本文設(shè)計(jì)了一款降壓型LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片的滯環(huán)控制電路。該芯片采用高邊電流檢測(cè)方案，運(yùn)用滯環(huán)電流控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行滯環(huán)控制，從而獲得恒定的平均驅(qū)動(dòng)電流。設(shè)計(jì)采用簡單的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的電路分析，能實(shí)現(xiàn)精確的電流控制，且自身具有穩(wěn)定性。芯片采用0.5μm5V/18V/40VCDMOS工藝研制，電源電壓范圍為4.5V~28V，工作溫度-40℃~125℃，可為LED提供恒定的350mA驅(qū)動(dòng)電流，通過調(diào)節(jié)外部檢測(cè)電阻，可調(diào)節(jié)恒定LED驅(qū)動(dòng)電流。外部提供DIM信號(hào)，通過DIM的占空比來調(diào)節(jié)LED的亮度。Hspice仿真結(jié)果顯示：LED驅(qū)動(dòng)電流為滯環(huán)變化的三角波，恒流精度小于6.2%。

　　1 引言

　　目前，LED的驅(qū)動(dòng)方式有恒壓和恒流驅(qū)動(dòng)兩種，其中，恒流驅(qū)動(dòng)是常用方式。恒流驅(qū)動(dòng)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LED亮度。在LED恒流驅(qū)動(dòng)控制模式中，滯環(huán)電流控制模式具有諸多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、自穩(wěn)定、不易因噪聲而發(fā)生不穩(wěn)定振蕩等，使用日益廣泛。MAXIM公司的MAXIM16819就是LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

　　文中實(shí)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(hào)控制功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的恒流控制。

　　2 電路設(shè)計(jì)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，LED驅(qū)動(dòng)電流的變化反應(yīng)在檢測(cè)電阻RSENSE兩端的壓差變化上。本設(shè)計(jì)中，檢測(cè)電阻設(shè)為0.5Ω，較小的檢測(cè)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(gè)電壓閾值，檢測(cè)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(hào)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LED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(hào)的頻率會(huì)超過100Hz，以確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)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(hào)為高電平期間，當(dāng)Vcs大于上電壓閾值時(shí)，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LED提供電流，電感電流逐漸減小，使得檢測(cè)電壓Vcs隨之減小；當(dāng)Vcs小于下閾值電壓時(shí)，控制電路輸出高電平，導(dǎo)通功率開關(guān)管，此時(shí)D截止，形成從電源經(jīng)RSENSE、LED、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(cè)電壓Vcs隨之升高。Vcs大于上電壓閾值時(shí)，控制電路關(guān)斷開關(guān)管，重復(fù)上個(gè)周期的動(dòng)作，這樣就完成了對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流的滯環(huán)電流控制，使得流過LED的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)電位受運(yùn)算放大器控制，將等于參考電壓1.2V，假設(shè)輸出Vout為高電平，則M2導(dǎo)通，流過M1的電流為IM1=Vref/R2，B點(diǎn)的電壓為VBL=Vin-IM1R1;當(dāng)Vout為低電平，M2截止，流過M1的電流變?yōu)镮′M1=Vref/（R2+R3），B點(diǎn)電壓升高為VBH=Vin-I′M1R1，所以B點(diǎn)電壓的變化為ΔVB=VBH-VBL=VrefR1R3/R2（R2+R3），這意味著Vout由高電平變成低電平時(shí)在B點(diǎn)產(chǎn)生的一個(gè)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Vref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(yùn)放實(shí)現(xiàn)電路

　　以上分析可知運(yùn)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(diǎn)電壓精確跟隨參考電壓，從而準(zhǔn)確設(shè)定B點(diǎn)電平和滯環(huán)電壓大小。另外由于Vout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(yùn)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(jì)的運(yùn)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(yùn)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(yùn)放實(shí)現(xiàn)電路

