线性恒流型高亮度LED驱动芯片的研究与设计_图文

2008 年第 3 期,34~40

舰船防化
CHEMICAL DEFENCE ON SHIPS

No.3, 34~40

线性恒流型高亮度 LED 驱动芯片的研究与设计

王福虎,孟涛,韩涛
(中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北 邯郸,056027)

摘要:讨论了一种高压、350mA、低压差线性恒流型高亮度 LED 驱动芯片的研究与设计。设计先按

照芯片需完成的功能,确定系统的结构与电路划分,然后结合“自底向上”的原理图输入设计方法

对部分电路进行设计,最后根据系统设计的框架对各电路进行协调设计,并用 Cadence Spectre 仿真

器对芯片的整体功能进行了验证。验证结果表明设计的芯片达到预期的指标。

关键词: 低压差;线性恒流型 LED 驱动;高亮度发光二极管;过热保护

中图分类号:TN47

文献标识码:A

Research and Design of a Linear Current Regulative HB-LED Driver IC

Wang Fu-Hu, Meng Tao, Han Tao
(The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)
Abstract:In this paper, the research and design of a high voltage, 350 mA, Low Dropout (LDO), linear current regulative high-brightness LED (HB LED) driver is demonstrated. According to the functions that the Integrated Circuits (IC) should have, the structure and functional blocks of the system were determined, then the direct schematic design of some subcircuits had also been conducted in reference to other function-like circuits, using the “Bottom-to-up” methodology. Finally, the whole chip simulation and verification were conducted to examine the matching between the design and the requirements of specification. The whole chip’s simulation is done in Cadence Spectre. The whole chip simulation results show that our chip has met the established requirements. Key words: Low-dropout, Linear current regulative LED driver, High-Brightness LED, Over temperature protection

0引 言
随着电子技术的不断进步,高亮度 LED(High Brightness LED;HB-LED)的研制得到了成功,尤其 是白光 LED 的研制成功,使得它越来越多地用在生活 中的各个领域。
而高亮度 LED 发光效率的不断提高,使得越来越 多的照明应用开始选择高亮度 LED,例如汽车的外灯

(日间行车灯,近光灯、远光灯等)和普通照明设备 等。LED 生产厂家最近推出的高亮度 LED 的效率已 经有了大幅度提升,因此,在照明设备中可以利用 LED 替换传统的卤素灯。从传统的卤素灯过渡到高亮 度 LED 可以大大降低功耗,延长产品的使用寿命。按 照市场调研公司 Strategies Unlimited 得出的结论,随 着亮度增加、价格降低和应用市场的推广,照明、背 光及汽车应用将是高亮 LED 市场在今后 3~5 年内的

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IF/m A

主要增长动力,到 2011 年,整个市场规模将会达到 90 亿美元。
目前,高亮度 LED 驱动芯片是电源管理芯片市 场的研究热点。高亮度 LED 驱动关键是要提供恒定 的电流,以保证发光强度的稳定和均匀。线性恒流型 高亮度 LED 驱动,具有结构简单、电磁干扰 (EMI) 和 噪声低、对负载和电源的变化响应迅速、尺寸较小及 成本低廉等优点,适合应用于蓄电池供电的照明系统 中。因此研究高亮度 LED 驱动芯片有着极其重要的 经济意义。
1 相关原理
1.1 高亮度 LED 发光特性与驱动 发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发明于
20 世纪 60 年代,它是利用半导体材料中的电子和空 穴相互结合并释放出能量,使得能量带(Energy Gap) 位阶改变,以发光显示其所释放出的能量。
高亮度 LED 具有类似于二极管的非线性 I-V 特 性,只能在器件上加正向直流电压才能将其点亮。一 般称通过 LED 的电流为正向电流 IF,其上的压降则
称为正向电压 VF。图 1 显示了高亮度 LED 内部电压
与电流的 I-V 特性曲线,在正向电压(VF)超出内部 阈值电压前,几乎没有正向电流(IF)流过。此后如
果 VF 进一步升高,则 IF 迅速增大。图 1 中的 I-V 特
性曲线表明,高亮度 LED 在正向导通后其正向电压 的微小变动将引起 LED 电流的大变化。
70 60 50 40 30 20 10
0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 VF/V
图 1 HB LED 的电压与电流关系曲线 Fig. 1 Curve of HB-LED voltage and current
1.2 LED 常用驱动方法

