滯流控制實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動

摘 要： 設(shè)計了一款降壓型L ED 恒流驅(qū)動芯片的滯環(huán)控制電路。 該芯片采用高邊電流檢測方案，運用滯環(huán)電流控制方法對驅(qū)動電流進(jìn)行滯環(huán)控制，從而獲得恒定的平均驅(qū)動電流。 設(shè)計采用簡單的設(shè)計理念實現(xiàn)恒流驅(qū)動，不需要復(fù)雜的電路分析，能實現(xiàn)精確的電流控制，且自身具有穩(wěn)定性。 芯片采用0. 5μm 5V/ 18V/ 40V CDMOS 工藝研制，電源電壓范圍為4.5V~28V ,工作溫度-40 ℃~125 ℃，可為L ED 提供恒定的350mA 驅(qū)動電流，通過調(diào)節(jié)外部檢測電阻，可調(diào)節(jié)恒定L ED 驅(qū)動電流。 外部提供DIM 信號，通過DIM 的占空比來調(diào)節(jié)L ED 的亮度。 Hspice 仿真結(jié)果顯示：L ED 驅(qū)動電流為滯環(huán)變化的三角波，恒流精度小于6. 2 %。

1 引言

L ED(Light Emitting Diode)作為一種節(jié)能環(huán)保的綠色照明技術(shù)，在通用照明、背光照明、閃光燈、屏幕顯示、信號指示及交通工具等方面有廣泛的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)照明光源，L ED 優(yōu)勢明顯，如高發(fā)光效率、高響應(yīng)速度、耗電量少、體積小、壽命長等。目前，L ED 的驅(qū)動方式有恒壓和恒流驅(qū)動兩種，其中，恒流驅(qū)動是常用方式。 恒流驅(qū)動消除溫度和工藝等因素引起正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化，保證恒定的L ED 亮度。 在L ED 恒流驅(qū)動控制模式中，滯環(huán)電流控制模式具有諸多優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、自穩(wěn)定、不易因噪聲而發(fā)生不穩(wěn)定振蕩[7 ]等，使用日益廣泛。 MAXIM 公司的MAXIM16819 就是L ED 恒流驅(qū)動芯片。

文中實現(xiàn)了一種簡單的滯流控制模塊，通過模塊內(nèi)部自建滯環(huán)比較電壓， 結(jié)合DIM 控制端的PWM 信號控制功率開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)對L ED 的恒流控制。

2 電路設(shè)計與原理分析

2. 1 滯環(huán)控制原理

滯流控制模塊應(yīng)用如圖1 所示，L ED 驅(qū)動電流的變化反應(yīng)在檢測電阻RSENSE兩端的壓差變化上。 本設(shè)計中，檢測電阻設(shè)為0. 5Ω ,較小的檢測電阻有利于降低功耗和保持較高的轉(zhuǎn)換效率。 滯環(huán)電流控制模塊內(nèi)部自建兩個電壓閾值，檢測電壓Vcs與閾值電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果和DIM 調(diào)光信號相與來控制功率開關(guān)管的通斷。

圖1 滯流控制模塊應(yīng)用圖示

使用PWM 調(diào)光， 在減少電流占空周期內(nèi)給L ED 提供完整電流， 例如要將亮度減半， 只需在50 %的占空周期內(nèi)提供完整的電流。 通常PWM 調(diào)光信號的頻率會超過100Hz ,以確保這個脈沖電流不會被人眼所察覺。

滯流控制模塊內(nèi)部電路如圖2 所示，當(dāng)DIM 信號為高電平期間，當(dāng)Vcs 大于上電壓閾值時，控制電路輸出低電平，關(guān)閉功率開關(guān)管。 由LED、電感L 、續(xù)流二極管D 和RSENSE組成的回路使得電感繼續(xù)為L ED 提供電流，電感電流逐漸減小，使得檢測電壓Vcs 隨之減小;當(dāng)Vcs 小于下閾值電壓時，控制電路輸出高電平，導(dǎo)通功率開關(guān)管，此時D 截止，形成從電源經(jīng)RSENSE、L ED、L 和功率開關(guān)管到地的回路，電源為電感L 充電，電感電流上升，檢測電壓Vcs隨之升高。 Vcs 大于上電壓閾值時，控制電路關(guān)斷開關(guān)管，重復(fù)上個周期的動作，這樣就完成了對L ED驅(qū)動電流的滯環(huán)電流控制，使得流過L ED 的驅(qū)動電流，也就是電感電流的平均值恒定。

圖2 　滯流控制模塊內(nèi)部模塊

2. 2 滯環(huán)比較電壓產(chǎn)生電路

4. 5V~28V 的輸入電壓經(jīng)調(diào)整轉(zhuǎn)換為5V 的恒定電壓Vcc 為后續(xù)電路供電。 如圖3 所示，A 點電位受運算放大器鉗制，將等于參考電壓1. 2V ,假設(shè)輸出V out 為高電平，則M2 導(dǎo)通，流過M1 的電流為IM1 = V ref / R2 ,B 點的電壓為V BL = V in - IM1 R1 ;當(dāng)V out為低電平，M2 截止，流過M1 的電流變?yōu)镮′M1= V ref / ( R2 + R3 ) ,B 點電壓升高為V BH = V in -I′M1 R1 ,所以B 點電壓的變化為ΔV B = V BH - V BL= V ref R1 R3/ R2 ( R2 + R3) ,這意味著V out由高電平變成低電平時在B 點產(chǎn)生的一個滯環(huán)電壓，可見該滯環(huán)電壓與輸入電壓無關(guān)，只由參考電壓V ref和電阻大小決定，通過選擇各電阻的阻值便可設(shè)定滯環(huán)電壓的大小。

圖3 滯流比較電壓產(chǎn)生電路

2. 3 運放實現(xiàn)電路

以上分析可知運算放大器起著重要作用，其必須具有較高的增益，才能使A 點電壓精確跟隨參考電壓，從而準(zhǔn)確設(shè)定B 點電平和滯環(huán)電壓大小。 另外由于V out的變化頻率與系統(tǒng)開關(guān)頻率相同(系統(tǒng)的最大開關(guān)頻率約為2MHz) ,使得流過M1 的電流也相同頻率在IM1和I′M1之間快速切換，所以運放的單位增益帶寬須大于系統(tǒng)的最大開關(guān)頻率。 設(shè)計的運放結(jié)構(gòu)如圖4 所示，采用折疊式輸入結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的共模輸入電壓范圍。

由運放的頻率特性仿真圖5 可知，增益達(dá)到84. 266dB ,相位裕度108°，單位增益帶寬約12MHz ,滿足電路要求。

圖4 運放實現(xiàn)電路