【技術(shù)視點】如何設(shè)計高效率的LED恒流驅(qū)動電路

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)動電路。在遲滯電流控制模式下，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、不需要補償電路等優(yōu)點。通過外部引腳，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)動電路基于CSMC的1μm40VCDMOS工藝，采用HSPICE進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明在8～30V輸入電壓范圍內(nèi)，電路輸出電流最大可達(dá)1.2A，輸出電流精度可控制在5.5%以內(nèi)，電源效率可高達(dá)97%。

　　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，同時功率型LED驅(qū)動芯片也顯得越來越重要。由于LED的亮度輸出與通過LED的電流成正比，為了保證各個LED亮度、色度的一致性，有必要設(shè)計一款恒流驅(qū)動器，使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發(fā)光特性，本文設(shè)計了一種寬電壓輸入、大電流、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式，可以用于驅(qū)動一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，通過對高端電流的采樣來設(shè)置LED平均電流，芯片輸出電流精度控制在5.5%，同時芯片可通過DIM引腳實現(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。

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

　　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，因為LED驅(qū)動電流的變化就反應(yīng)在RS兩端的壓差變化上，所以在電路正常工作時，通過采樣電阻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，再經(jīng)柵驅(qū)動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)計時會內(nèi)設(shè)兩個電流閾值IMAX和IMIN。當(dāng)電源VIN上電時，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LED的電流開始上升。電流通過電感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，CS_COMP遲滯比較器的輸出為低，此時功率開關(guān)管M1關(guān)閉，由于電感電流的連續(xù)性，此時電流以另一個下降斜率流過電感（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預(yù)定值IMIN時，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，控制電路關(guān)斷功率管，重復(fù)上一個周期的動作，這樣就完成了對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，不需要補償電路，另外峰值電流檢測模式動態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)一般需要幾個周期的時間，而滯環(huán)電流控制至多一個周期就可以穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，所以滯環(huán)電流控制的動態(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，但是在大功率LED照明驅(qū)動應(yīng)用中，一定的紋波變化和開關(guān)頻率變化不會對LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響。

　　電路子模塊設(shè)計

　　1、帶隙基準(zhǔn)（Bandgap）

　　圖2為采用共源共柵電流鏡，可以改善電源抑制和初始精度的CMOS自偏置基準(zhǔn)電路。其中，R1和PH4組成啟動電路，當(dāng)電源上電時，若電路出現(xiàn)零電流狀態(tài)，此時VA為低，MOS管PH4開啟，并向基準(zhǔn)核心電路中注入電流，使得基準(zhǔn)電路擺脫零簡并偏置點，當(dāng)電路正常工作時，通過合理的設(shè)置P7和P8的寬長比，使它們都處于深線性區(qū)，由于R2和R3阻值很大，此時VA的大小接近輸入電壓，MOS管PH4關(guān)斷，啟動結(jié)束。此外，由于VA的電壓接近電源電壓，通過電阻R2和R3的分壓后，電壓VB就能表征電源電壓，從而在電源電壓低于設(shè)定值時，輸出欠壓信號，關(guān)斷功率管，起到欠壓保護(hù)的功能。

圖2帶隙基準(zhǔn)電壓源電路圖

　　由于基準(zhǔn)電路的輸入電壓最高可達(dá)到30V，而普通MOS管漏源