《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種適用于LED驅(qū)動(dòng)的高壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
一種適用于LED驅(qū)動(dòng)的高壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
蘇藝俊1,，2,，馬 奎1,，2，胡 銳3,，陳 瀟3,，楊發(fā)順1，2
1.貴州大學(xué) 電子科學(xué)系,，貴州 貴陽550025,；2.貴州省微納電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025,； 3.貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司,，貴州 貴陽550018
摘要： 在LED驅(qū)動(dòng)電路中，若采用傳統(tǒng)的BUCK型DC-DC降壓方式或利用MOS管級(jí)聯(lián)鉗制降壓方式為芯片內(nèi)部低壓模塊提供電源,，存在不易集成化和受高壓工藝限制等問題,。為此，提出了一種改進(jìn)的高壓穩(wěn)壓電路,，利用高壓LDMOS構(gòu)成電流源對(duì)RC電路充電,，電容上的電壓經(jīng)過線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后給芯片提供穩(wěn)定的低壓電源。該電路只需外置電容,，其他部分均可集成在一塊芯片上,?；谌A虹宏力0.5 μm 700 V BCD工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在0～311 V周期脈動(dòng)高電壓輸入條件下,，電路能穩(wěn)定輸出4.97 V,；負(fù)載電流在0～10 mA范圍內(nèi)變化，負(fù)載調(diào)整率為11.6 mV/mA,；在-40 ℃～130 ℃溫度范圍內(nèi),，輸出電壓溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃。仿真結(jié)果表明,，該高壓穩(wěn)壓電路各指標(biāo)參數(shù)均滿足預(yù)期要求,。
中圖分類號(hào)： TN402
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.005
中文引用格式： 蘇藝俊，馬奎,，胡銳,，等. 一種適用于LED驅(qū)動(dòng)的高壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，43(3)：25-28.
英文引用格式： Su Yijun,，Ma Kui，Hu Rui,，et al. Design of a high-input voltage regulator for LED drivers[J].Application of Electronic Technique,，2017，43(3)：25-28.
Design of a high-input voltage regulator for LED drivers
Su Yijun1,，2,，Ma Kui1，2,，Hu Rui3,，Chen Xiao3，Yang Fashun1,，2
1.Department of Electronics,，Guizhou University，Guiyang 550025,，China,； 2.Key Laboratory of Micro-Nano Technology of Guizhou Province，Guiyang 550025,，China,； 3.Guizhou Zhenhua Feng Guang Semiconductor Co.Ltd.，Guiyang 550018,，China
Abstract： In LED driving chips, traditional high-voltage regulator, which uses buck DC-DC converter or cascade clamp of MOSFET to drop the high-input voltage to the power supply for internal low voltage modules is seriously affected by the high-voltage process and not easily integrated. In this paper, an improved high-voltage regulator was proposed. This regulator uses a current mirror composed by LDMOS to charge a RC circuit. The voltage on the capacitor is regulated by a linear regulator to provide a stable low voltage power supply. Therefore, the LED driving circuit can be integrated in a monolithic chip except the capacitor. This high-voltage regulator was simulated based on the HG 0.5 μm 700 V BCD process. The simulation result shows that the output voltage is 4.97 V under the condition of pulse high voltage for 0～311 V period. The output voltage fluctuation value is 0.116 V and the load regulation is 11.6 mV/mA in the load current of 0～10 mA. The temperature coefficient is 27.2 ppm/℃ within -40 ℃～130 ℃. The simulated results indicate that all parameters of this high-voltage regulator are validated.
Key words : LED driver,；high-voltage regulating circuit；linear regulator,；low-voltage power supply,；BCD process

