一種電流自適應(yīng)低功耗LED驅(qū)動電路的設(shè)計

肖元元，朱高峰,

（1.湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083）

一種電流自適應(yīng)低功耗LED驅(qū)動電路的設(shè)計

肖元元1，朱高峰1,2

（1.湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083）

常用LED驅(qū)動芯片在過溫時采取立即斷電或者電流快速置零等措施來保護(hù)芯片，但這些措施不宜用于大功率連續(xù)照明領(lǐng)域；另外，芯片中的過壓保護(hù)電路增加了設(shè)計成本。本文基于CSMC 0.25μm數(shù)模混合信號工藝，設(shè)計一款電流能隨溫度升高自動調(diào)節(jié)，同時具備低功耗恒流、過壓保護(hù)功能的LED驅(qū)動電路。

LED驅(qū)動電路；電流自動可調(diào)；過溫保護(hù)；低功耗

目前，市場上普遍存在中小功率型LED驅(qū)動芯片，而大功率LED驅(qū)動芯片卻很少，制約大功率LED芯片市場普及的一個主要原因是LED驅(qū)動芯片的散熱問題[1-2]。設(shè)計一款具有電流恒定、功耗低、過溫不斷電、高壽命等性能的大功率LED驅(qū)動芯片對大功率LED燈快速普及照明市場、環(huán)保節(jié)能具有實(shí)質(zhì)性的意義。

1 LED驅(qū)動芯片電路設(shè)計

圖1為本文所設(shè)計的低功耗LED驅(qū)動芯片整體框，框圖中的主要電路有：帶隙基準(zhǔn)電壓源、帶隙基準(zhǔn)電流源、超溫保護(hù)電路、過溫電流自動調(diào)節(jié)電路、低功耗恒流電路、PWM控制電路。本文將重點(diǎn)研究過溫電流自動調(diào)節(jié)電路和低功耗恒流電路的作用和仿真測試結(jié)果。

圖1 LED驅(qū)動電路整體框圖

圖2 過溫電流自適應(yīng)電路圖

1.1 過溫電流自適應(yīng)電路

圖2虛線框內(nèi)為過溫電自適應(yīng)電路，其中V1，V2是由基準(zhǔn)電壓源提供的、電壓分別為1.0V和0.7V的基準(zhǔn)電壓，P1～P4溝道為P型溝道開關(guān)管，N1～N3為N型開關(guān)管，A1為比較器、A2為運(yùn)算放大器，Q1、Q2 Q3為PNP三極管，R0，R1為電阻。該電路的工作原理為：

（1）在芯片溫度沒有達(dá)到過溫度保護(hù)點(diǎn)時，V2＜V3，即比較器 A1的正相端電壓小于反相端電壓，經(jīng)比較器A1后輸出后為低電平信號，該信號促使P1開關(guān)管導(dǎo)通，N1開關(guān)管截止；此時，基準(zhǔn)電壓V4通過P1開關(guān)管直接連接到基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路中的運(yùn)算放大器A2(圖2虛框外A2)的同相輸入端；根據(jù)運(yùn)算放大器虛短的定義，電阻R0上的電壓為V4，又因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓V4是恒定的，由基準(zhǔn)電流表達(dá)式Iset=VD1/R0可知，對于某一個確定的R0，Iset也保持恒定。

（2）隨著芯片溫度逐漸上升時，三極管Q1的發(fā)射極與基極電壓Veb隨之下降，當(dāng)溫度上升到過溫保護(hù)點(diǎn)時，Veb恰好下降到 Veb＜V2，即V2＞V3，此時，比較器輸出為高電平信號，該信號使 P1開關(guān)管截止，N1、N2導(dǎo)通，基準(zhǔn)電壓V4通過N1、N2開關(guān)管接到基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路中的運(yùn)算放大器A2的同相端的輸入端；然而，直接接入虛框外A2的同相端的電壓是Q2與Q3組成的串聯(lián)電壓（Veb2+Veb3），據(jù)此時的基準(zhǔn)電流表達(dá)式Iset=（Veb2+Veb3）/R0可知，Iset也隨著溫度的上升自動下降，該電路實(shí)現(xiàn)了過溫電流能自動可調(diào)，避免了常用芯片采取斷電或者電流快速降為零對照明領(lǐng)域的影響。圖3為基準(zhǔn)電流隨溫度的變化自適應(yīng)可調(diào)。可以看出，當(dāng)溫度上升未達(dá)到過溫保護(hù)點(diǎn) 123℃時，基準(zhǔn)電流最大值為20mA，最小值為19.8mA，極差為0.2mA，基準(zhǔn)電流精度為：19.8mA/20mA=99%，該精度符合LED恒流精度要求（精度需大于95%）。當(dāng)溫度超過過溫保護(hù)點(diǎn) 123℃時，電流能自適應(yīng)溫度的上升而自動下降，實(shí)現(xiàn)了電流自適應(yīng)可調(diào)的效果。

