《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一款應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)的過(guò)溫保護(hù)電路
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
崔晶晶,，曾以成，夏俊雅
湘潭大學(xué) 微電子科學(xué)與工程系，湖南 湘潭411105
摘要： 設(shè)計(jì)了一款電壓隨溫度自適應(yīng)變化，從而使驅(qū)動(dòng)電流隨溫度自適應(yīng)變化的過(guò)溫保護(hù)電路。應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路,，具有滯回關(guān)斷的特點(diǎn),，在恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊,，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且比較穩(wěn)定,?；?.5 μm CMOS工藝，使用Cadence Spectre對(duì)電路進(jìn)行仿真,。仿真結(jié)果表明,，基準(zhǔn)電壓精度高，溫漂低,，溫度系數(shù)為1.6×10-5/℃,；LED電路在0～65 ℃，恒定輸出350 mA,，輸出變化范圍小于0.285%,；在65～108 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，電流輸出自適應(yīng)范圍為85 mA,；在溫度達(dá)到110 ℃時(shí),，關(guān)斷信號(hào)為高電平，電路關(guān)斷輸出,，直到溫度下降到60 ℃時(shí),，電路重新開(kāi)啟。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.010
中文引用格式： 崔晶晶,，曾以成,，夏俊雅. 一款應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)的過(guò)溫保護(hù)電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，43(6)：41-44.
英文引用格式： Cui Jingjing,，Zeng Yicheng，Xia Junya. Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver[J].Application of Electronic Technique,，2017,，43(6)：41-44.
Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver
Cui Jingjing，Zeng Yicheng,，Xia Junya
Department of Microelectronics Science and Engineering,，Xiangtan University，Xiangtan 411105,，China
Abstract： An overtemperature protection circuit is designed whose driving current changes with the voltage of temperature self-adaptive changes. Circuit has the characteristic of hysteresis thermal-shutdown and adds the temperature self-adaptive in the constant-current output. Circuit is simple and stable relatively.Based on 0.5 μm standard CMOS technology,the circuit is simulated by Cadence Spectre. The result shows that the reference voltage with high precision,low temperature drift,and temperature coefficient is 1.6×10-5/℃. The LED driver circuit current outputs 350 mA in 0~65 ℃ and its changeable range is under 0.285%. The variation range of temperature self-adaptive current is 85 mA when the temperature changes from 65 ℃ to 108 ℃. The signal for hysteresis thermal-shutdown would be high level and the output circuit would turn off when the temperature rises up to 110 ℃. The circuit wouldn′t restart until the temperature down to 60 ℃.
Key words : constant current output,；temperature self adaptive；hysteresis thermal shutdown,；LED driver,；over temperature protection

0 引言

    LED是半導(dǎo)體發(fā)光二極管，作為發(fā)光源光效高,、耗電少,、壽命長(zhǎng),、環(huán)保，是新一代綠色節(jié)能光源,，因而被廣泛推廣使用[1],。LED的正常工作需要合適的驅(qū)動(dòng)電源，目前LED的缺陷往往是驅(qū)動(dòng)電源的壽命不夠長(zhǎng),，原因基本上是驅(qū)動(dòng)芯片過(guò)熱導(dǎo)致其受損,。雖然高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)電路要全面考慮各種保護(hù)措施及其有效性，但過(guò)溫保護(hù)是最基本的,。過(guò)溫保護(hù)LED驅(qū)動(dòng)電路主要有以下幾種：(1)過(guò)溫即關(guān)斷的方式[2],，電路頻繁關(guān)斷導(dǎo)通，容易發(fā)生熱振蕩,，如LED用于道路照明,，易引發(fā)事故；(2)滯回關(guān)斷過(guò)溫保護(hù)的LED驅(qū)動(dòng)電路[3-4],，這種方案設(shè)計(jì)的電路沒(méi)有溫度自適應(yīng)模塊,，容易使溫度持續(xù)升高，影響電路工作壽命,；(3)帶自適應(yīng)的過(guò)溫保護(hù)電路[5-6]，這種電路比較適合照明,，但是該電路沒(méi)有過(guò)溫滯回關(guān)斷電路,，若有不可控因素使溫度過(guò)高，則不能保護(hù)電路,；(4)文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的電路比較新穎,，能夠有效避免上述3種傳統(tǒng)電路的缺點(diǎn)，但是其自適應(yīng)調(diào)控電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,，而且PTAT電流電路的M7,、M8管兩端源極電壓在實(shí)際應(yīng)用中由于晶體管之間的不匹配，并不能保持理想的等式,。

    基于以上分析,，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)的新型溫度自適應(yīng)滯回關(guān)斷過(guò)溫保護(hù)電路，電路在恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊,，抑制溫升,，防止溫度過(guò)高，即使有不可控因素使溫度過(guò)高,，亦能保護(hù)電路,，防止電路發(fā)生熱振蕩，電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,，而且穩(wěn)定可靠,。

