基于LED驅(qū)動芯片BOOST環(huán)路的電流采樣電路設(shè)計

聶海 李森

摘? ?要：文章設(shè)計了一種基于一款LED驅(qū)動芯片BOOST環(huán)路的電流采樣電路，采用一種電路原理簡單且輸出損耗小的功率開關(guān)管導通電阻的方式，來實現(xiàn)電路采樣功能。設(shè)計了數(shù)字電路模塊控制采樣電路的啟動與關(guān)斷，保證電路在整個芯片工作時處于正常的工作點。利用BCD工藝，在電源電壓為3.7 V下對電路進行仿真驗證，仿真后的結(jié)果與理論值基本一致，表明該電路能很好地采樣電感電流，在LED芯片中正常的工作。

關(guān)鍵詞：BOOST環(huán)路;電流采樣;功率開關(guān)管;導通電阻采樣

1? ? BOOST環(huán)路結(jié)構(gòu)

眾所周知，白光LED具有發(fā)光效率高、使用期限長、對環(huán)境友好、體積小、重量輕、發(fā)光質(zhì)量高的優(yōu)點，在當下多種便攜電子設(shè)備中，白光LED都是作為液晶屏幕的首選背光源。本文采用BCD工藝，提出了一種應用于升壓BOOST開關(guān)電源型驅(qū)動方式點亮LED的電流采樣[1-2]。BOOST環(huán)路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電流采樣電路作為其中重要的一個模塊，對輸出效率有極為重要的影響。它采集到的電感電流信號再轉(zhuǎn)化成電壓的信號，然后會與環(huán)路反饋回來的電壓值進行逐周期比較，于是就產(chǎn)生了一個功率MOS管得占空比信號。

2? ? 電流采樣電路

目前，實現(xiàn)電流采樣功能的方式有很多，如：串聯(lián)電阻采樣、功率管導通電阻采樣、積分器采樣、SenseFET采樣等。串聯(lián)電阻采樣方法雖然比較簡單，但是會在采樣電阻上產(chǎn)生更多的損耗，LED驅(qū)動變換器的效率也會顯著變低。功率管導通電阻采樣方法在采樣時沒有額外的損耗，但是輸出的精度有點低，而且需要注意功率管的阻值的合理設(shè)計，過小則不能滿足控制占空比的要求，過大則會影響LED驅(qū)動的效率[3]。

為了實現(xiàn)LED驅(qū)動高的輸出效率，本設(shè)計結(jié)合以上幾個方式的優(yōu)缺點，采用了功率開關(guān)管導通電阻采樣的方式，本設(shè)計電流采樣電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2中PVDD和AVDD為芯片電路里的兩個供電電源（在具體實際芯片設(shè)計考慮中，一般數(shù)字電路部分和模擬電路部分會分開電源供電）。圖2左邊為電流偏置電路，保證MOS晶體管工作在正常的工作狀態(tài)下;右邊部分就是電流采樣功能的具體實現(xiàn)電路[4];下面的電路為數(shù)字電路模塊，在芯片電路中控制采樣電路的有序開啟與關(guān)閉，使得系統(tǒng)得以正常的運行工作。具體分析如下：

（1）輸入信號IBP，給MOS晶體管MP1，MP2一個柵極電壓信號，使得MOS管工作在飽和區(qū)，從而MN1和MN2構(gòu)成的電流鏡也就正常的工作了，鏡像電流IBP，通過MP4和MP5構(gòu)成的電流鏡偏置到后續(xù)的電流采樣電路中去，使得采樣電路正常工作[5-6]。其中，MP3用作電容，起到補償?shù)淖饔谩?/p>

在采樣電路中，如圖2所示的MN7，MN8，MN9為高壓MOS管，MN10為功率高壓MOS管，引腳INGND結(jié)MN10的源級，IN接MN10的漏端。當RST1_0為高電平時，MOS管MN7，MN8導通，此時RST1_1為低電平，MOS管MN9關(guān)斷。根據(jù)前面的偏置電路分析，MP6，MP7，MP5，MP8，MN3和MN4構(gòu)成的共源共柵電流鏡，從而使得流過MOS管MN3，MN4的電流I1，I2大小相等。因為MN3和MN4的柵極電壓相等，所以它們的源級電壓也被鉗位相等。即：

Vs_MN3=VS_MN4

在設(shè)計電流采樣電路時，電阻R1和R2完全相等，又有高壓MOS管MN7和MN8完全匹配，故兩個MOS管的導通電阻相等，所以兩條分支電路的總電阻相等，設(shè)RM等于RN。

由圖2可知，晶體管MP5，MP6，MP10，MP11也構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，故采樣電流ICS與流過晶體管MN5的電流相等。節(jié)點M的電壓VM=RM×（I1+ICS），N點的電壓為電阻R2，高壓MOS管MN8的導通電阻以及功率MOS管MN10的導通電阻上的電壓之和，即：

VN=R2×I2+RDS×IL。

可以得出：

3? ? 實驗結(jié)果

本設(shè)計使用了CSMC的BCD工藝，在電源電壓3.7 V的狀態(tài)下，仿真瞬態(tài)，看采樣電流采樣電路的仿真波形，如圖3所示。

在仿真電路中，使采樣電阻RA=RN，則采樣電壓為VCS=RDS×IL，功率MOS管的導通電阻為20.14 kΩ，可以從圖3中看到采集到的采樣電壓與功率MOS管上的電感電流波形流向基本吻合。當電感峰值為48.5 μA，采樣電壓VCS的峰值為856.2 mV，與理論計算基本一致，說明本設(shè)計的電流采樣電路在芯片電路中可以正常工作。

[參考文獻]

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