dǎo)通關(guān)閉,，從而實現(xiàn)恒流的目的，對LED進行恒流驅(qū)動,。該芯片同時具有參考電壓低,、瞬態(tài)響應(yīng)極快、數(shù)字(PWM)調(diào)光,、UVLO欠壓保護、過熱保護的特點,，主要包括帶隙基準(zhǔn)源(REF）模塊,、LDO模塊、偏置電流產(chǎn)生模塊,、數(shù)字調(diào)光模塊,、過溫保護(TSD)模塊、邏輯控制(logical control)模塊,、Driver模塊^[6-7],。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。

    當(dāng)輸入電壓V_IN接通后,，電壓調(diào)節(jié)器高壓LDO開始工作，為模擬控制電路部分提供5 V的電源V_OUT,。當(dāng)欠壓鎖存單元(UVLO)監(jiān)測到LDO的輸出達(dá)到4 V時,，會向偏置電路模塊、過熱保護電路模塊,、邏輯控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊發(fā)出使能信號(EN),，此時芯片整個系統(tǒng)開始工作，內(nèi)置NLDMOS功率器件M1導(dǎo)通,，電感L的電流開始上升,，由于采樣電阻R_SNS上的電流等于電感L上的電流，該電流流過反饋電阻R_SNS后,，產(chǎn)生一個反饋電壓V_SNS,，V_SNS會通過V_fb引腳反饋到芯片內(nèi)部，而V_fb引腳內(nèi)會產(chǎn)生一個由芯片內(nèi)部基準(zhǔn)產(chǎn)生的參考電壓V_ref(本文設(shè)計芯片為200 mV),，此時芯片中的比較器會將反饋電壓V_SNS和參考電壓V_ref進行比較,，如果反饋電壓V_SNS低于參考電壓V_ref，那么芯片會使內(nèi)部的NLDMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通的時間T_ON是由與clt引腳相連的電阻R_ON和輸入電壓V_IN所決定的,。導(dǎo)通時間T_ON結(jié)束后,，NLDMOS會關(guān)斷一個時間，我們把這個時間稱之為最小關(guān)斷時間T_OFF-MIN(本文設(shè)計的芯片最小關(guān)斷時間為200 ns),。最小關(guān)斷時間T_OFF-MIN結(jié)束以后,，芯片對V_SNS和參考電壓V_ref進行比較，如果V_SNS小于V_ref,，M1導(dǎo)通,，開始下一次的循環(huán)工作，再次比較反饋電壓V_SNS和參考電壓V_ref之間的大小,。另外,，當(dāng)NLDMOS導(dǎo)通時，如果外部元件如電阻R_ON和電感L的取值不恰當(dāng),，例如電阻R_ON過大或者電感L過小,，從而導(dǎo)致V_fb上的電壓降超過300 mV，此時連接在V_fb端的另外一個比較器的輸出信號狀態(tài)會翻轉(zhuǎn),，強制NLDMOS關(guān)斷,，芯片停止工作。其典型應(yīng)用電路如圖2所示,。

1.2 芯片的改進驅(qū)動方案

    上文對本款芯片做了整體的描述,，并通過芯片的典型應(yīng)用圖對其工作原理做了具體分析，但是具體在研究分析過程中發(fā)現(xiàn)芯片的典型應(yīng)用方案對輸入電壓變化幅度要求較高,，一般不超過±10%,，如果輸入電壓變化幅度超過這個范圍，輸出電流精度誤差將顯著增加,，所以在此芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計一種新型的LED恒流驅(qū)動電路,，并構(gòu)建了實驗電路。實驗結(jié)果表明：該電路解決了之前芯片典型應(yīng)用方案輸出電流隨輸入電壓變化的問題,，使得輸出電流精度誤差小于1%,，從外部電路增強了該芯片的功能，從而也拓寬了其應(yīng)用范圍,。新型LED驅(qū)動方案如圖3所示,。

    比較圖2與圖3可以看出，圖3提出的新型驅(qū)動方案的電路在V_IN端口與V_jb端口分別添加了R₁與R₂電阻,，其中R₁為大電阻,，設(shè)計阻值應(yīng)該較大，R₂為小電阻,，設(shè)計阻值應(yīng)該較小,，下面就對這樣改進的具體原理進行分析,。

    改進前電路如圖2中反饋到V_fb端口的反饋電壓V_CS1是由采樣電阻R_SNS所決定的，滿足式(1)：

    式(6)中,，V_IN表示輸入電壓,；I_LED是流過LED的電流；V_CS2是改進后新型驅(qū)動方案的反饋電壓,。

    通過對整理分析后的反饋電壓V_CS2的新表達(dá)式(6)進行分析可以看出,，當(dāng)輸入電壓V_IN增加時反饋電壓V_CS2也隨之增加，這將起著抵消輸出電流隨輸入電壓增加而增加的作用,，所以只要大電阻R₁與小電阻R₂選取合適,，通過分子上R₂和分母上的R₁之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以看出輸出電流I_F與輸入電壓V_IN的關(guān)系就變得微乎其微，甚至可以忽略不計,。這個新型LED驅(qū)動方案就解決了芯片典型應(yīng)用的驅(qū)動電路輸入電壓變化幅度只能限制在±10%的問題,，使輸入電壓變化幅度可以達(dá)到±50%甚至更多，大幅度提升了該芯片的功能,，進一步拓寬了該芯片應(yīng)用范圍,。