1 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及原理分析

1.1 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    LED驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示,。正常溫度時(shí)，電路恒流輸出,；當(dāng)溫度升高到溫度調(diào)控點(diǎn)時(shí),，自適應(yīng)調(diào)控電路發(fā)揮作用，LED驅(qū)動(dòng)電流隨著自適應(yīng)電壓的減少而減少,，從而減少功率,，熱量產(chǎn)生減緩，達(dá)到溫度負(fù)反饋的效果,；當(dāng)不可控因素使得溫度過(guò)高,，即達(dá)到預(yù)設(shè)的過(guò)溫點(diǎn)時(shí)，電路立即關(guān)斷,，保護(hù)電路,。恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊，有效抑制溫升,，采用電流鏡輸出,，提高驅(qū)動(dòng)效率。

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    過(guò)溫保護(hù)電路如圖2所示,，LED驅(qū)動(dòng)電路中Vad,、Vthermal即為過(guò)溫保護(hù)電路中的溫度自適應(yīng)調(diào)控模塊和滯回關(guān)斷模塊。

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1.2 原理

    利用自適應(yīng)電壓和R7確定溫度自適應(yīng)電流Iad,，通過(guò)調(diào)節(jié)M27,、M28的寬長(zhǎng)比，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流ILED,。根據(jù)運(yùn)放的鉗位作用,，V+和V-相等，那么自適應(yīng)電流為：

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    關(guān)斷機(jī)制模塊產(chǎn)生的Vthermal電壓接在M25的柵極,，控制LED驅(qū)動(dòng)電路的通斷,。

    在溫度小于自適應(yīng)調(diào)控溫度時(shí)，自適應(yīng)調(diào)控電壓等于基準(zhǔn)電壓,，電流恒定輸出為350 mA,；當(dāng)溫度大于自適應(yīng)調(diào)控溫度小于過(guò)溫保護(hù)溫度時(shí)，自適應(yīng)調(diào)控電壓小于基準(zhǔn)電壓,，溫度自適應(yīng)調(diào)控模塊發(fā)揮作用,，電流逐漸減小的同時(shí)抑制溫升；當(dāng)溫度達(dá)到過(guò)溫保護(hù)點(diǎn)時(shí),，M25導(dǎo)通,，M26柵壓拉低，M26關(guān)斷，LED電路不工作,，從而達(dá)到保護(hù)LED燈的作用,；當(dāng)溫度降回到溫度滯回點(diǎn)時(shí)，電路重新開(kāi)啟,。

2 過(guò)溫保護(hù)電路各模塊設(shè)計(jì)

    過(guò)溫保護(hù)電路各模塊電路圖如圖2所示,，主要包括以下幾個(gè)部分：PTAT電流源及電壓基準(zhǔn)電路、電壓隨溫度自適應(yīng)調(diào)控電路,、溫度判決及滯回關(guān)斷電路,。

2.1 電壓基準(zhǔn)電路及PTAT電流源

    圖2中，由M0～M7,、R0～R2,、Q0構(gòu)成PTAT電流源及電壓基準(zhǔn)電路模塊。MOS管M0～M5的電路結(jié)構(gòu)形成了Va→Vb→Vc→Va負(fù)反饋環(huán)路,，從而提高PSRR,，減小電源電壓變化對(duì)電流源的影響。

    由于M5和M1工作在亞閾值區(qū),，M5與M1的寬長(zhǎng)比之比為K,，根據(jù)亞閾值區(qū)MOS管源漏極電流表達(dá)式可以推導(dǎo)出：

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2.2 電壓隨溫度自適應(yīng)調(diào)控電路

    電壓隨溫度自適應(yīng)電路由圖2中鏡像基準(zhǔn)電壓、M9,、M10,、R4、R5組成,。M9與M0構(gòu)成電流鏡,，M9與M0的寬長(zhǎng)比之比為r，其M9漏極電流大小為：

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    由式(5)可知VR4為PTAT電壓,。當(dāng)VR4沒(méi)有達(dá)到M10閾值電壓時(shí)，M10不導(dǎo)通,，其電阻視為無(wú)窮大,，Vad=Vref；當(dāng)VR4達(dá)到M10閾值電壓時(shí),，M10開(kāi)始導(dǎo)通,，此時(shí)Vad=Vref-VR5，又VR4為M10的柵極電壓,，則ID10為PTAT電流,，使Vad為CTAT電壓，是隨溫度逐漸減小的電壓,，利用自適應(yīng)電路降低功率,，抑制溫升，從而保護(hù)電路,。