1.2 低功耗恒流電路

LED驅(qū)動芯片中的電流鏡基本都工作在飽和區(qū)，而處在飽和區(qū)的CMOS管漏源電壓VDS通常較高，由功率表達(dá)式P=VDS*ID可知，當(dāng)電流確定時，CMOS的功耗與VDS成正由于處在飽和區(qū)的CMOS漏源電壓U較大，因此功耗也就較大，這樣對芯片性能和能量的節(jié)約都是不利的，為了克服這種缺陷，下面設(shè)計一種電流鏡能在線性區(qū)實(shí)現(xiàn)恒流的低功耗電路。

圖3 仿真結(jié)果

圖4 低功耗恒流電路

圖4為低功耗恒流電路；其中Iset是由基準(zhǔn)電流電路提供的基準(zhǔn)電流；N5和N6構(gòu)成共柵共源電流鏡，其寬長比之比為1:100；A3為運(yùn)算放大器，其同相端接N6的漏極，反相端接N5的漏極。對該電路工作過程進(jìn)行分析：

（1）電路正常工作過程為：由于運(yùn)算放大器放A3的高增益鉗位作用，始終保持同相端和反相端電壓相等，即V+= V_，也就是N5和N6漏極電壓相等，在這種情況下，N5和N6共柵、共源、共漏，嚴(yán)格構(gòu)成了電流鏡，由公式2.1可以得知，ILED電流只與N5和N6的寬長比之比有關(guān)，且N5和N6可工作在線性區(qū)。在本文設(shè)計中基準(zhǔn)電流 Iset最高值為 20mA,即流過 N5的電流為20mA，所以流過N6的電流為2A；圖5為N6漏極電流掃描結(jié)果，從下圖5中可以看出，N6的漏極電流即ILED與圖3中的基準(zhǔn)電流嚴(yán)格滿足1:100的關(guān)系，在過溫度保護(hù)點(diǎn) 124℃前，電路的輸出電流（即流過LED的電流）最小值為1.98A，最大值為 2A，差值僅為 20mA，電流精度為：1.98A/2A=99%，該電流精度符合LED恒流驅(qū)動所需精度要求（精度需大于 95%），在過溫保護(hù)點(diǎn)124℃之后，ILED隨著溫度上升自動降低，實(shí)現(xiàn)了電流自動可調(diào)。

（2）若某一原因?qū)е翹6漏極電壓增大（N6漏極電壓是由外部提供的，軟件仿真時用符號V表示），即運(yùn)算放大器A3同相端輸入電壓增大，通過運(yùn)算放大器A3的作用，則N4柵極電壓也隨之增加，而Iset是一個基準(zhǔn)電流源，保持恒定，故N4的漏極電壓減小，進(jìn)一步致使N5的漏級電壓增加，柵級電壓減小，即運(yùn)算放大器的反相端電壓增加，最終促使運(yùn)算放大器A3的同相端和反相端電壓相等，始終維持 N5 和 N6的電流成1:100的比例輸出。若某一原因?qū)е翹6漏極電壓減小時，反之亦然。

（3）若某一原因?qū)е翹6漏極電壓增大，升高后的電壓使運(yùn)算放大器A3進(jìn)入到飽和區(qū)時，盡管運(yùn)算放大器A3不再起作用，但N6和N5已經(jīng)進(jìn)入飽和區(qū)，又N6 和N5共源共柵極，滿足飽和區(qū)的電流鏡關(guān)系，由式（2.2）可知，電路輸出電流ILED仍然只與N6 和N5的寬長比之比有關(guān),輸出電流還是會保持恒定不變。

根據(jù)CMOS管的特性；當(dāng)VDS＜VGS-VTH時，CMOS管處在線性區(qū)，流過漏極的電流ID為：

當(dāng)VDS＞VGS-VTH時，CMOS管處在飽和區(qū)，流過漏極的電流ID為：

其中，μn為N型CMOS管的載流子遷移率，COX為單位面積的柵氧化層電容，W/L為寬長比，VTH為CMOS管的閾值電壓，ID為通過漏極的電流，VGS為柵源電壓，VDS為漏源電壓。

2 Spectre原理圖、仿真測試結(jié)果

本文基于 CSMC 0.25μm 數(shù)模混合信號CMOS工藝，對電路進(jìn)行了Spectre仿真測試，Spectre原理圖如圖6所示。以下是對該電路的仿真測試分析（電路的額定電壓為5V）：

（1）設(shè)定采樣電阻R0=50Ω，電路的溫度在0～200℃范圍內(nèi)變化；對輸出電流進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出：1）曲線abcdf是該電路溫度在0～200℃范圍逐漸上升仿真結(jié)果。當(dāng)溫度在0～123℃范圍內(nèi)變化時（ab段），輸出電流基本上保持2.0A恒定不變；當(dāng)溫度在123～140℃變化時（bc段，該段為過溫電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)區(qū)域），驅(qū)動電流隨著溫度的上升而自適應(yīng)降低，盡管LED燈亮度有所下降，但不會斷電，該方法既能限制溫度的上升，更適合普通照明領(lǐng)域；某種特殊情況，當(dāng)電流自動調(diào)節(jié)電路不能成功阻止芯片溫度上升，促使系統(tǒng)溫度達(dá)到140℃時（cdf段，設(shè)系統(tǒng)能承受的最高溫度為140℃），芯片中的超溫保護(hù)電路啟動，該電路輸出信號由高電平信號轉(zhuǎn)向低電平信號，開關(guān)MOS管截止，電路的輸出驅(qū)動電流迅速降為零，最大程度地實(shí)現(xiàn)了對整個芯片的保護(hù)。