2 版圖布局與芯片仿真結(jié)果

2.1 整體版圖布局

    版圖設(shè)計是集成電路設(shè)計中一個非常重要的環(huán)節(jié)，直接決定芯片的成本和性能,。本文主要從引線布局和模塊布局來分析芯片整體布局設(shè)計。

2.1.1 管腳布局設(shè)計

    本文設(shè)計芯片共有8個管腳,，重要的管腳有輸入腳V_IN,、開關(guān)腳SW、功率NLDMOS的驅(qū)動模塊浮動電源腳V_CC以及接地腳V_SS,。在芯片應(yīng)用中電源腳V_CC和開關(guān)腳SW之間要連接一個電容,，因此，把電源腳V_CC的焊盤放置在靠近開關(guān)腳SW的地方,。此外芯片周圍都是接地線,，對接地腳V_SS焊盤放置的設(shè)計主要考慮到接地腳V_SS需要靠近電壓參考源模塊，其他管腳焊盤的放置主要從節(jié)省芯片面積來考慮,。

2.1.2 功能模塊布局設(shè)計

    功能模塊布局重點考慮模擬和數(shù)字信號干擾問題,、熱效應(yīng)和散熱問題等。在布局上主要是把模擬電路部分放置在遠(yuǎn)離功率器件的地方以減少功率器件發(fā)熱對模擬電路的影響,。數(shù)字控制模塊放在芯片的中部,，功率器件驅(qū)動模塊緊靠功率器件放置，功率器件放置在芯片的最上方^[8-9],。

2.1.3 實際整體版圖設(shè)計

    根據(jù)上述的版圖布局設(shè)計考慮,，對芯片版圖進行整體布局和設(shè)計優(yōu)化，如圖4所示,，最終版圖面積為1 680 μm×1 210 μm,。在版圖設(shè)計好后,，對版圖進行了DRC和LVS檢查驗證，并把GDS數(shù)據(jù)傳送到VIS進行MPW流片制造,。

2.2 整體電路仿真結(jié)果

    總體電路應(yīng)用仿真連接圖如圖5所示,。

    在對控制芯片實際應(yīng)用進行模擬分析時，為了更接近于實際情況,，在芯片的每個管腳和相關(guān)的連接線上加入1 nH寄生電感和20 MΩ的寄生電阻,。模擬中的參數(shù)選取如下：R_ON=100 kΩ，C_boot=10 nF,，C_ldo=220 nF,，L=47 μH。電容CO是并聯(lián)在LED兩端的電容,，電容C_O的取值大小對LED電流紋波有影響,，當(dāng)電容C_O取較大值時，LED上的電流紋波會比較小,，但是會對系統(tǒng)調(diào)光有一定的影響,，當(dāng)電容C_O取較小值時，有利于系統(tǒng)調(diào)光,，但是LED上的電流紋波會輕微增大,。

    圖6所示是輸入電壓、調(diào)光控制信號,、以及電感電流和LED電流波形,。隨PWM調(diào)光控制信號V_adj從邏輯“0”向邏輯“1”變化，電感L和LED上的電流也從0增加至其額定值,，這樣可以看出,，只要改變PWM調(diào)光控制信號V_adj的占空比，就可以實現(xiàn)調(diào)光,。從圖6不難看出電感L和LED上的電流隨輸入電壓V_IN增加有微小增加,。為了解決這一問題，在電路設(shè)計中提出了增加兩個電阻和一個高壓NLDMOS器件的改進方案,，如圖7所示,，其中電阻R₁=500 kΩ，R₂=500 Ω,。這樣,，LED上的電流不再隨輸入電壓V_IN的增加而增加。圖8得到的結(jié)果驗證了這一點：盡管電感L和LED上電流的紋波隨輸入電壓V_IN的增加而稍微增加,，但平均電流基本一致,，不隨輸入電壓而變化。

4 測試結(jié)果

    選取電阻R₁=500 kΩ,，R₂=500 Ω,，采樣電阻R_SNS=0.3 Ω,，電感L=10 μH，C_O=220 nF,，R_on=300 kΩ,；負(fù)載為8個功率為1 W的LED燈珠串聯(lián)。

    測試結(jié)果如圖9所示,，其中V_IN代表輸入電壓,，I_F為輸出電流。從圖9可以清楚看出,，當(dāng)輸入電壓從20 V逐漸增加到40 V時,，原芯片驅(qū)動電路中輸出電流I_F從756 mA增加到804 mA，變化幅度6.35%,，對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進后,，其驅(qū)動電路中電流從699 mA下降到692 mA，變化幅度僅為0.86%,，到達(dá)輸出電流基本不隨輸入電壓變化,，從而使輸出電流的紋波非常小，解決了輸入電壓變化幅度只能在10%的問題,。

    測試結(jié)果表明當(dāng)輸入電壓變化一倍時,，輸出電流精度誤差小于1%，進一步提高了輸出電流精度,，進一步增強了芯片的功能,，擴大了芯片的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種降壓型恒流LED驅(qū)動芯片,，其輸出電流精度極高,，可低于1%,。芯片采用控制導(dǎo)通時間的控制方式,，并具有PWM調(diào)光功能。芯片內(nèi)部具有多種保護功能并對其重要模塊進行了分析,。針對其對輸入電壓紋波要求較高,，對芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，減小了輸入電壓波動對輸出電流的影響,，實現(xiàn)低紋波恒流驅(qū)動,，具有很高的實用價值。

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