0 引言

    LED(Light Emitting Diode)驅(qū)動(dòng)電源是LED照明燈具的核心部件,，分為外部應(yīng)用電源和內(nèi)部電源[1]。外部應(yīng)用電源為芯片外部電路和LED燈珠提供工作電源,，輸出為高壓,；而內(nèi)部電源則是為芯片內(nèi)部各個(gè)低壓模塊(如帶隙基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器,、比較器等)提供工作電源,，輸出為低壓，一般有1.8 V,、3.3 V和5 V幾種電壓,。內(nèi)部電壓是由外部應(yīng)用電壓經(jīng)過降壓而得,。傳統(tǒng)降壓電路有BUCK型DC-DC變換電路[2],，這種電路雖然效率較高，但輸出紋波電壓較大,、線性調(diào)整率較差,、且需要電感元件，不利于集成化,。文獻(xiàn)[3]報(bào)道了一種預(yù)降壓電路結(jié)構(gòu),，可在由高壓管HVMN構(gòu)成的源極跟隨器源端產(chǎn)生預(yù)降壓電壓，但電路需要較多的高壓管,，芯片面積較大,，且易受工藝條件限制。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了另一種降壓電路,，采用高壓管作為輸入管對(duì)電容充電,，輸出電壓經(jīng)過電平位移電路結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定輸出電壓。電路中的高壓啟動(dòng)電路不工作時(shí),，需要低摻雜的高阻值電阻來承受高壓,，嚴(yán)重影響可靠性，且電平位移電路輸出電壓帶負(fù)載能力有限,。

    本文設(shè)計(jì)的高壓穩(wěn)壓電路利用高壓管LDMOS構(gòu)成電流源電路對(duì)RC電路充電,，并引進(jìn)前置基準(zhǔn)和遲滯檢測(cè)模塊，電容兩端的輸出電壓經(jīng)過線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后給芯片提供穩(wěn)定的低壓電源,，穩(wěn)壓之后的輸出電壓穩(wěn)定性高,，帶負(fù)載能力強(qiáng)，電路只需外置電容,，其余部分可以集成在一塊芯片上,。理論分析和仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該高壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)正確,，且各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均滿足預(yù)期要求,。

1 LED驅(qū)動(dòng)芯片中的高壓穩(wěn)壓電路

    高壓穩(wěn)壓電路是LED分段式恒流驅(qū)動(dòng)電源的核心模塊,，圖1所示為本文設(shè)計(jì)的LED分段式恒流電路框圖。市電經(jīng)過整流橋后得到脈動(dòng)高壓直流電壓,，該電壓既要為LED燈珠供電,，也需為芯片內(nèi)部的相關(guān)模塊提供電源。芯片內(nèi)部模塊的工作電壓為低壓,，所以需要一個(gè)高壓穩(wěn)壓電路將高壓脈動(dòng)直流電壓穩(wěn)定到低壓模塊所需的直流值,。該高壓模塊的輸出直接影響到芯片內(nèi)部模塊的穩(wěn)定性，對(duì)LED燈具的性能和質(zhì)量起著決定性的作用,。

wdz1-t1.gif

    為解決LED驅(qū)動(dòng)芯片中高壓穩(wěn)壓電路占用芯片面積大,、對(duì)工藝敏感性強(qiáng)、帶負(fù)載能力差等問題,，本文提出了一種改進(jìn)的高壓穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu),，如圖2所示。電路主要分為高壓啟動(dòng)模塊,、遲滯檢測(cè)模塊,、前置基準(zhǔn)模塊Pre-BAG和LDO穩(wěn)壓模塊4部分。高壓啟動(dòng)模塊由高壓LDMOS器件構(gòu)成RC充電和高壓放電兩條支路,，可在電容兩端得到一定值的電壓（VCC）,。遲滯檢測(cè)模塊具有兩個(gè)門限電壓，主要用于檢測(cè)電容電壓VCC,，輸出信號(hào)用于控制RC充電和高壓放電支路,。電路引進(jìn)前置基準(zhǔn)模塊，在VCC上升到一定值時(shí)能產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓并為LDO穩(wěn)壓模塊提供參考電壓,。由于VCC不是穩(wěn)定值,，故電路引進(jìn)LDO穩(wěn)壓模塊，VCC經(jīng)LDO穩(wěn)壓之后得到的輸出電壓（VDD）具有穩(wěn)定性高,、帶負(fù)載能力強(qiáng),，可以作為芯片內(nèi)部低壓模塊的工作電源。

wdz1-t2.gif

    電路采用D-S耐壓為700 V的LDMOS器件構(gòu)成RC充電和高壓放電兩條支路,，解決了利用低摻雜大電阻承受高壓所帶來的可靠性問題,，利用LDO穩(wěn)壓之后可以提高輸出電壓的穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

