【導讀】LED的亮度與通過LED的電流成正比，因此，為使LED電流大小一致，需要設計一款恒流驅動器。本文設計的寬電壓輸入、大電流、高調光比LED恒流驅動芯片，具有結構簡單、動態(tài)響應快、不需要補償電路等優(yōu)點，通過DIM引腳，芯片可以方便的進行LED開關、模擬調光和寬范圍的PWM調光。
隨著LED技術的發(fā)展，大功率LED在燈光裝飾和照明等領域得到了普遍的使用，同時功率型LED驅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，有必要設計一款恒流驅動器，使LED電流的大小盡可能一致。
基于LED發(fā)光特性，本文設計了一種寬電壓輸入、大電流、高調光比LED恒流驅動芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式，可以用于驅動一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內，通過對高端電流的采樣來設置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。
本文對整體電路進行了分析，并介紹各個重要子模塊的設計，最后給出了芯片的整體仿真波形、版圖和結論。
LED驅動電路系統(tǒng)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溫保護電路，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：LED驅動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(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驅動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，通過采樣電阻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進入滯環(huán)比較器，通過與BIAS模塊產(chǎn)生的偏置電壓進行比較，產(chǎn)生PWM控制信號，再經(jīng)柵驅動電路從而控制功率開關管的導通與關斷。
下面具體分析電路的工作原理。首先芯片在設計時會內設兩個電流閾值IMAX和IMIN。當電源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，內置功率NMOS開關管M1導通，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和內部功率開關從VIN流到地，此時電流上升斜率由VIN、電感（L）、LED壓降決定。當LED電流增大到預設值IMAX時，CS_COMP遲滯比較器的輸出為低，此時功率開關管M1關閉，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），當電流下降到另外一個預定值IMIN時，功率開關重新打開，電源為電感L充電，LED電流又開始增大，當電流增大到IMAX時，控制電路關斷功率管，重復上一個周期的動作，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的平均驅動電流是由內設的閾值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)響應調節(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，所以滯環(huán)電流控制的動態(tài)響應更加迅速。當然滯環(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照明驅動應用中，一定的紋波變化和開關頻率變化不會對LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響。
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LED驅動電路子模塊設計
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組成啟動電路，當電源上電時，若電路出現(xiàn)零電流狀態(tài)，此時VA為低，MOS管PH4開啟，并向基準核心電路中注入電流，使得基準電路擺脫零簡并偏置點，當電路正常工作時，通過合理的設置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關斷，啟動結束。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定值時，輸出欠壓信號，關斷功率管，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管漏源和柵耐壓為5V。而且為了使電流鏡像更加匹配，P1、P2、P5、P7必須使用普通的MOS管。所以，為了防止管子在高壓時被擊穿，需在這些管子的漏源之間加入柵漏短接的厚柵氧MOS管作為保護管，即PH1、PH2、PH3。
遲滯比較器（CS_COMP）
圖3為遲滯比較器等效電路圖，其中VTH_H和VTH_L為BIAS模塊提供的偏置基準電壓，而CS為電流采樣模塊提供的采樣電壓。電流采樣和遲滯比較器模塊是組成該芯片的核心模塊，通過這兩個模塊就可以很好的實現(xiàn)滯環(huán)電流控制。
圖3：遲滯比較器等效電路圖
