基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究_图文(精)
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第４２卷第１２期２００８年１２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４２Ｎｏ．１２
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００８
基于高边电流检测的大功率ＬＥＤ驱动芯片研究
谢治中，丁扣宝，何杞鑫
（浙江大学，微电子与光电子研究所，浙江杭州３１００２７）
摘要：研究了采用高边电流检测方案的大功率ＬＥＤ恒流驱动芯片。基于２５
将Ｒ。接在输入电源与ＬＥＤ之间，设计一种新的ＬＥＤ恒流驱动电路．通过对流过ＬＥＤ的驱动电流进行高边电流检测．全周期地检测和控制电感电流的大小，从而获得恒定的平均电流。由于功率开关管源极接地，不存在衬偏效应，因此可以获得较大的过驱动电压．降低了开关导通电阻。
图１芯片整体框图及外围降压式ＬＥＤ恒流驱动应用电路
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１００Ｘ（２００８）１２—０００８—０２
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｔｈｅ
ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬＥＤＤｒｉｖｅｒｗｉｔｈＨｉｇｈＳｉｄｅＣｕｒｒｅｎｔＳｅｎｓｅＴｏｐｏｌｏｇｙ
ＸＩＥＺｈｉ—ｚｈｏｎｇ，ＤＩＮＧＫｏｕ—ｂａｏ，ＨＥ
Ｑｉ—ｘｉｎ
３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
ｏｎ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ
模
ｋ’＝五。＋ｒ珊粤，ｋ。’＝ｋｎ＿‰粤
Ｖ
Ｕ０
ＵＬ
（６）
运算放大器将Ａ点电位箝制于参考电压１．２
式中：厶。，‘。为设定的峰值、谷值电流；＂Ｔｏｇ为从驱动电流大于设定值到功率开关关闭的系统延时；丁。为从驱动电流小于设定值到功率开关导通的系统延时；ｄｉｆｆｄｔ为电感电流变化率。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒＬＥＤｄｒｉｖｅｒｕｓｉｎｇｈｉｇｈｓｉｄｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｅｎｓｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ
ｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｔｈｅ２５Ｖ１．５ｕｍＢＣＤ
ＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｉｓｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｄｒｉｖｉｎｇ
在相同工作电流下．ＬＥＤ的正向导通压降因受工艺离散性的影响而呈现出一定的差异…，所以恒流驱动是白光ＬＥＤ的最佳选择。在ＬＥＤ恒流驱动芯片的控制模式中，线性控制模式效率低、过载能力差．其应用受到一定限制；开关控制模式效率高、应用灵活．受到了广泛关注：目前主流的峰值电流检测ＰＷＭ模式，存在平均电流和峰值电流不一致的缺点：而最近出现的滞环电流控制模式［：＿３】中．ＬＥＤ的
ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇＣａｄｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｅＳｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃａｎ
ｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
４％ｗｈｅｎｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍ８－２３Ｖ．Ｔｈｅｅｘｐｔｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ
２．１滞环电流控制电路
滞环电流控制电路是芯片的核心，它设定了平
２电路原理及设计
图ｌ示出芯片结构及应用电路。当开关导通时，
均ＬＥＤ驱动电流值，Ｉ皿和驱动电流的滞环范围，通过比较Ｍ岱与内建参考电压％来控制功率开关管
的导遥与关闭，实现对ＬＥＤ驱动电流；呦的滞环控制，其电路如图２所示。要检测电源电压Ｕ。的大小，
续流二极管ＶＤ截止…Ｒ
ＬＥＤ，Ｌ和开关管形成从电
源到地的通路，此时电感电流五增大，检测电压Ｕ。葛
基金项目：浙江省科技厅重大科技专项重点项目资助
（２００６Ｃ１１００７）
定稿日期：２００８—０９—２６
电路必须具有可达到２４Ｖ的宽共模输入电压范围。由于为对称电流镜结构wk.baidu.comｖＰ２与ＶＰ。的源极电压相
等，故电路可检测的最高Ｕ。由ＶＰ：的漏源击穿电压
比较器
≯毪型：；Ｎ，
ｌ也耐喙到‰，弩蒂镐霹
块
…牛｝骶二嵩ｖ泸