目前应用的半导体光源的驱动方式有恒压驱动 和恒流驱动两种。第一种方法是恒压驱动方式,如图 2 所示。
R

RX

Vin

IF

LEDx


图 2 带镇流电阻器的恒压源驱动电路

Fig. 2 Voltage source with ballast resistor

第二种方法是利用恒流源来驱动 LED,也是目前 常用的高亮度 LED 驱动方法。恒流源驱动可消除因 温度和工艺等因素引起的正向电压变化所导致的电

流变化,因此可产生恒定的 LED 亮度。产生恒流源 仅需调整通过电流检测电阻器的电压,而不用调整电

源的输出电压,图 3 是其电路示意图。参考电压 VREF 和电流检测电阻器 RSENSE 的值决定了 LED 电流的大 小。

+ VREF
VIN


A


Q LED

_

Rsense

图 3 驱动 LED 的恒流电源 Fig. 3 Constant-current source for driving LED
1.3 高亮度 LED 驱动的典型电路原理 从上面的论述中可以看出,高亮度 LED 应该工作
在稳定的电流下。目前,根据 DC/DC 变换器原理的 不同,高亮度 LED 恒流驱动电路可分为电荷泵型、 开关电源型和线性恒流型。下面我们重点介绍我们本 次设计采用的线性恒流型 LED 驱动电路,如图 4 所 示。
线性恒流型 LED 驱动是一种降压驱动,其基本

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基准电压 VREF


EA


VIN
S
PE OUT D

GND

RSENSE

图 4 线性恒流型 LED 驱动电路的基本原理图 Fig. 4 Block diagram of linear constant current regulative
LED driver
原理如图 4 所示,该电路由串联调整管 PE、采样电 阻 RSENSE、带隙基准电路和误差放大器 EA 组成。采 样电压加在误差放大器 EA 的反相输入端,与加在同 相输入端的基准电压 VREF 相比较,两者的差值经误 差放大器 EA 放大后,控制串联调整管的栅极电压, 从而稳定输出电流。线性恒流型 LED 驱动的优点是 结构简单、电磁干扰 (EMI) 低、低噪声特性、对负 载和电源的变化响应迅速、较小的尺寸及成本低廉。 缺点主要是:第一,驱动电压必须小于电源电压,因 此在锂电池供电系统中的应用受限制;第二,调整管 串联在输入、输出之间,效率相对较低。

2 实际电路的设计

2.1 电路等效架构的设计 芯片的系统结构图如图 5 所示,其主要工作原理
是:电源上电后,使能控制电路首先检测使能信号 EN,若 EN 为低电位,则整个芯片不工作;若 EN 为 高电位,则芯片进入正常工作状态。正常工作时,输 入电压变化范围是 6.5V~30V,稳压输出电路产生+ 5V 稳压输出,作为其他部分电路的工作电源,且能 对外部元件供电。带隙基准电路产生 1.24V 的稳定输 出,经滤波电路整形滤波后输入到误差放大器 EA 的 同相输入端。芯片利用 CS+、CS-之间的检测电阻 RSENSE 来设定 LED 的电流,调节电压设定为(VCS+ -VCS-)=204mV。差分检测放大器(DSA:differential sense amplifier)将检测电阻 RSENSE 的检测电压比例放 大后输入到误差放大器的反相输入端。差分检测放大 器、误差放大器和串联调整管 PE 组成反馈网络,用

于调节输出电流。输出电流变化时,检测电阻 RSENSE 两端的差分电压经放大后和带隙基准电压比较,两者 的差值被放大后用于控制调整管的栅极,从而稳定输 出电流。
根据芯片的功能及逻辑关系,从电路角度将其划 分为若干功能子电路。由于篇幅所限我们仅对电路中 几个关键子电路(带隙基准电压源、控制和保护电路) 的设计加以说明。

CV5 0.1μF

6.5V~30V

VIN

0. 1μ F

C VIN

5V_REG

+5V

S

EN

EN

G PE

LED亮 LED暗

BG

滤波



EA



D

限流

OUT

OTP


DSA

RSENSE



GND
图 5 芯片的系统结构图 Fig. 5 Functional diagram of ICs
2.2 带隙基准和稳压输出电路 2.2.1 带隙基准
本芯片要求带隙基准的输出电压在 1.24V 左右, 同时性能要满足各项设计指标,电路结构应尽可能的 简单。因此,我们设计了一种结构新颖,电路比较精 简的带隙基准电路,而且为了在各种工艺角下带隙的 输出都能满足系统性能要求,我们加入了 Trimming 电阻来调整带隙输出。图 6 是带隙基准电路的核心电 路[1]。

