高亮度白光LED驱动控制器设计

第44卷第1期2010年1月

浙 江 大 学 学 报(工学版)

Journal of Zhejiang U niver sity (Eng ineering Science)

Vol.44No.1Jan.2010

收稿日期:2008 04 02.

浙江大学学报(工学版)网址:w w w.journals.z /eng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(90702002).

作者简介:杨旸(1983-),男,浙江杭州人,博士生,主要从事模拟集成电路设计.E mail:yangyang@vlsi.z

通信联系人:赵梦恋,女,讲师,博士后.E mail:zh aoml@

DOI:10.3785/j.issn.1008 973X.2010.01.020

高亮度白光LED 驱动控制器设计

杨 旸,赵梦恋,陆佳颖,李 帆,吴晓波

(浙江大学超大规模集成电路研究所,浙江杭州310027)

摘 要:针对多种应用条件下高亮度白光L ED 的驱动要求,提出一种对于不同应用电路拓扑具有广泛适应性的LED 驱动控制器芯片.设计采用峰值电流模式控制策略以适应L ED 的控制特性.针对不同应用拓扑对宽供电电压适应性的要求,引入高精度线性调压器为系统提供稳定的基准电压与工作电压;针对常用的Buck 、Bo ost 和Buck Boo st 3种拓扑分别提供灵活的接入端口;为支持不同拓扑下的电流检测,构造一个兼具高端与低端电流检测功能的运算放大器;应用分段线性补偿解决斜率补偿中补偿不足或过补偿的问题.芯片实现了3000 1的高调光比,并给出了整个控制器芯片和模块的电路设计.该芯片在1 5 m BCD(bipolar CM OS DM O S)工艺下设计与流片,样片测试的结果与设计目标基本一致,取得了预期的效果.

关键词:L ED 驱动控制器;峰值电流模式控制;P WM 调光;BCD 工艺

中图分类号:T N 433 文献标志码:A 文章编号:1008 973X(2010)01 0111 07

Controller IC design for high brightness white LED driver

YA NG Y ang,ZHAO M eng lian,LU Jia ying,LI Fan,WU Xiao bo

(I nstitute of V LS I D es ign ,Zhej iang Univ er sity ,H angz hou 310027,China )

Abstract:A LED driver and controller chip w as pro posed to drive the hig h brightness w hite light em itting diode (H BWLED)in different applicatio ns.The peak curr ent mode contro l was adopted to adapt for the character istics of LED.In addition,a pr ecise linear regulato r w as intr oduced into the circuitr y to offer sta ble refer ence and operation vo ltag es for the sy stem,thus g uaranteeing the hig h adaptability for the supply voltage r equired by different application circuit topolog ies;flex ible inter faces for Buck,Boo st and Buck Boo st topolo gies w ere provided;an amplifier po ssesses both high side and lo w side current sensing func tions w as desig ned to support these applicatio ns;and a piecew ise linear co mpensation w as applied to pre v ent the under and over co mpensatio n in constant slope compensation.PWM dimm ing w ith high dim ming ratio of 3000 1w as r ealized.The co ntro ller IC w as desig ned and fabricated in 1 5 m BCD (bipolar CM OS DM OS)process.T est results of sam ples w er e co nsistent w ith the ex pectations w ell.Key words:LED driver controller;peak current mo de contro l;PWM dim ming;BCD technolo gy 在能源紧缺的现实情况下,发光二极管(light em itting diode,LED)作为一种高效率光源受到高度关注,并在众多应用领域获得普遍应用,如各类消费电子产品 手机、PDA 、液晶电视的背光光源等.近年来发展起来的高亮度白光LED (high

brightness w hite LED,H BWLED)更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前

景.作为光源,LED 的优势主要体现在节能、环保和长寿耐用3个方面.LED 的能耗理论上仅为白炽灯的10%,荧光灯的50%;由于LED 是利用固体发

光,耐震、耐冲击,不易破碎,预期寿命可达10万小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍;在环保方面,由于不使用汞等易污染物,废弃物可回收,没有污染.因此,推广LED的应用对能源十分紧张的中国来说具有十分重要的意义.

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适应的电源或驱动电路.由于LED应用广泛,在不同场合下对于供电电压和电流驱动能力的要求有很大区别.对于H BW LED而言,在高照度工作条件下导通电压高达3~5V,工作电流可达0 15~ 3.00 A.在大功率工作条件下,传统驱动方式如电阻限流、线性调节、电荷泵等的效率已经达到极限,而PWM开关型直流变换器因仍有可能保持较高的电源效率而受到青睐.然而视应用场合的不同,PWM 开关型变换电路往往需要采用不同的电路拓扑,常用的LED驱动有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck Boost)3种[1],而现有的驱动控制器芯片通常只能适用于其中一种,因此研制一种具有普适性的控制器芯片将具有很好的应用前景.

LED是典型的电流型器件[2],对工作电流的大小和稳定性要求甚高,电流波动会影响LED的发光效率和色彩,而电流超过额定值将损害LED的寿命与可靠性.因此,在LED驱动中电流模式控制具有明显的优点.技术发展至今,电流控制已经发展出多种模式.相对于环路设计较为复杂的平均电流控制模式和电磁干扰问题较多的迟滞电流控制模式,峰值电流控制模式环路设计较为简单,且可以有效地限制电流.

针对上述H BWLED应用的需要,本文提出一种控制器芯片的设计,其特点是可用于上述3种驱动电路拓扑.在设计中择优采用峰值电流控制模式,并在片内集成斜坡补偿电路[3],使之具有很宽的电压工作范围.控制器芯片采用1 5 m BCD工艺进行仿真设计和流片试制,并对所获样片进行测试,验证所提出的设计方案.

1 系统与电路设计

LED驱动控制器芯片的系统框图如图1所示,主要电路模块包括线性调压器、运算放大器、振荡器、基准电源、欠压锁定比较器、保护/逻辑模块、软起动电路和功率管驱动模块等.

1.1 电压稳定性设计

如前所述,为提高发光亮度,H BWLED常常在

较高电压下工作,例如汽车电子或工业应用等场合.

图1 高亮度白光LED驱动控制器模块框图Fig.1 Block diag ram of H BW L ED dr iver co nt roller

为使驱动芯片对于多种拓扑、不同场合的应用具有良好的适应性,必须令其在宽供电电压范围内保持高的电压稳定性.因此,在芯片中设置一个能够为系统各模块提供稳定工作电压的线性调压器十分重要.线性调压器的功能是将在一定范围内变化的输入电压转化为恒定的电压.图2所示为线性调压器的基本结构框图.可以看出,该调节器的一个特点是设置了钳位电路(clamp circuit).这是由于调节器应用的跨导运算放大器G m在输出摆幅极限情况下瞬态电流很大,将使调整管的栅源电压接近输入电压,而栅源耐压通常较低,将有可能导致器件失效,影响电路的正常工作.钳位电路的作用就是将后级调整管的栅源电压限定在可以承受的范围之内,提高整个电路的耐压等级.

图2 线性调压器基本结构

F ig.2 Basic structure of linear r egulato r

作为具有深度负反馈的系统,系统的稳定性设计至关重要.整个调压器电路的开环传递函数表示为

T(s)=

A0

1+s/p11+s/p2

R1

R1+R2

g m,pass

R2+1

s C2

+R11

s C1

R L R ds,pass.(1)式中:A0为运算放大器的低频增益,p1为跨导放大器的输出极点,p2为缓冲级的输出极点,g m,pass为调

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