图２滞环电流控制电路框图
接１“Ｆ滤波电容。
图３ａ示出ｉ∽的波形。它是滞环变化的三角波，在３８０～３２２ｍＡ之间变化，厶皿－３５１ｍＡ，略大于设定的３５０ｍＡ。ｉ皿变化的峰峰值为５８ｍＡ，大于设定值３５ｍＡ。这是因为系统存在相对固定的延时丁，使得实际的电流峰值和谷值分别为：
ａｃｈｉｅｖｅｄ．
ａ－
ｇｒｅｅｗｉｔｈｔｈｅｓｉｎｍｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓ
ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ：ｄｒｉｖｅｒ／ｈｉｇｈｓｉｄｅ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｓｅｎｓｅ
Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏａｅｄ
ｂｙＫｅｙ
Ｐｒｏｊｅｃｔｓ
Ｖ，１．５ｔｘｍ
ＢＣＤ工艺，运用Ｃａｄｅｎｃｅ的ＳｐｅｃｔｒｅＳ
工具对电路进行了仿真。结果表明，ＬＥＤ驱动电流为滞环变化的三角波，在８～２３Ｖ输入电压范围内，：芯片输出驱动电流变化小于４％。芯片的实测数据与仿真结果基本二致，实现了恒流驱动大功率ＬＥＤ的功能。关键词：发光二极管；驱动／高边电流检测
中图分类号：ＴＮ３１２
作者简介：谢治中（１９８３一），男，重庆人，硕士研究生，研究方
向为电源管理和功率集成电路、功率器件设计。
决定。忽略电阻压降，其上限为‰。＋ｕ蹦＋ｕ魄，采用
２５Ｖ
ＢＣＤ工艺，２４Ｖ的输入电压易于实现。ＶＮ，防
８方数据万
基于高边电流检测的大功率ＬＥＤ驱动芯片研究
止高压对下面普通ＭＯＳ管电流镜的影响。４７斗Ｈ；电源电压１２Ｖ，接２个串联的ＬＥＤ灯；Ｖ。端
ｉｎＳｃｉｅｎｃｅ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２００６Ｃ１１００７）
１
引言
降低，当Ｕ岱小于设定的阈值时，芯片电流检测电路使开关关闭。一旦开关关闭，由于ｉ：，不能突变，电感两端电压／２，。反向，ＶＤ导通，形成由ＶＤ，ＬＥＤ和￡组成的回路。此时Ｌ释放开关导通时储存的能量，ｉ，．减小，Ｍ圆升高，当Ｍ岱高于设定阈值时，电流检测电路
使开关导通，完成一个周期的动作，从而获得恒定的
平均驱动电流。电压调整器为芯片内部各模块提供工作电压：带隙基准源为电流检测和欠压保护提供参考电压：欠压保护模块用来防止芯片在低电源电压下工作；输出驱动模块驱动其后的功率开关管。
平均驱动电流值由内设的阈值ｋ和ｋ。决定，不存
在类似于峰值电流控制模式的反馈回路，具有自稳定性、动态响应迅速等优点，但同时由于将电流检测电阻Ｒ。接在开关源极与地之间，故存在衬偏效应。
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．４２Ｎｏ．１２
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００８
基于高边电流检测的大功率ＬＥＤ驱动芯片研究
谢治中，丁扣宝，何杞鑫
（浙江大学，微电子与光电子研究所，浙江杭州３１００２７）
摘要：研究了采用高边电流检测方案的大功率ＬＥＤ恒流驱动芯片。基于２５
将Ｒ。接在输入电源与ＬＥＤ之间，设计一种新的ＬＥＤ恒流驱动电路．通过对流过ＬＥＤ的驱动电流进行高边电流检测．全周期地检测和控制电感电流的大小，从而获得恒定的平均电流。由于功率开关管源极接地，不存在衬偏效应，因此可以获得较大的过驱动电压．降低了开关导通电阻。
图１芯片整体框图及外围降压式ＬＥＤ恒流驱动应用电路
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１００Ｘ（２００８）１２—０００８—０２
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｔｈｅ
ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬＥＤＤｒｉｖｅｒｗｉｔｈＨｉｇｈＳｉｄｅＣｕｒｒｅｎｔＳｅｎｓｅＴｏｐｏｌｏｇｙ
ＸＩＥＺｈｉ—ｚｈｏｎｇ，ＤＩＮＧＫｏｕ—ｂａｏ，ＨＥ
Ｑｉ—ｘｉｎ
３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
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（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ
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ｋ’＝五。＋ｒ珊粤，ｋ。’＝ｋｎ＿‰粤
Ｖ
Ｕ０
ＵＬ
（６）
运算放大器将Ａ点电位箝制于参考电压１．２
式中：厶。，‘。为设定的峰值、谷值电流；＂Ｔｏｇ为从驱动电流大于设定值到功率开关关闭的系统延时；丁。为从驱动电流小于设定值到功率开关导通的系统延时；ｄｉｆｆｄｔ为电感电流变化率。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒＬＥＤｄｒｉｖｅｒｕｓｉｎｇｈｉｇｈｓｉｄｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｅｎｓｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ
ｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｔｈｅ２５Ｖ１．５ｕｍＢＣＤ
ＬＥＤｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｉｓｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｄｒｉｖｉｎｇ
在相同工作电流下．ＬＥＤ的正向导通压降因受工艺离散性的影响而呈现出一定的差异…，所以恒流驱动是白光ＬＥＤ的最佳选择。在ＬＥＤ恒流驱动芯片的控制模式中，线性控制模式效率低、过载能力差．其应用受到一定限制；开关控制模式效率高、应用灵活．受到了广泛关注：目前主流的峰值电流检测ＰＷＭ模式，存在平均电流和峰值电流不一致的缺点：而最近出现的滞环电流控制模式［：＿３】中．ＬＥＤ的
ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇＣａｄｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｅＳｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃａｎ
ｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
４％ｗｈｅｎｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍ８－２３Ｖ．Ｔｈｅｅｘｐｔｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ
２．１滞环电流控制电路
滞环电流控制电路是芯片的核心，它设定了平
２电路原理及设计
图ｌ示出芯片结构及应用电路。当开关导通时，
均ＬＥＤ驱动电流值，Ｉ皿和驱动电流的滞环范围，通过比较Ｍ岱与内建参考电压％来控制功率开关管
的导遥与关闭，实现对ＬＥＤ驱动电流；呦的滞环控制，其电路如图２所示。要检测电源电压Ｕ。的大小，
续流二极管ＶＤ截止…Ｒ
ＬＥＤ，Ｌ和开关管形成从电
源到地的通路，此时电感电流五增大，检测电压Ｕ。葛
基金项目：浙江省科技厅重大科技专项重点项目资助
（２００６Ｃ１１００７）
定稿日期：２００８—０９—２６
电路必须具有可达到２４Ｖ的宽共模输入电压范围。由于为对称电流镜结构wk.baidu.comｖＰ２与ＶＰ。的源极电压相
等，故电路可检测的最高Ｕ。由ＶＰ：的漏源击穿电压
比较器
≯毪型：；Ｎ，
ｌ也耐喙到‰，弩蒂镐霹
块
…牛｝骶二嵩ｖ泸
图２滞环电流控制电路框图
接１“Ｆ滤波电容。
图３ａ示出ｉ∽的波形。它是滞环变化的三角波，在３８０～３２２ｍＡ之间变化，厶皿－３５１ｍＡ，略大于设定的３５０ｍＡ。ｉ皿变化的峰峰值为５８ｍＡ，大于设定值３５ｍＡ。这是因为系统存在相对固定的延时丁，使得实际的电流峰值和谷值分别为：
ａｃｈｉｅｖｅｄ．
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ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ：ｄｒｉｖｅｒ／ｈｉｇｈｓｉｄｅ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｓｅｎｓｅ
Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏａｅｄ
ｂｙＫｅｙ
Ｐｒｏｊｅｃｔｓ
Ｖ，１．５ｔｘｍ
ＢＣＤ工艺，运用Ｃａｄｅｎｃｅ的ＳｐｅｃｔｒｅＳ
工具对电路进行了仿真。结果表明，ＬＥＤ驱动电流为滞环变化的三角波，在８～２３Ｖ输入电压范围内，：芯片输出驱动电流变化小于４％。芯片的实测数据与仿真结果基本二致，实现了恒流驱动大功率ＬＥＤ的功能。关键词：发光二极管；驱动／高边电流检测
中图分类号：ＴＮ３１２
作者简介：谢治中（１９８３一），男，重庆人，硕士研究生，研究方
向为电源管理和功率集成电路、功率器件设计。
决定。忽略电阻压降，其上限为‰。＋ｕ蹦＋ｕ魄，采用
２５Ｖ
ＢＣＤ工艺，２４Ｖ的输入电压易于实现。ＶＮ，防
８方数据万
基于高边电流检测的大功率ＬＥＤ驱动芯片研究
止高压对下面普通ＭＯＳ管电流镜的影响。４７斗Ｈ；电源电压１２Ｖ，接２个串联的ＬＥＤ灯；Ｖ。端
ｉｎＳｃｉｅｎｃｅ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２００６Ｃ１１００７）
１
引言
降低，当Ｕ岱小于设定的阈值时，芯片电流检测电路使开关关闭。一旦开关关闭，由于ｉ：，不能突变，电感两端电压／２，。反向，ＶＤ导通，形成由ＶＤ，ＬＥＤ和￡组成的回路。此时Ｌ释放开关导通时储存的能量，ｉ，．减小，Ｍ圆升高，当Ｍ岱高于设定阈值时，电流检测电路
使开关导通，完成一个周期的动作，从而获得恒定的
平均驱动电流。电压调整器为芯片内部各模块提供工作电压：带隙基准源为电流检测和欠压保护提供参考电压：欠压保护模块用来防止芯片在低电源电压下工作；输出驱动模块驱动其后的功率开关管。
平均驱动电流值由内设的阈值ｋ和ｋ。决定，不存
在类似于峰值电流控制模式的反馈回路，具有自稳定性、动态响应迅速等优点，但同时由于将电流检测电阻Ｒ。接在开关源极与地之间，故存在衬偏效应。