VIN

RR


AMP


Q1

Q2

R1

VREF

R2

VIN

R8

Q3

Q4

A Q5 B
IC1 GND IC2

Q1

Q2

Q7 VOUT
R3 VREF

R1

R4

R2

(a) 理想带隙单元结构

(b) 可产生较高输出 电压的带隙简化电路

图 6 带隙基准电路 Fig. 6 Schematic diagram of Bandgap Reference

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图 6 中电阻 R1、R2、三极管 Q1、Q2 构成基准

电压产生的核心电路。Q1 和 Q2 的发射区面积比为 1:

N,Q3 和 Q4 完全对称且构成镜像电流源,而 R8、

Q5 和 Q3、Q4 是在(a)的基础上修改增加的,目的是

构成减小 β 影响的镜像电流镜,提高镜像精度;因此

IC3 = IC4,ICl = IC2,IEl = IE2。则 Rl 上的压降为:

VR1=IE2R1

=

kT q

ln(

J1 J2

)=VT

? ln( J1 J2

)

(1)

式(1)中,VT = kT 为热电压,k=1.381×10-23J/K 是 q

玻尔兹曼常数,q=1.6×10-19 库仑是电荷量。J1、J2 分 别是 Q1、Q2 管的发射极电流密度,由 IEl = IE2 得到

R2 上的压降为:VR2=2 R2 VTlnN

(2)

R1

因此,带隙基准电压为:

VREF=VBE1+VR2=VBE1+2 R2 VTlnN

(3)

R1

2.2.2 5V 稳压输出电路

在上一小节中我们得到了电路设计中非常重要

的参考电压(带隙基准电压)。在本小节中我们将设

计一个为芯片内部电路供电的 5V 稳压电源。下面我

们就来考虑具体电路的实现以及其参数的确定。由带

隙基准提供的稳压输出电路如图 7 所示。

VIN

V5

Q7

电压基准 VREF
1.24V
AV

R3
VB

R4

GND

图 7 5V 稳压输出电路的原理框图

Fig. 7 Schematic of +5V linear Regulator

采样电阻

R3、R4

的确定:V5= (1 +

R R

3 4

)

×

V

REF



由于 V5=5V,VREF≈1.24V,由此确定 R 3 ≈ 3 , R4

R3 的具体阻值要在版图面积和电路的功耗之间折 中,最终我们选择了 R3 的阻值大约为 90K。具体电 路的实现是在图 6(b)基础上加以修改。 2.3 过热保护电路 2.3.1 过热保护电路的设计[2]
芯片中设计的过热保护电路的等效架构如图 8 所 示。图 8 中 V5 为 Bandgap & regulator 电路的+5V 稳 压输出,作为本电路的电源电压。电路中的所有偏置 电流(IBIAS1~4)都是由 PTAT 电流源通过电流镜复制 得到的,是与绝对温度成正比的 PTAT 电流。OTP 为 过热保护信号,芯片过热时从高电平跳变到低电平, 输出到控制电路,实现过热保护功能。该电路利用三 极管 Q1 的 VBE 随温度变化具有负温度系数的特性, 实现对温度的检测,下面具体分析电路的工作原理。
常温下,由于 A 点的电压 VA<VBEQ1,所以三极 管 Q1 截止,B 点的电位被拉到高电平 V5,即 N10 的栅极电位为高电平,使 N10 导通并进入线性区,将 N10 的漏极即 C 点电位拉低。此时,MOS 管 P0 导通 将 D 点电位拉高,经过两级反相器 INV1、INV2 整 形后,OTP 输出高电平,过热保护电路处于无效状态。 这里需要注意的是,电阻 R1、R2 阻值的设置,应能 保证在相当大的温度范围内三极管 Q1 处于截止状 态。此时,由于 D 点电压为高电平,PMOS 管 P11 截止。
V5

IBIAS1 IBIAS2

IBIAS3

B N10 Q1 A
R1

C
P0 D

IBIAS4

P11

INV1

INV2 OTP

R3 GND
图 8 热关断实现电路的等效架构 Fig. 8 Functional Circuit Architecture for Thermal Shutdown

