0 引言

    LED(Light Emitting Diode)驅(qū)動電源是LED照明燈具的核心部件,，分為外部應用電源和內(nèi)部電源^[1]。外部應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)部各個低壓模塊(如帶隙基準、運算放大器,、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[3]報道了一種預降壓電路結(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[4]報道了另一種降壓電路，采用高壓管作為輸入管對電容充電,，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,。電路中的高壓啟動電路不工作時,，需要低摻雜的高阻值電阻來承受高壓，嚴重影響可靠性,，且電平位移電路輸出電壓帶負載能力有限,。

    本文設計的高壓穩(wěn)壓電路利用高壓管LDMOS構(gòu)成電流源電路對RC電路充電，并引進前置基準和遲滯檢測模塊,，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，帶負載能力強,，電路只需外置電容,，其余部分可以集成在一塊芯片上。理論分析和仿真驗證結(jié)果表明,，該高壓穩(wěn)壓電路設計正確,，且各項指標參數(shù)均滿足預期要求。

1 LED驅(qū)動芯片中的高壓穩(wěn)壓電路

    高壓穩(wěn)壓電路是LED分段式恒流驅(qū)動電源的核心模塊,，圖1所示為本文設計的LED分段式恒流電路框圖,。市電經(jīng)過整流橋后得到脈動高壓直流電壓，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，所以需要一個高壓穩(wěn)壓電路將高壓脈動直流電壓穩(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LED燈具的性能和質(zhì)量起著決定性的作用。

    為解決LED驅(qū)動芯片中高壓穩(wěn)壓電路占用芯片面積大,、對工藝敏感性強,、帶負載能力差等問題，本文提出了一種改進的高壓穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu),，如圖2所示,。電路主要分為高壓啟動模塊、遲滯檢測模塊,、前置基準模塊Pre-BAG和LDO穩(wěn)壓模塊4部分,。高壓啟動模塊由高壓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（V_CC）,。遲滯檢測模塊具有兩個門限電壓,，主要用于檢測電容電壓V_CC，輸出信號用于控制RC充電和高壓放電支路,。電路引進前置基準模塊,，在V_CC上升到一定值時能產(chǎn)生基準電壓并為LDO穩(wěn)壓模塊提供參考電壓。由于V_CC不是穩(wěn)定值,，故電路引進LDO穩(wěn)壓模塊,，V_CC經(jīng)LDO穩(wěn)壓之后得到的輸出電壓（V_DD）具有穩(wěn)定性高、帶負載能力強,，可以作為芯片內(nèi)部低壓模塊的工作電源,。

    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)定性和帶負載能力,。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

    高壓啟動模塊由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)成對地支路,，當充電支路一關閉時,，支路二可作為高壓放電回路。LDMOS2的柵極由遲滯檢測模塊的輸出電平信號控制,，可處于導通或截止兩種工作狀態(tài),。電容兩端電壓V_CC作為檢測信號，同時為后續(xù)模塊提供電源,。當電路上電時,，支路一導通，電容兩端電壓V_CC上升,，遲滯檢測模塊輸出低電平,，使LDMOS2處于截止狀態(tài)；當電容兩端的電壓達到設定值時,，遲滯檢測模塊輸出高電平,，使LDMOS2處于導通狀態(tài)，關斷支路一,，充電結(jié)束,。當由于后續(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LDMOS1導通,，充電支路一也再度被激活，對RC電路進行充電,。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[4]所報道的方案中低摻雜大電阻易受高壓影響的弊端,。

    遲滯檢測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,，對輸入端的干擾信號具有很強的抑制能力^[5],。電路中的運算放大器采用兩級結(jié)構(gòu),，第一級為差分運算放大器，第二級為PMOS管為負載的共源放大器,。兩級之間采用補償網(wǎng)絡來消除次級點對低頻單位增益帶寬,、相位裕度的影響，保證運算放大器的工作穩(wěn)定性^[6-7],。

    前置基準模塊Pre-BAG選用帶隙電壓基準源電路結(jié)構(gòu),，主要由啟動電路、基準核心電路和偏置電路構(gòu)成,。啟動電路保證了在上電以后,，前置基準模塊能正常工作，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)絡構(gòu)成。由前置基準模塊為誤差放大器提供參考電壓,，輸出電壓V_out經(jīng)反饋網(wǎng)絡取樣后與參考電壓進行比較,，比較結(jié)果控制調(diào)整管的導通狀態(tài)^[9]，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓,。V_out的計算公式如式(1)：

    電路設計的V_out為5 V,，V_ref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,。負載調(diào)整率是衡量負載大小變化對穩(wěn)壓電路輸出電壓的影響程度,。該電壓需具有相應的帶負載能力，才能提供作為芯片低壓模塊的工作電源^[10],。本文設計的高壓穩(wěn)壓電路如圖3所示,。

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平臺下的 spectre仿真器對電路進行仿真驗證,。圖4所示為前置基準電路的啟動工作電壓仿真結(jié)果。從圖中可以看出,，在輸入電源電壓為1.8 V～6 V時,，前置基準電路穩(wěn)定輸出1.19 V。

    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的脈動電壓條件下，電容兩端電壓V_CC=5.73 V,，V_CC經(jīng)LDO穩(wěn)壓器可以得到V_out=4.97 V,。

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

    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/℃,。

    表1為本文設計電路的性能參數(shù)與相關文獻的對比,，在不同工藝下，文獻[3]和文獻[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V_DD的變化率為2.32%,，相較于文獻[4]有所提高，且文獻[3]和文獻[4]的負載電流分別為5 mA和1.5 mA,，而本文的負載電流為10 mA,，輸出電壓V_out的變化率仍小于3%，負載特性相對較好,。

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)動芯片的核心模塊，集成化和高壓工藝的限制一直是實現(xiàn)這一模塊的難點,。本文設計了一種改進的高壓降壓穩(wěn)壓電路,，由高壓LDMOS電流源對RC電路進行充電得到預工作電壓，通過遲滯檢測模塊控制充電過程,，引進前置基準模塊降低了溫度和電源波動的影響,，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。仿真驗證得到,，在0～311 V的周期脈動高電壓輸入條件下,，電路能穩(wěn)定輸出4.97 V,；負載電流在0～10 mA范圍內(nèi)變化時，輸出電壓變化率為2.32%,，負載調(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、帶負載能力較強等優(yōu)點,，有利于實現(xiàn)LED分段恒流驅(qū)動電路的單片集成,。

參考文獻

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

[2] 董雙兵,，戴宇杰，張小兵,，等.一種預穩(wěn)壓的高壓線性穩(wěn)壓器的設計[J].南開大學學報,，2010，43(6)：82-86.

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

[4] 陳志軍,，鐘昌賢，張波.一種用于離線式開關電源的內(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[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.模擬集成電路設計與仿真[M].北京：科學出版社,，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)壓器的設計[D].蘇州：蘇州大學,，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 電子科學系,，貴州 貴陽550025,；2.貴州省微納電子技術(shù)重點實驗室，貴州 貴陽550025,；

3.貴州振華風光半導體有限公司,，貴州 貴陽550018）