　　圖5 運(yùn)放頻率特性仿真

　　本文設(shè)計(jì)了一款降壓型LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片的滯環(huán)控制電路。該芯片采用高邊電流檢測(cè)方案，運(yùn)用滯環(huán)電流控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行滯環(huán)控制，從而獲得恒定的平均驅(qū)動(dòng)電流。設(shè)計(jì)采用簡單的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的電路分析，能實(shí)現(xiàn)精確的電流控制，且自身具有穩(wěn)定性。芯片采用0.5μm5V/18V/40VCDMOS工藝研制，電源電壓范圍為4.5V~28V，工作溫度-40℃~125℃，可為LED提供恒定的350mA驅(qū)動(dòng)電流，通過調(diào)節(jié)外部檢測(cè)電阻，可調(diào)節(jié)恒定LED驅(qū)動(dòng)電流。外部提供DIM信號(hào)，通過DIM的占空比來調(diào)節(jié)LED的亮度。Hspice仿真結(jié)果顯示：LED驅(qū)動(dòng)電流為滯環(huán)變化的三角波，恒流精度小于6.2%。

　　1 引言

　　目前，LED的驅(qū)動(dòng)方式有恒壓和恒流驅(qū)動(dòng)兩種，其中，恒流驅(qū)動(dòng)是常用方式。恒流驅(qū)動(dòng)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LED亮度。在LED恒流驅(qū)動(dòng)控制模式中，滯環(huán)電流控制模式具有諸多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、自穩(wěn)定、不易因噪聲而發(fā)生不穩(wěn)定振蕩等，使用日益廣泛。MAXIM公司的MAXIM16819就是LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

　　文中實(shí)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(hào)控制功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的恒流控制。

　　2 電路設(shè)計(jì)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，LED驅(qū)動(dòng)電流的變化反應(yīng)在檢測(cè)電阻RSENSE兩端的壓差變化上。本設(shè)計(jì)中，檢測(cè)電阻設(shè)為0.5Ω，較小的檢測(cè)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(gè)電壓閾值，檢測(cè)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(hào)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LED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(hào)的頻率會(huì)超過100Hz，以確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)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(hào)為高電平期間，當(dāng)Vcs大于上電壓閾值時(shí)，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LED提供電流，電感電流逐漸減小，使得檢測(cè)電壓Vcs隨之減小；當(dāng)Vcs小于下閾值電壓時(shí)，控制電路輸出高電平，導(dǎo)通功率開關(guān)管，此時(shí)D截止，形成從電源經(jīng)RSENSE、LED、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(cè)電壓Vcs隨之升高。Vcs大于上電壓閾值時(shí)，控制電路關(guān)斷開關(guān)管，重復(fù)上個(gè)周期的動(dòng)作，這樣就完成了對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流的滯環(huán)電流控制，使得流過LED的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)電位受運(yùn)算放大器控制，將等于參考電壓1.2V，假設(shè)輸出Vout為高電平，則M2導(dǎo)通，流過M1的電流為IM1=Vref/R2，B點(diǎn)的電壓為VBL=Vin-IM1R1;當(dāng)Vout為低電平，M2截止，流過M1的電流變?yōu)镮′M1=Vref/（R2+R3），B點(diǎn)電壓升高為VBH=Vin-I′M1R1，所以B點(diǎn)電壓的變化為ΔVB=VBH-VBL=VrefR1R3/R2（R2+R3），這意味著Vout由高電平變成低電平時(shí)在B點(diǎn)產(chǎn)生的一個(gè)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Vref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(yùn)放實(shí)現(xiàn)電路

　　以上分析可知運(yùn)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(diǎn)電壓精確跟隨參考電壓，從而準(zhǔn)確設(shè)定B點(diǎn)電平和滯環(huán)電壓大小。另外由于Vout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(yùn)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(jì)的運(yùn)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(yùn)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(yùn)放實(shí)現(xiàn)電路