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三极管 Q1 的 VBE 具有负温度系数,大约为 -2mV/℃。随着温度的上升,Q1 的 VBE 减小。同时, IBIAS2 为 PTAT 电流,随温度的升高而增加,因此,A 点电位 VA=IBIAS2(R1+R2)随温度的升高而升高。当温 度升高到 TH 时,A 点电压等于 Q1 的基射极电压 VBE, Q1 导通。此后,Q1 和 N10 构成负反馈关系,将 A 点电位钳制在 VBEQ1。同时,IBIAS2 向 C 点充电将 C 点电位拉高,从而关断 PMOS 管 P0。因此,D 点电 位被拉低,经过两级反相器 INV1、INV2 后,OTP 输出低电平,从而触发关断保护操作,实现过热保护 功能。此时,P11 导通,使该支路的 IBIAS3 电流注入 给电阻 R2。所以当温度下降时,需要降到低于 TH 的温度 TL 时,才能使 OTP 输出跳变,表现出迟滞特 性。之后,B 点电压迅速上升使 N10 导通,将 C 点 电位拉低。因此,P0 导通将 D 点电位拉高,经过两 级反相器 INV1、INV2 后,OTP 输出高电平,芯片恢 复正常工作。 2.4 其它电路的设计
由于论文篇幅所限,本文仅详述了两个关键子电 路的设计,在本节中对其它电路的设计要点做一简要 说明。
(1)调整管(PE:Pass Element) 调整管作为压差的负载器件,要满足低压差、大 电流等设计要求,对调整管的选择要重点考虑。由于 MOS 管是压控器件,采用 MOS 管做调整管芯片的静 态电流更低,所以本芯片采用 PMOS 管做调整管。调 整管的设计主要从电路的 LDO 特性、电路在完全关 断时的漏电流、调整管的栅极寄生电容(与稳定性相 关)、跨导 gm 以及 Layout 面积等特性出发,进行折 中考虑[3]。 (2)差分检测放大器(DSA) 差分检测放大器是一个运算放大器,其开环增益 的大小决定了比例放大的精度。另外,低电流检测基 准要求低的输入共模电平。考虑到要实现低的输入共 模电平和高增益,一方面,将 DSA 设计为两级放大 器,输入级采用折叠式共射共基极结构(输入管为

PNP 管),第二级采用共射放大器结构;另一方面, 为提高带负载能力,输出采用射极跟随器电路。另外, 两级放大器要考虑电路的稳定性问题,为此在电路中 设计了密勒补偿电路。
(3)使能控制电路(Enable Module) 使能控制电路的电源电压为芯片外部输入的电 源电压 VIN,因此电路的输出使能控制信号最高可达 到 VINMAX=30V,这要求使能控制管的 VGS 能承受大 于 30V 的电压,提高了工艺难度和要求。为此在使能 控制电路中设计了电压钳位电路,将输出使能控制信 号的高电平钳制在 5V 左右。另外,为了避免电路在 使能阈值附近出现振荡问题,在使能控制部分引入了 正反馈,正反馈可以使电路快速启动,从而避免了电 路振荡问题的出现。 (4)整形滤波电路(Filter Module) 整形滤波电路主要由简单的 RC 滤波电路组成, 电阻 R、电容 C 的设置要在整形滤波的效果和电路的 响应时间之间折中。电阻、电容越大,带隙基准经过 该电路后的上升、下降沿越平滑,芯片的响应时间会 更长。 (5)过流保护电路(Current_Limiting) 为保证调整管在输出过载或短路时不会烧毁,芯 片设计了过流保护电路,通过控制调整管的栅电压达 到控制输出电流的目的。过流保护电路通过电流比较 器来实现。设计中要注意使基准电流在各种电源电 压、温度和工艺角情况下,均能保证调整管的电流处 于安全范围。 (6)电流调整放大电路 I_REG 电流调整放大电路,最主要的作用就是将采样输 出电流转换为输入电压和基准电压 VREF 进行比较以 驱动功率管并且调整芯片的输出电压,并控制输出电 流。
3 仿真结果
采用 Candence Spectre[4]仿真软件来进行全局仿 真,电源电压都是采用 12V 输入电压来验证芯片的性 能指标的。要说明的是,以下仿真结果是基于 Jazz

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BCD05 制造工艺,其中共有 99 种工艺角。 测试原理:Rsense 值设为 0.58Ω,也就是将输出
电流设定为 350mA,负载为 3 个 LED(使用 OSRAM 的 LW_W5SG 超高亮 LED 模型),测试仿真电路原理 图,如图 9 所示。