（2）曲線fdeba表示溫度由200～0℃范圍內(nèi)逐漸下降過程。當(dāng)溫度在200～127℃內(nèi)變化時，電路仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，無電流輸出；當(dāng)溫度降低到128℃時，超溫保電路輸出電平信號由低電平信號轉(zhuǎn)向高電平信號，促使電源MOS開關(guān)管導(dǎo)通，電路又重新恢復(fù)工作。電路的重新恢復(fù)工作是在溫度降到127℃而不是140℃才發(fā)生電信號的轉(zhuǎn)換，成功地避免了電路在超溫保護(hù)點(diǎn)附近因熱振蕩對電路反復(fù)開啟的影響。

圖5 N6漏極電流掃描結(jié)果

圖6 LED驅(qū)動電路的Spectre原理圖

圖7 LED輸出電流仿真結(jié)果

圖8 LED輸出電流恒流范圍

（2）當(dāng)采樣電阻R0取不同值時，電路輸出電流也會做出相應(yīng)的改變，圖8為在不同采樣電阻值下，電路的輸出電流結(jié)果，從圖可知，芯片的輸出電流能在0～2A范圍內(nèi)任意變化，且對于某一特定的采樣電阻R0，輸出電流保持恒定不變。

（3）對電路總功耗的仿真：從圖9可以看出，在電路正常工作范圍內(nèi)（圖中120℃以前），電路總功耗僅為0.114W,當(dāng)電路溫度超過120℃時，電路總功耗隨著溫度的上升自動降低，當(dāng)溫度達(dá)到超溫保護(hù)點(diǎn) 140℃時，電路關(guān)閉，功耗迅速降為零，有效地保護(hù)了電路不被燒壞。

圖9 電路整體功耗仿真結(jié)果

3 結(jié)論

該驅(qū)動電路與常用的 LED驅(qū)動芯片電路相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）通過選取不同的采樣電阻R0,該電路能夠?qū)崿F(xiàn)0～2A電流范圍內(nèi)任意值恒定值輸出；當(dāng)芯片溫度達(dá)到過溫保護(hù)點(diǎn) 120℃時，該電路能實(shí)現(xiàn)輸出電流隨溫度上升只適應(yīng)調(diào)節(jié)，避免了直接斷電或電流迅速變?yōu)榱闼鶐淼谋锥耍译娏髯赃m應(yīng)調(diào)節(jié)能夠阻止了溫度的上升，實(shí)現(xiàn)溫度自我調(diào)節(jié)，不僅保護(hù)了芯片，節(jié)省了能量，更適合普通大面積照明等領(lǐng)域。

（2）低功耗恒流電路可在低電壓下實(shí)現(xiàn)恒流輸出，在最大輸出電流ILED為2A時，芯片的總功耗低至0.114W，自身功耗低，更適合照明領(lǐng)域。

（3）電路降低了對采樣電阻R0的精度要求，文中的采樣電阻都在50歐姆以上，有效的消除了常用電路中電阻值在1歐姆以下所帶來的弊端。

[1]黃磊,陳洪林.LED 照明散熱研究進(jìn)展[J].廣州化工,2012,40(8):26-30.

[2]王志斌,張躍賓,王忠東等.基于熱阻網(wǎng)絡(luò)的大功率LED熱管散熱研究[J].應(yīng)用光學(xué),2012,33(6).

Design of LED Driver Circuit with Adaptive Current and Low-power

XIAO Yuan-yuan1,ZHU Gao-feng1,2
(1.Hunan University of Humanities,Hunan loudi 417000;2.Central South University,Hunan Changsha 410083)

Common LED driver chips take some measures to protect chips，such as immediately power off or the current directly reduced to zero when the chip is over-temperature,but these measures are not suitable for the field which need high-power continuous illumination; In addition,over-voltage protection circuit has increased design costs.Based on CSMC 0.25um digital and analog mixed-signal technology,this paper design an LED driver circuit,which has the advantages of over-temperature current automatically adjustable,low-power constant-current and over-voltage protection.

LED circuit; Current automatic adjustable; Over-temperature protection

TN432

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（13C436）;湖南人文科技學(xué)院科學(xué)研究資助項(xiàng)目（2013QN06）：2014婁底市年科技計劃項(xiàng)目。

（責(zé)任編輯：廖建勇）

肖元元（1986-），女，湖南長沙人，研究方向：電磁波吸收材料和納米材料。