高效率、高调光比LED恒流驱动电路的设计方案[1]

　　引言

　　随着LED技术的发展， 大功率LED在灯光装饰和照明等领域得到了普遍的使用， 同时功率型LED驱动芯片也显得越来越重要。由于LED的亮度输出与通过LED的电流成正比， 为了保证各个LED亮度、色度的一致性， 有必要设计一款恒流驱动器， 使LED电流的大小尽可能一致。

　　基于LED发光特性， 本文设计了一种宽电压输入、大电流、高调光比LED恒流驱动芯片。该芯片采用迟滞电流控制模式， 可以用于驱动一颗或多颗串联LED。在6V~30V的宽输入电压范围内， 通过对高端电流的采样来设置LED平均电流， 芯片输出电流精度控制在5.5%， 同时芯片可通过DIM引脚实现模拟调光和PWM调光， 优化后的芯片响应速度可使芯片达到很高的调光比。

　　本文首先对整体电路进行了分析， 接着介绍各个重要子模块的设计， 最后给出了芯片的整体仿真波形、版图和结论。

　　1 电路系统原理

　　该电路包括带隙基准、电压调整器、高端电流采样、迟滞比较器、功率管M1、PWM和模拟调光等模块。此外该芯片还内置欠压和过温保护电路， 从而能在各种不利的条件下， 有效的保证系统能够稳定的工作。

　　图1 芯片整体等效架构图

　　从图1中可以看到电感L、电流采样电阻RS、续流二极管D1形成了一个自振荡的连续电感电流模式的恒流LED控制器。该芯片采用迟滞电流控制模式， 因为LED驱动电流的变化就反应在RS两端的压差变化上， 所以在电路正常工作时， 通过采样电阻RS采样LED中的电流并将其转化成一定比例的采样电压VCS， 然后VCS进入滞环比较器，通过与BIAS模块产生的偏置电压进行比较， 产生PWM控制信号， 再经栅驱动电路从而控制功率开关管的导通与关断。

　　下面具体分析电路的工作原理。首先芯片在设计时会内设两个电流阈值IMAX和IMIN。当电源VIN上电时， 电感L和电流采样电阻RS的初始电流为零， LED电流也为零。这时候， CS_COMP迟滞比较器的输出为高， 内置功率NMOS开关管M1导通， SW端的电位为低， 流过LED的电流开始上升。电流通过电感L、电流采样电阻RS、LED和内部功率开关从VIN流到地， 此时电流上升斜率由VIN、电感(L)、LED压降决定。当LED电流增大到预设值IMAX时， CS_COMP迟滞比较器的输出为低， 此时功率开关管M1关闭， 由于电感电流的连续性， 此时电流以另一个下降斜率流过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和续流肖特基二极管(D1)， 当电流下降到另外一个预定值IMIN时，功率开关重新打开， 电源为电感L充电， LED电流又开始增大， 当电流增大到IMAX时， 控制电路关断功率管， 重复上一个周期的动作， 这样就完成了对LED电流的滞环控制， 使得LED的平均电流恒定不变。

　　从以上分析可知， LED的平均驱动电流是由内设的阈值IMAX和IMIN决定， 因而不存在类似于峰值电流控制模式的反馈回路。所以与峰值电流控制模式相比， 滞环电流控制模式具有自稳定性，不需要补偿电路， 另外峰值电流检测模式动态响应调节一般需要几个周期的时间， 而滞环电流控制至多一个周期就可以稳定系统的动态响应， 所以滞环电流控制的动态响应更加迅速。当然滞环电流控制模式存在着输出纹波较大， 变频控制容易产生变频噪声等缺点， 但是在大功率LED照明驱动应用中， 一定的纹波变化和开关频率变化不会对LED的整体照明性能产生较大影响。

　　2 电路子模块设计

　　2.1 带隙基准(Bandgap)

　　图2为采用共源共栅电流镜， 可以改善电源抑制和初始精度的CMOS自偏置基准电路。其中，R1和PH4组成启动电路， 当电源上电时， 若电路出现零电流状态， 此时VA为低， MOS管PH4开启， 并向基准核心电路中注入电流， 使得基准电路摆脱零简并偏置点， 当电路正常工作时， 通过合理的设置P7和P8的宽长比， 使它们都处于深线性区， 由于R2和R3阻值很大， 此时VA的大小接近输入电压， MOS管PH4关断， 启动结束。此外，由于VA的电压接近电源电压， 通过电阻R2和R3的分压后， 电压VB就能表征电源电压， 从而在电源电压低于设定值时， 输出欠压信号， 关断功率管， 起到欠压保护的功能。

　　图2 带隙基准电压源电路图

　　由于基准电路的输入电压最高可达到30V，而普通MOS管漏源和栅耐压为5V。而且为了使电流镜像更加匹配， P1、P2、P5、P7必须使用普通的MOS管。所以， 为了防止管子在高压时被击穿， 需在这些管子的漏源之间加入栅漏短接的厚栅氧MOS管作为保护管， 即PH1、PH2、PH3。