VIN +

Vdc=12V

C1 0.1uF

VIN

OUT

LED1

LED2

+5V

EN

V5

C2

LED Driver

0.1uF

CS+

LED3

CSGND

Rsense r=0.58Ω

在图 12 中我们给出了所有 99 个工艺角下的全局 热关断性能测试仿真情况,从图中我们可以看到,最 差关断温度(169℃)和最早关断温度(142℃)与 155 ℃相差在我们要求的 15℃工艺漂移误差范围内,所以 在不同工艺角的情况下,满足芯片过热保护性能要 求。

图 9 芯片测试仿真原理图
Fig. 9 Operating Circuit for ICs Simulation
全局仿真结果见图 10、图 11。芯片的输出电流 误差为±11mA,通过计算可得其电流精度为±3.1%, 与我们当初设计目标 5%相比较,有了较好的提高, 这表明我们设计的电路在性能上满足要求,结果比较 满意。

图 12 VIN=12V,Temp=-40℃~200℃时,所有 Corner 下 TOFF 值
Fig. 12 VIN=12V,Temp=-40℃~200℃,All-Corner versus TOFF
从图 13 所示波形可以看出,当 VEN 为低电平时, 芯片停止工作,LED 上的电流为零,有效实现了负载 隔离;当 VEN 为高电平时,芯片恢复输出电流,并且 LED 电流很快达到最大值。因此,可以通过改变加在 EN 引脚的脉宽调制(PWM)方波的占空比来实现 LED 的亮度调节。

图 10 VIN=12V,Temp=25℃时,各 corner 下 IOUT 值 Fig. 10 VIN=12V,Temp=25℃,All-Corner versus IOUT

图 11 VIN=12V,T=-40℃~125℃时,IOUTmax~min 电流曲线
Fig. 11 VIN=12V,Temp=-40℃~125℃,IOUTmax&IOUTmin

图 13 PWM 调光响应曲线 Fig. 13 PWM Dimmed Operation
4结语
研究了线性恒流型 LED 驱动的原理,并实现了 一款低压差线性恒流型高亮度 LED 驱动芯片的设计。

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采用 0.35?m 标准 BiCMOS 工艺制造,有助于提高芯 片的效率。设计的带隙基准电路采用了 Trimming 电 阻微调结构,使得电路可以在不同工艺角情况下,对 带隙电压进行微调控制,可以使带隙基准电压在-40 ℃~125℃温度范围内的变化都是很小的,并提高了 5V 稳压电源的输出精度。设计的过热保护电路克服 了传统过热保护电路对带隙电压性能依赖性大的缺 点,且具有可移植性强的优点;设计的短路保护电路 可以在芯片过载或短路情况下很好的限制输出电流, 确保芯片可以长久的使用。
最后,给出了芯片全局仿真结果验证,仿真结果 表明:输出电流精度达到 3.1%;热关断温度变化范 围在我们要求 15℃工艺漂移误差范围内;PWM 调光 性能也达到预期要求。
参考文献
[1] Bang S. Lee. Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage regulator. Texas Instrument Application Report, 1999(10): 14~17
[2] 朱国军,唐新伟,李肇基,等.一种带热滞回功能的过热 保护电路.微电子学,2006,36(1): 84~86
[3] Allen P E,Holbeeg DR.CMOS模拟集成电路设计[M].(第 二版).北京:电子工业出版社,2002
[4] Cadence. Virtuoso Analog Design Environment User Guide, Product Version 5.1.41. http://www.cadence.com/datasheets/ VirtuosoAnaEnv_ds.pdf

测量范围(BAC):0.00%-0.1% 精确度(BAC):0.01% 电源输入:2×1.5V“AAA”碱性电池 操作时间:热启动 15~30 秒,响应时间:<5 秒 尺寸(mm):73×39×30 执行标准:Q/718J78-2007
(2)规格 型号:DAT-02 传感器:先进的半导体氧化物酒精传感器 测量范围(BAC):0.00%-0.1% 精确度(BAC):0.01% 电源输入:2×1.5V“AAA” 碱性电池 操作时间:热启动:15~20 秒,响应时间:<5 秒 自动关机:大约 1 分钟 尺寸(mm):100×45×20 执行标准:Q/718J78-2007

作者简介:王福虎(1976~),男,硕士,2007年毕业于华中 科技大学电子科学与技术系,主要研究方向为模拟集成电路设 计、半导体工艺、RFID等。

派瑞空气净化器系列产品(五)
酒精检测器
(1)规格: 型号:DAT-01 传感器:先进的半导体氧化物酒精传感器

产品特点: 人体呼气酒精含量测试;夜光灯; 3 档含量提示;低电提示;LCD 显示; 钥匙链;CUP 控制。


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