高效率、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

摘要： 文中提出了一種寬電壓輸入、高效率、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。在遲滯電流控制模式下， 該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不需要補(bǔ)償電路等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)外部引腳， 可以方便的進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路基于CSMC的1 μm 40 VCDMOS工藝， 采用HSPICE進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 結(jié)果表明在8～30 V輸入電壓范圍內(nèi)， 電路輸出電流最大可達(dá)1.2 A， 輸出電流精度可控制在5.5%以內(nèi)， 電源效率可高達(dá)97%。

　　0 引言

　　隨著LED技術(shù)的發(fā)展， 大功率LED在燈光裝飾和照明等領(lǐng)域得到了普遍的使用， 同時(shí)功率型LED驅(qū)動(dòng)芯片也顯得越來(lái)越重要。由于LED的亮度輸出與通過(guò)LED的電流成正比， 為了保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性， 有必要設(shè)計(jì)一款恒流驅(qū)動(dòng)器， 使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發(fā)光特性， 本文設(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入、大電流、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式， 可以用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內(nèi)， 通過(guò)對(duì)高端電流的采樣來(lái)設(shè)置LED平均電流， 芯片輸出電流精度控制在5.5%， 同時(shí)芯片可通過(guò)DIM引腳實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光和PWM調(diào)光， 優(yōu)化后的芯片響應(yīng)速度可使芯片達(dá)到很高的調(diào)光比。

　　本文首先對(duì)整體電路進(jìn)行了分析， 接著介紹各個(gè)重要子模塊的設(shè)計(jì)， 最后給出了芯片的整體仿真波形、版圖和結(jié)論。

　　1 電路系統(tǒng)原理

　　圖1是芯片整體架構(gòu)以及典型應(yīng)用電路圖。

　　該電路包括帶隙基準(zhǔn)、電壓調(diào)整器、高端電流采樣、遲滯比較器、功率管M1、PWM和模擬調(diào)光等模塊。此外該芯片還內(nèi)置欠壓和過(guò)溫保護(hù)電路， 從而能在各種不利的條件下， 有效的保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。

圖1 芯片整體等效架構(gòu)圖

　　從圖1中可以看到電感L、電流采樣電阻RS、續(xù)流二極管D1形成了一個(gè)自振蕩的連續(xù)電感電流模式的恒流LED控制器。該芯片采用遲滯電流控制模式， 因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電流的變化就反應(yīng)在RS兩端的壓差變化上， 所以在電路正常工作時(shí)， 通過(guò)采樣電阻RS采樣LED中的電流并將其轉(zhuǎn)化成一定比例的采樣電壓VCS， 然后VCS進(jìn)入滯環(huán)比較器，通過(guò)與BIAS模塊產(chǎn)生的偏置電壓進(jìn)行比較， 產(chǎn)生PWM控制信號(hào)， 再經(jīng)柵驅(qū)動(dòng)電路從而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

　　下面具體分析電路的工作原理。首先芯片在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)內(nèi)設(shè)兩個(gè)電流閾值IMAX和IMIN。當(dāng)電源VIN上電時(shí)， 電感L和電流采樣電阻RS的初始電流為零， LED電流也為零。這時(shí)候， CS_COMP遲滯比較器的輸出為高， 內(nèi)置功率NMOS開關(guān)管M1導(dǎo)通， SW端的電位為低， 流過(guò)LED的電流開始上升。電流通過(guò)電感L、電流采樣電阻RS、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從VIN流到地， 此時(shí)電流上升斜率由VIN、電感（L）、LED壓降決定。當(dāng)LED電流增大到預(yù)設(shè)值IMAX時(shí)， CS_COMP遲滯比較器的輸出為低， 此時(shí)功率開關(guān)管M1關(guān)閉， 由于電感電流的連續(xù)性， 此時(shí)電流以另一個(gè)下降斜率流過(guò)電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和續(xù)流肖特基二極管（D1）， 當(dāng)電流下降到另外一個(gè)預(yù)定值IMIN時(shí)，功率開關(guān)重新打開， 電源為電感L充電， LED電流又開始增大， 當(dāng)電流增大到IMAX時(shí)， 控制電路關(guān)斷功率管， 重復(fù)上一個(gè)周期的動(dòng)作， 這樣就完成了對(duì)LED電流的滯環(huán)控制， 使得LED的平均電流恒定不變。

　　從以上分析可知， LED的平均驅(qū)動(dòng)電流是由內(nèi)設(shè)的閾值IMAX和IMIN決定， 因而不存在類似于峰值電流控制模式的反饋回路。所以與峰值電流控制模式相比， 滯環(huán)電流控制模式具有自穩(wěn)定性，不需要補(bǔ)償電路， 另外峰值電流檢測(cè)模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)一般需要幾個(gè)周期的時(shí)間， 而滯環(huán)電流控制至多一個(gè)周期就可以穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)， 所以滯環(huán)電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加迅速。當(dāng)然滯環(huán)電流控制模式存在著輸出紋波較大， 變頻控制容易產(chǎn)生變頻噪聲等缺點(diǎn)， 但是在大功率LED照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中， 一定的紋波變化和開關(guān)頻率變化不會(huì)對(duì)LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響。