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(zhǎng),、安全可靠等眾多優(yōu)勢(shì)在照明領(lǐng)域獲得一席之地,，并有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，同樣LED 照明產(chǎn)業(yè)也帶來了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,。因此,，LED照明的迅速普及也帶動(dòng)了LED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，使得LED驅(qū)動(dòng)芯片已成為電源管理電路市場(chǎng)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(qiáng)度密切相關(guān),，恒流驅(qū)動(dòng)是最理想的選擇，本文設(shè)計(jì)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(dòng)大功率的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片,。

1 芯片的總體設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)恒流的目的,，對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。該芯片同時(shí)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(hù),、過熱保護(hù)的特點(diǎn)，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(hù)(TSD)模塊,、邏輯控制(logical control)模塊、Driver模塊^[6-7],?？傮w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(cè)到LDO的輸出達(dá)到4 V時(shí),，會(huì)向偏置電路模塊,、過熱保護(hù)電路模塊、邏輯控制電路模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊發(fā)出使能信號(hào)(EN),，此時(shí)芯片整個(gè)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(gè)反饋電壓V_SNS,，V_SNS會(huì)通過V_fb引腳反饋到芯片內(nèi)部,，而V_fb引腳內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由芯片內(nèi)部基準(zhǔn)產(chǎn)生的參考電壓V_ref(本文設(shè)計(jì)芯片為200 mV),，此時(shí)芯片中的比較器會(huì)將反饋電壓V_SNS和參考電壓V_ref進(jìn)行比較，如果反饋電壓V_SNS低于參考電壓V_ref,，那么芯片會(huì)使內(nèi)部的NLDMOS導(dǎo)通,，導(dǎo)通的時(shí)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(shí)間T_ON結(jié)束后,，NLDMOS會(huì)關(guān)斷一個(gè)時(shí)間,，我們把這個(gè)時(shí)間稱之為最小關(guān)斷時(shí)間T_OFF-MIN(本文設(shè)計(jì)的芯片最小關(guān)斷時(shí)間為200 ns)。最小關(guān)斷時(shí)間T_OFF-MIN結(jié)束以后,，芯片對(duì)V_SNS和參考電壓V_ref進(jìn)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(shí),，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(shí)連接在V_fb端的另外一個(gè)比較器的輸出信號(hào)狀態(tài)會(huì)翻轉(zhuǎn)，強(qiáng)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(jìn)驅(qū)動(dòng)方案

    上文對(duì)本款芯片做了整體的描述,，并通過芯片的典型應(yīng)用圖對(duì)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(duì)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(gè)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(jì)一種新型的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路,，并構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)電路,。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(jì)阻值應(yīng)該較大,，R₂為小電阻,，設(shè)計(jì)阻值應(yīng)該較小，下面就對(duì)這樣改進(jìn)的具體原理進(jìn)行分析,。

    改進(jìn)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(jìn)后新型驅(qū)動(dòng)方案的反饋電壓。

    通過對(duì)整理分析后的反饋電壓V_CS2的新表達(dá)式(6)進(jìn)行分析可以看出,，當(dāng)輸入電壓V_IN增加時(shí)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(jì)。這個(gè)新型LED驅(qū)動(dòng)方案就解決了芯片典型應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jì)是集成電路設(shè)計(jì)中一個(gè)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(jì),。

2.1.1 管腳布局設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)芯片共有8個(gè)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(dòng)模塊浮動(dòng)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(gè)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(duì)接地腳V_SS焊盤放置的設(shè)計(jì)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(jì)

    功能模塊布局重點(diǎn)考慮模擬和數(shù)字信號(hào)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(duì)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(dòng)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(shí)際整體版圖設(shè)計(jì)

    根據(jù)上述的版圖布局設(shè)計(jì)考慮,，對(duì)芯片版圖進(jìn)行整體布局和設(shè)計(jì)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(jì)好后,，對(duì)版圖進(jìn)行了DRC和LVS檢查驗(yàn)證,，并把GDS數(shù)據(jù)傳送到VIS進(jìn)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(duì)控制芯片實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行模擬分析時(shí),，為了更接近于實(shí)際情況，在芯片的每個(gè)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(duì)LED電流紋波有影響,，當(dāng)電容C_O取較大值時(shí),，LED上的電流紋波會(huì)比較小，但是會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)光有一定的影響,，當(dāng)電容C_O取較小值時(shí),，有利于系統(tǒng)調(diào)光，但是LED上的電流紋波會(huì)輕微增大,。

    圖6所示是輸入電壓,、調(diào)光控制信號(hào)、以及電感電流和LED電流波形,。隨PWM調(diào)光控制信號(hào)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(hào)V_adj的占空比,，就可以實(shí)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(jì)中提出了增加兩個(gè)電阻和一個(gè)高壓NLDMOS器件的改進(jìn)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(yàn)證了這一點(diǎn)：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(cè)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(gè)功率為1 W的LED燈珠串聯(lián),。

    測(cè)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(shí),，原芯片驅(qū)動(dòng)電路中輸出電流I_F從756 mA增加到804 mA,，變化幅度6.35%，對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,，其驅(qū)動(dòng)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(cè)試結(jié)果表明當(dāng)輸入電壓變化一倍時(shí),，輸出電流精度誤差小于1%,，進(jìn)一步提高了輸出電流精度，進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的功能,，擴(kuò)大了芯片的應(yīng)用范圍,。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種降壓型恒流LED驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hù)功能并對(duì)其重要模塊進(jìn)行了分析。針對(duì)其對(duì)輸入電壓紋波要求較高,，對(duì)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),，減小了輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出電流的影響，實(shí)現(xiàn)低紋波恒流驅(qū)動(dòng),，具有很高的實(shí)用價(jià)值,。

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