2.3 溫度判決及滯回關(guān)斷過(guò)溫保護(hù)電路

    溫度判決及滯回關(guān)斷模塊電路如圖2中所示,，通過(guò)PTAT電壓與基準(zhǔn)電壓Vref相比較,，輸出經(jīng)過(guò)三級(jí)反相器得到Vthermal，輸出端接在M12的柵極,。由Vthermal控制M12的工作,，當(dāng)有不可控因素使得溫度過(guò)高時(shí)，M12導(dǎo)通,，只有當(dāng)溫度降回到比過(guò)熱溫度還低的情況下電路才能重新開(kāi)始工作,，從而產(chǎn)生滯回關(guān)斷的作用，避免產(chǎn)生熱振蕩的現(xiàn)象,。利用MOS管M11,、M12實(shí)現(xiàn)溫度滯回特性，通過(guò)調(diào)節(jié)M11的寬長(zhǎng)比可以調(diào)節(jié)溫度滯回區(qū)間大小,。

    當(dāng)溫度達(dá)到過(guò)溫關(guān)斷點(diǎn)時(shí)有關(guān)系式：

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    當(dāng)溫度降到滯回點(diǎn)時(shí)有關(guān)系式：

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其中n6,、n7、n11分別為M6,、M7,、M11與M0的寬長(zhǎng)比之比。

    由式(7),、式(9)可得溫度滯回區(qū)間大小即為ΔT=TH-TL,。

3 仿真與結(jié)果分析

    電路基于CSMC 0.5 μm工藝，在標(biāo)準(zhǔn)芯片驅(qū)動(dòng)電壓VDD=5 V,，LED供電電壓VCC=10 V的情況下,，利用Cadence Spectre對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

    圖3所示為Vref基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的特性曲線,，從圖中曲線可以看出,，當(dāng)溫度從0 ℃變化到120 ℃，基準(zhǔn)電壓保持恒定輸出為1.25 V,，溫度系數(shù)為1.6×10-5/℃,，因此電路具有良好的抑制溫漂能力。

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    圖4所示為電壓隨溫度自適應(yīng)變化的曲線,。當(dāng)溫度小于64.9 ℃,，Vad的電壓等于Vref的電壓，即為1.25 V,；當(dāng)溫度大于64.9 ℃,，電壓隨溫度自適應(yīng)變化，電壓逐漸減小,，從而減少功耗,，抑制溫升。圖中可以看出，電路具有很好的電壓自適應(yīng)特性,。

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    圖5所示為Vref基準(zhǔn)電壓與VPTAT電壓的仿真特性圖,。圖中標(biāo)記為×的曲線為Vref溫度特性曲線，實(shí)線為溫度升高時(shí)VPTAT電壓隨溫度變化曲線,，虛線為溫度下降時(shí)VPTAT隨溫度的變化曲線,。

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    圖6所示為滯回關(guān)斷過(guò)溫保護(hù)電路隨溫度變化的曲線圖。從圖中可以看出,，在110 ℃時(shí)滯回輸出電路從低電平跳變?yōu)楦唠娖?；?dāng)溫度降回60 ℃時(shí)，滯回輸出從高電平跳變回低電平,。關(guān)斷溫度與開(kāi)啟溫度之間有50 ℃的遲滯溫差,，可以保證良好的溫度滯回特性。

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    圖7所示為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電流隨溫度變化的仿真曲線圖,。當(dāng)溫度在0～64.2 ℃時(shí),，電流恒定輸出。當(dāng)溫度在64.2～108 ℃區(qū)間變化時(shí),，電流的變化范圍為350～265 mA,，恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊，降低功率,，達(dá)到抑制溫升的目的,。當(dāng)溫度超過(guò)108 ℃時(shí)，電流突然下降,，幾乎為零,，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電路的目的。當(dāng)溫度重新降為60 ℃時(shí),，恢復(fù)正常工作,，實(shí)現(xiàn)很好的溫度滯回關(guān)斷特性，避免電路產(chǎn)生熱振蕩,。

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4 結(jié)束語(yǔ)

    應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路的溫度自適應(yīng)過(guò)溫保護(hù)電路利用基準(zhǔn)電壓與VPTAT電壓相比較,，產(chǎn)生滯回關(guān)斷過(guò)溫保護(hù)電路，并且設(shè)計(jì)了電壓隨溫度升高而減小的自適應(yīng)電路,，在恒流輸出中增加自適應(yīng)，有效抑制溫度上升,，有一定的溫度自適應(yīng)范圍,。整個(gè)電路穩(wěn)定可靠，靈敏度高,，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，為防止溫度過(guò)高，設(shè)置溫度滯回區(qū)間，避免發(fā)生熱振蕩,，可以避免發(fā)生不必要的事故,，由此可見(jiàn)，該電路的應(yīng)用前景廣闊,，具有較強(qiáng)的實(shí)用性,。

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作者信息：

崔晶晶,，曾以成,，夏俊雅

（湘潭大學(xué) 微電子科學(xué)與工程系，湖南 湘潭411105）

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