電路工作時，高端電流采樣模塊采樣輸出電流，并按一定比例轉化成采樣電壓CS，當CS電壓大于VTH_H時，P_OFF為高，P_ON為低，M1關M2開啟，此時COMP1_G負端輸入VTH_L，并且此時由于P_ON為低，功率管關斷，LED電流開始減小，采樣電壓也開始減小。當CS電壓小于VTH_L時，P_OFF為低，P_ON為高，M1開啟，M2關斷，COMP_G負端輸入VTH_H，此時P_ON為高，功率管開啟，LED電流開始增大，采樣電壓也開始增大。當CS電壓大于VTH_H時，遲滯比較器模塊將重復上一個周期的動作。這樣通過遲滯比較器就能產(chǎn)生一定占空比的方波來控制功率開關管關與斷，從而有效控制外部LED的電流大小。
此外，高端電流采樣和遲滯比較器模塊需要有較高的單位增益帶寬GBW，從而提高電流采樣和遲滯比較的速度，這樣就可以減少電路延遲，提高芯片的響應速度，同時也提高了芯片輸出電流精度。
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模擬和PWM調光（DIM）
通常希望在不同的應用場合和環(huán)境下，LED的發(fā)光亮度能夠隨著應用和環(huán)境的變化隨時可調，這就需要LED驅動器具有調光的功能?，F(xiàn)在，最常用的LED調光方式有：模擬調光、PWM調光、數(shù)字調光等方式。
模擬調光是通過線性的改變LED驅動器的輸出電流來調整LED的發(fā)光亮度，它的優(yōu)點是能夠避免由PWM或數(shù)字調光所產(chǎn)生的噪聲等問題，缺點是模擬調光會改變LED的驅動電流，從而引起LED的色偏。PWM調光方式是通過反復開關LED驅動器，在PWM信號使能期間輸出電流，其它時間內關閉LED驅動，通過調節(jié)PWM信號的占空比可來實現(xiàn)調光。PWM調光的原理是利用人眼的‘視覺暫留’效應，但為了避免人眼能夠看到LED的閃爍，PWM調光的頻率應在100Hz以上。
由于不會改變LED平均電流，PWM調光也就不會改變LED的色度。
圖4：模擬調光等效電路圖
圖4給出了模擬調光等效電路圖。圖4是一個差分輸入結構。其中輸入V1為一固定電平2.5V，V2為DIM引腳的輸入經(jīng)電阻分壓后的電平。由于本電路只工作于大信號情況下，所以首先對其大信號進行分析。N1、N2管組成的電流鏡將兩通路電流強制相等，則：
壓大于V1時，由于L2點電壓為低N3、N4截止。輸出Io為零，無調光效果。當V2減小到2.5V，兩邊電流相等，輸出也為零。此時若V2從2.5V減小ΔV，由公式（3）可知電壓L1與L3之差就增大ΔV，這樣引起的電壓差在電阻上產(chǎn)生的電流經(jīng)過N3、N4鏡像后就得到輸出電流Io。該電流將進入電流采樣模塊，并影響電流采樣電壓CS的大小，從而起到改變輸出電流的作用。
圖5給出了芯片模擬調光過程仿真圖。從圖中可以看到，當DIM引腳電壓逐漸降低時，LED平均電流IL也開始按一定比例降低，在DIM引腳電壓低于0.3V時，功率管被關斷，LED電流下降到零。這就說明模擬調光模塊能很好的控制LED驅動電流大小。
圖5：模擬調光過程仿真圖
[page]圖6給出了PWM調光等效電路圖，通過在DIM引腳加入可變占空比的PWM信號就可以改變輸出電流，從而實現(xiàn)PWM調光。
圖6：PWM調光等效電路圖
圖6中，當DIM由高變低，小于VT_L時，使能變EN為高。此時VT選通為VT_H，當DIM由低變高，高于VT_H時使能轉換，并實現(xiàn)一定的電壓遲滯。如果輸入信號是PWM信號，同樣通過上述工作過程，這樣EN輸出同樣為PWM信號，控制內部功率管的開關，從而達到控制輸出電流的目的。
圖7給出了當DIM輸入典型值20kHz、占空比為50%的PWM方波時，輸出電流波形。從圖中可以看到在DIM引腳輸入一定占空比的方波時，LED的平均電流與PWM方波的占空比成正比，因此通過設定PWM方波的占空比，就可以改變LED平均電流的大小。
圖7：PWM調光波形圖
由上圖還可以看出，當輸出一個電感電流周期時，PWM方波具有最小的占空比，約為4%，此時最大調光比為25:1。顯然，采用周期越長，頻率越低的PWM方波進行數(shù)字調光所獲得的調光比就越高，但考慮到人眼的視覺暫留效應，為防止輸出LED電流頻率過低引起閃爍，應用時一般設置最低fDIM=100Hz，此時最大調光比可高達5000:1。
LED驅動芯片仿真結果
本文基于1μm40VCSMC工藝模型，使用HSPICE軟件，對整體芯片進行了仿真驗證。
表1給出了典型條件下，采樣電阻RS=0.33ohm，電感L=100μH時，在不同的電源電壓，不同LED連接數(shù)目下，LED輸出電流精度。芯片由于采樣延遲、采樣精度、驅動級延遲等因素，會導致輸出電流產(chǎn)生誤差。在不同的電源電壓和負載條件下，從表一中可以看到輸出電流精度均能很好的控制在5.5%以內。同時也可以看到，要實現(xiàn)較好的電流精度，固定負載下需要相應的電源電壓與之匹配。
表1：輸出電流精度
結束語
本文基于1μm40VCSMC高壓工藝，設計了一種寬電壓輸入、大電流、高調光比LED恒流降壓驅動芯片。在滯環(huán)電流控制模式下，芯片具有結構簡單、動態(tài)響應快、不需要補償電路等優(yōu)點。通過DIM引腳，芯片可以方便的進行LED開關、模擬調光和寬范圍的PWM調光。仿真結果表明，當輸入電壓從8V變化到30V時，芯片輸出電流最大偏差不超過5.5%。此外，在芯片驅動7個LED時，效率可高達97%。
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