    高壓啟動(dòng)模塊由RC充電和高壓放電兩條支路構(gòu)成,，如圖2,，支路一的LDMOS1為RC電路提供充電電流，在電容兩端得到一定值的電壓,；支路二由LDMOS2和電阻R0構(gòu)成對(duì)地支路,，當(dāng)充電支路一關(guān)閉時(shí)，支路二可作為高壓放電回路,。LDMOS2的柵極由遲滯檢測(cè)模塊的輸出電平信號(hào)控制,，可處于導(dǎo)通或截止兩種工作狀態(tài),。電容兩端電壓VCC作為檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)為后續(xù)模塊提供電源,。當(dāng)電路上電時(shí),，支路一導(dǎo)通，電容兩端電壓VCC上升,，遲滯檢測(cè)模塊輸出低電平,，使LDMOS2處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí),，遲滯檢測(cè)模塊輸出高電平,，使LDMOS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，關(guān)斷支路一,，充電結(jié)束,。當(dāng)由于后續(xù)模塊消耗使電容兩端電壓低于一定值后， LDMOS2再度截止,，此時(shí)LDMOS1導(dǎo)通,，充電支路一也再度被激活，對(duì)RC電路進(jìn)行充電,。LDMOS1、LDMOS2的D-S耐壓為700 V,，支路二LDMOS2的引入可以有效改善文獻(xiàn)[4]所報(bào)道的方案中低摻雜大電阻易受高壓影響的弊端,。

    遲滯檢測(cè)模塊由雙門限比較器構(gòu)成，電路具有遲滯回環(huán)傳輸特性,。利用正反饋使比較器的門限電壓隨輸出電壓的改變而改變,，對(duì)輸入端的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力[5]。電路中的運(yùn)算放大器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu),，第一級(jí)為差分運(yùn)算放大器,，第二級(jí)為PMOS管為負(fù)載的共源放大器。兩級(jí)之間采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來消除次級(jí)點(diǎn)對(duì)低頻單位增益帶寬,、相位裕度的影響,，保證運(yùn)算放大器的工作穩(wěn)定性[6-7]。

    前置基準(zhǔn)模塊Pre-BAG選用帶隙電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu),，主要由啟動(dòng)電路,、基準(zhǔn)核心電路和偏置電路構(gòu)成。啟動(dòng)電路保證了在上電以后,，前置基準(zhǔn)模塊能正常工作,，該模塊主要是為LDO穩(wěn)壓電路提供參考電壓。

    LDO穩(wěn)壓模塊主要由功率調(diào)整管,、誤差放大器和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,。由前置基準(zhǔn)模塊為誤差放大器提供參考電壓,，輸出電壓Vout經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)取樣后與參考電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果控制調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)[9],，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓,。Vout的計(jì)算公式如式(1)：

    wdz1-gs1.gif

    電路設(shè)計(jì)的Vout為5 V，Vref為1.19 V,，調(diào)整電阻R4,、R5、R6的比值可以得到所需的輸出電壓值,。

    該輸出電壓較穩(wěn)定,。負(fù)載調(diào)整率是衡量負(fù)載大小變化對(duì)穩(wěn)壓電路輸出電壓的影響程度。該電壓需具有相應(yīng)的帶負(fù)載能力,，才能提供作為芯片低壓模塊的工作電源[10],。本文設(shè)計(jì)的高壓穩(wěn)壓電路如圖3所示。

wdz1-t3.gif

3 電路仿真與結(jié)果分析

    基于華虹宏力0.5 μm 700 V BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝,，在典型工藝角條件下,，采用Cadence平臺(tái)下的 spectre仿真器對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖4所示為前置基準(zhǔn)電路的啟動(dòng)工作電壓仿真結(jié)果,。從圖中可以看出,，在輸入電源電壓為1.8 V～6 V時(shí)，前置基準(zhǔn)電路穩(wěn)定輸出1.19 V,。

wdz1-t4.gif

    圖5所示為高壓穩(wěn)壓電路的整體仿真結(jié)果,。從圖中可看出，在輸入電壓為0～311 V的脈動(dòng)電壓條件下,，電容兩端電壓VCC=5.73 V,，VCC經(jīng)LDO穩(wěn)壓器可以得到Vout=4.97 V。