　　圖5 運(yùn)放頻率特性仿真

　　2.4 平均驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定

　　運(yùn)放將點(diǎn)A電位鉗位于帶隙電壓基準(zhǔn)上。由M7-M8、M6-M9組成的級(jí)聯(lián)電流鏡將偏置電流I1鏡像到M8-M9-R5所在支路，所以Compara2tor模塊的一個(gè)輸入端電壓Vn保持一定，另一輸入端電壓Vp將跟隨檢測(cè)電壓Vcs變化。當(dāng)比較器輸出Vout為高電平（開關(guān)管導(dǎo)通）時(shí)，B點(diǎn)電壓為VBL即下限閾值檢測(cè)電壓VCSMIN，當(dāng)Vcs下降到此閾值時(shí)，由M6~M11組成的對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)使流過R5、R6的電流相等，此時(shí)Vn=Vp.若Vcs

　　滯環(huán)電流范圍：

　　上式?jīng)Q定了驅(qū)動(dòng)電流的紋波大小。

　　3 仿真結(jié)果分析

　　文中電路采用0.5μm5V/18V/40VCDMOS工藝，用HspiceZ-2007.03進(jìn)行仿真。在脈沖寬度為200μs、周期為300μs的DIM信號(hào)和Vin=12V（典型值）的共同作用下，仿真結(jié)果如圖6所示。

　　圖6 Vin=12V時(shí)的電路仿真

　　分別在Vin=2.5V，Vin=28V的情況下，再次對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行仿真，三次仿真數(shù)據(jù)結(jié)果分別如表1所示。

　　表1 三種輸入電壓情況下的驅(qū)動(dòng)電流

　　在Vin=12V時(shí)，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行溫度特性仿真，三次仿真波形結(jié)果分別如表2所示。可以看出，芯片的溫度特性較好。

　　表2 Vin=12V情況下三種環(huán)境溫度下的驅(qū)動(dòng)電流

　　由于系統(tǒng)的固定延時(shí)τ對(duì)電流的紋波存在影響，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電流峰值是IMAX+τoffdi/dt，電流谷值是IMIN-τONdi/dt，τoff為從驅(qū)動(dòng)電流大于設(shè)定值到功率開關(guān)關(guān)閉的系統(tǒng)延時(shí)，τon為從驅(qū)動(dòng)電流小于設(shè)定值到功率開關(guān)導(dǎo)通的系統(tǒng)延時(shí)，di/dt是電感電流變化率。則電感若取較大值，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流平均值影響不大，但可以減小電流紋波，反之，這是以增加外部電感體積為代價(jià)的。

　　電路可達(dá)很高的效率，一方面檢測(cè)電阻中的功耗會(huì)導(dǎo)致電源功率耗散，但本設(shè)計(jì)中RSENSE=0.5Ω，則PRSENSE相當(dāng)小，另一方面，系統(tǒng)效率定義為LED消耗的功率與電源提供的功率之比，即η=PLED/PPOWER.其中，PPOWER=Vin3Ivin，PLED=VLED*，從仿真可知，Ivin的平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于，所以系統(tǒng)的效率可以達(dá)到非常高。

　　4 結(jié)束語

　　文中設(shè)計(jì)了一款適用于降壓型LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片的滯環(huán)控制電路。采用高邊電流檢測(cè)方案，運(yùn)用滯環(huán)電流控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行滯環(huán)控制，從而獲得恒定的平均驅(qū)動(dòng)電流，通過調(diào)節(jié)外部檢測(cè)電阻，可調(diào)節(jié)恒定LED驅(qū)動(dòng)電流。芯片采用015μm5V/18V/40V CDMOS工藝，電源電壓范圍為4.5V~28V，可為LED提供約恒定的350mA驅(qū)動(dòng)電流，溫度特性-40℃~125℃，可達(dá)到相當(dāng)高的效率。當(dāng)Vin從4.5V變化到28V時(shí)，平均驅(qū)動(dòng)電流變化22mA，最大恒流精度為6.2%。