【技術(shù)視點(diǎn)】如何設計高效率的LED恒流驅動(dòng)電路

文中提出了一種寬電壓輸入、高效率、高調光比LED恒流驅動(dòng)電路。在遲滯電流控制模式下，該電路具有結構簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應快、不需要補償電路等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)外部引腳，可以方便的進(jìn)行LED開(kāi)關(guān)、模擬調光和PWM調光。LED恒流驅動(dòng)電路基于CSMC的1μm40VCDMOS工藝，采用HSPICE進(jìn)行仿真驗證，結果表明在8～30V輸入電壓范圍內，電路輸出電流最大可達1.2A，輸出電流精度可控制在5.5%以?xún)?，電源效率可高達97%。

　　引言

　　隨著(zhù)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，有必要設計一款恒流驅動(dòng)器，使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發(fā)光特性，本文設計了一種寬電壓輸入、大電流、高調光比LED恒流驅動(dòng)芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式，可以用于驅動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內，通過(guò)對高端電流的采樣來(lái)設置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)現模擬調光和PWM調光，優(yōu)化后的芯片響應速度可使芯片達到很高的調光比。

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

　　電路系統原理

　　圖1是芯片整體架構以及典型應用電路圖。

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

圖1芯片整體等效架構圖

　　從圖1中可以看到電感L、電流采樣電阻RS、續流二極管D1形成了一個(gè)自振蕩的連續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L(cháng)ED驅動(dòng)電流的變化就反應在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，再經(jīng)柵驅動(dòng)電路從而控制功率開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷。

　　下面具體分析電路的工作原理。首先芯片在設計時(shí)會(huì )內設兩個(gè)電流閾值IMAX和IMIN。當電源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，內置功率NMOS開(kāi)關(guān)管M1導通，SW端的電位為低，流過(guò)LED的電流開(kāi)始上升。電流通過(guò)電感L、電流采樣電阻RS、LED和內部功率開(kāi)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LED電流增大到預設值IMAX時(shí)，CS_COMP遲滯比較器的輸出為低，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)管M1關(guān)閉，由于電感電流的連續性，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和續流肖特基二極管（D1），當電流下降到另外一個(gè)預定值IMIN時(shí)，功率開(kāi)關(guān)重新打開(kāi)，電源為電感L充電，LED電流又開(kāi)始增大，當電流增大到IMAX時(shí)，控制電路關(guān)斷功率管，重復上一個(gè)周期的動(dòng)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?！　囊陨戏治隹芍?，LED的平均驅動(dòng)電流是由內設的閾值IMAX和IMIN決定，因而不存在類(lèi)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定性，不需要補償電路，另外峰值電流檢測模式動(dòng)態(tài)響應調節一般需要幾個(gè)周期的時(shí)間，而滯環(huán)電流控制至多一個(gè)周期就可以穩定系統的動(dòng)態(tài)響應，所以滯環(huán)電流控制的動(dòng)態(tài)響應更加迅速。當然滯環(huán)電流控制模式存在著(zhù)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照明驅動(dòng)應用中，一定的紋波變化和開(kāi)關(guān)頻率變化不會(huì )對LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響。

　　電路子模塊設計

　　1、帶隙基準（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自偏置基準電路。其中，R1和PH4組成啟動(dòng)電路，當電源上電時(shí)，若電路出現零電流狀態(tài)，此時(shí)VA為低，MOS管PH4開(kāi)啟，并向基準核心電路中注入電流，使得基準電路擺脫零簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，當電路正常工作時(shí)，通過(guò)合理的設置P7和P8的寬長(cháng)比，使它們都處于深線(xiàn)性區，由于R2和R3阻值很大，此時(shí)VA的大小接近輸入電壓，MOS管PH4關(guān)斷，啟動(dòng)結束。此外，由于VA的電壓接近電源電壓，通過(guò)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定值時(shí)，輸出欠壓信號，關(guān)斷功率管，起到欠壓保護的功能。

圖2帶隙基準電壓源電路圖

　　由于基準電路的輸入電壓最高可達到30V，而普通MOS管漏源