wdz1-t5.gif

    經(jīng)計(jì)算,，圖5所示系統(tǒng)中的欠壓保護(hù),、過溫保護(hù)、振蕩電路等模塊所需的供電電流約為7.5 mA,，考慮到余量,，設(shè)定高壓穩(wěn)壓電路的負(fù)載電流為10 mA。圖6所示為輸出電壓的帶負(fù)載能力仿真結(jié)果,。從圖中可以看出,，負(fù)載電流Io從0變化至10 mA時(shí)，輸出電壓波動(dòng)為ΔVout=0.116 V,，變化率為2.32%,，負(fù)載調(diào)整率為ΔVout/ΔIo=11.6 mV/mA，負(fù)載特性較好。

wdz1-t6.gif

    圖7所示為輸出電壓的溫度特性仿真結(jié)果,。從圖中可以看出,，在-40 ℃～130 ℃范圍內(nèi)，輸出電壓的溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃,。

wdz1-t7.gif

    表1為本文設(shè)計(jì)電路的性能參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比,，在不同工藝下，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的輸入電壓均為恒壓,，本文的輸入電壓為0~311 V的非恒壓,；電路的溫漂系數(shù)為27.2 ppm/℃，可以滿足系統(tǒng)要求,；輸出電壓VDD的變化率為2.32%,，相較于文獻(xiàn)[4]有所提高，且文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的負(fù)載電流分別為5 mA和1.5 mA,，而本文的負(fù)載電流為10 mA,，輸出電壓Vout的變化率仍小于3%，負(fù)載特性相對(duì)較好,。

wdz1-b1.gif

4 結(jié)束語

    LED照明已越發(fā)普及,，高壓穩(wěn)壓電路是LED分段恒流驅(qū)動(dòng)芯片的核心模塊，集成化和高壓工藝的限制一直是實(shí)現(xiàn)這一模塊的難點(diǎn),。本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的高壓降壓穩(wěn)壓電路,，由高壓LDMOS電流源對(duì)RC電路進(jìn)行充電得到預(yù)工作電壓，通過遲滯檢測(cè)模塊控制充電過程,，引進(jìn)前置基準(zhǔn)模塊降低了溫度和電源波動(dòng)的影響,，最后利用線性穩(wěn)壓器使模塊的輸出電壓穩(wěn)定在一定值。仿真驗(yàn)證得到,，在0～311 V的周期脈動(dòng)高電壓輸入條件下，電路能穩(wěn)定輸出4.97 V,；負(fù)載電流在0～10 mA范圍內(nèi)變化時(shí),，輸出電壓變化率為2.32%，負(fù)載調(diào)整率為11.6 mV/mA,；在-40 ℃～130 ℃溫度范圍內(nèi),，輸出電壓溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃。該電路具有易于集成,、穩(wěn)定性好,、帶負(fù)載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)LED分段恒流驅(qū)動(dòng)電路的單片集成,。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉浩,，陳志，葛佳樂，等.一種寬電壓輸入范圍降壓電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),，2011,，41(1)：54-55.

[2] 董雙兵，戴宇杰,，張小兵,，等.一種預(yù)穩(wěn)壓的高壓線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,，43(6)：82-86.

[3] 季翔宇,，楊依忠，陳峰.一種寬輸入降壓穩(wěn)壓電路的研究與設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),，2013,，36(7)：795-797.

[4] 陳志軍，鐘昌賢,，張波.一種用于離線式開關(guān)電源的內(nèi)部電源電路[J].中國集成電路,，2006，87：18-21.

[5] 康華光,，陳大欽,，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] ALLEN P E,，BLALOCK B J,，RINCON G A.A CMOS opam using bulk-driven MOSFETs[J].IEEE Transactionson Systems，2013,，38(5)：192-193.

[7] 何樂年,，王義.模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[8] ANDREOUC M,，KOUDOUNAS S,，GEORGIOU J.A novel wide-temperature-range，3.9 ppm/℃ CMOS bandgap refer-ence circuit[J].IEEE Journal of Solid State Circuits,，2012,，47(2)：574-581.

[9] VAISBAND I，F(xiàn)RIEDMANE G.Stability of distributed power delivery systems with multiple parallel on-chip LDO regulators[J].IEEE Transactions on Power Electronics,，2016,，31(8)：5625-5634.

[10] 金巖.一種低功耗高穩(wěn)定性LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.



作者信息:

蘇藝俊1,，2,，馬  奎1，2,，胡  銳3,，陳  瀟3，楊發(fā)順1，2

（1.貴州大學(xué) 電子科學(xué)系,，貴州 貴陽550025,；2.貴州省微納電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025,；

3.貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司,，貴州 貴陽550018）

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。