隨著(zhù)LED技術(shù)的發(fā)展，大功率LED在燈光裝飾和照明等領(lǐng)域得到了普遍的使用，同時(shí)功率型LED驅動(dòng)芯片也顯得越來(lái)越重要。由于LED的亮度輸出與通過(guò)LED的電流成正比，為了保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性，有必要設計一款恒流驅動(dòng)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(dòng)芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式，可以用于驅動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內，通過(guò)對高端電流的采樣來(lái)設置LED平均電流，芯片輸出電流精度控制在5.5%，同時(shí)芯片可通過(guò)DIM引腳實(shí)現模擬調光和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(jìn)行了分析，并介紹各個(gè)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(dòng)電路系統原理

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(guò)溫保護電路，從而能在各種不利的條件下，有效的保證系統能夠穩定的工作。
從圖1中可以看到電感L、電流采樣電阻RS、續流二極管D1形成了一個(gè)自振蕩的連續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L(cháng)ED驅動(dòng)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(shí)，通過(guò)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(jìn)入滯環(huán)比較器，通過(guò)與BIAS模塊產(chǎn)生的偏置電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM控制信號，再經(jīng)柵驅動(dòng)電路從而控制功率開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷。

下面具體分析電路的工作原理。首先芯片在設計時(shí)會(huì )內設兩個(gè)電流閾值IMAX和IMIN。當電源VIN上電時(shí)，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(shí)候，CS_COMP遲滯比較器的輸出為高，內置功率NMOS開(kāi)關(guān)管M1導通，SW端的電位為低，流過(guò)LED的電流開(kāi)始上升。電流通過(guò)電感L、電流采樣電阻RS、LED和內部功率開(kāi)關(guān)從VIN流到地，此時(shí)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(shí)，CS_COMP遲滯比較器的輸出為低，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)管M1關(guān)閉，由于電感電流的連續性，此時(shí)電流以另一個(gè)下降斜率流過(guò)電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和續流肖特基二極管（D1），當電流下降到另外一個(gè)預定值IMIN時(shí)，功率開(kāi)關(guān)重新打開(kāi)，電源為電感L充電，LED電流又開(kāi)始增大，當電流增大到IMAX時(shí)，控制電路關(guān)斷功率管，重復上一個(gè)周期的動(dòng)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(dòng)電流是由內設的閾值IMAX和IMIN決定，因而不存在類(lèi)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定性，不需要補償電路，另外峰值電流檢測模式動(dòng)態(tài)響應調節一般需要幾個(gè)周期的時(shí)間，而滯環(huán)電流控制至多一個(gè)周期就可以穩定系統的動(dòng)態(tài)響應，所以滯環(huán)電流控制的動(dòng)態(tài)響應更加迅速。當然滯環(huán)電流控制模式存在著(zhù)輸出紋波較大，變頻控制容易產(chǎn)生變頻噪聲等缺點(diǎn)，但是在大功率LED照明驅動(dòng)應用中，一定的紋波變化和開(kāi)關(guān)頻率變化不會(huì )對LED的整體照明性能產(chǎn)生較大影響。
[page]
LED驅動(dòng)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(dòng)電路，當電源上電時(shí)，若電路出現零電流狀態(tài)，此時(shí)VA為低，MOS管PH4開(kāi)啟，并向基準核心電路中注入電流，使得基準電路擺脫零簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，當電路正常工作時(shí)，通過(guò)合理的設置P7和P8的寬長(cháng)比，使它們都處于深線(xiàn)性區，由于R2和R3阻值很大，此時(shí)VA的大小接近輸入電壓，MOS管PH4關(guān)斷，啟動(dòng)結束。此外，由于VA的電壓接近電源電壓，通過(guò)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(shí)，輸出欠壓信號，關(guān)斷功率管，起到欠壓保護的功能。
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(shí)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(guò)這兩個(gè)模塊就可以很好的實(shí)現滯環(huán)電流控制。
電路工作時(shí)，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(shí)，P_OFF為高，P_ON為低，M1關(guān)M2開(kāi)啟，此時(shí)COMP1_G負端輸入VTH_L，并且此時(shí)由于P_ON為低，功率管關(guān)斷，LED電流開(kāi)始減小，采樣電壓也開(kāi)始減小。當CS電壓小于VTH_L時(shí)，P_OFF為低，P_ON為高，M1開(kāi)啟，M2關(guān)斷，COMP_G負端輸入VTH_H，此時(shí)P_ON為高，功率管開(kāi)啟，LED電流開(kāi)始增大，采樣電壓也開(kāi)始增大。當CS電壓大于VTH_H時(shí)，遲滯比較器模塊將重復上一個(gè)周期的動(dòng)作。這樣通過(guò)遲滯比較器就能產(chǎn)生一定占空比的方波來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管關(guān)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(shí)也提高了芯片輸出電流精度。
[page]
模擬和PWM調光（DIM）

通常希望在不同的應用場(chǎng)合和環(huán)境下，LED的發(fā)光亮度能夠隨著(zhù)應用和環(huán)境的變化隨時(shí)可調，這就需要LED驅動(dòng)器具有調光的功能?，F在，最常用的LED調光方式有：模擬調光、PWM調光、數字調光等方式。

模擬調光是通過(guò)線(xiàn)性的改變LED驅動(dòng)器的輸出電流來(lái)調整LED的發(fā)光亮度，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠避免由PWM或數字調光所產(chǎn)生的噪聲等問(wèn)題，缺點(diǎn)是模擬調光會(huì )改變LED的驅動(dòng)電流，從而引起LED的色偏。PWM調光方式是通過(guò)反復開(kāi)關(guān)LED驅動(dòng)器，在PWM信號使能期間輸出電流，其它時(shí)間內關(guān)閉LED驅動(dòng)，通過(guò)調節PWM信號的占空比可來(lái)實(shí)現調光。PWM調光的原理是利用人眼的‘視覺(jué)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(huì )改變LED平均電流，PWM調光也就不會(huì )改變LED的色度。
圖4給出了模擬調光等效電路圖。圖4是一個(gè)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(jìn)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(shí)，由于L2點(diǎn)電壓為低N3、N4截止。輸出Io為零，無(wú)調光效果。當V2減小到2.5V，兩邊電流相等，輸出也為零。此時(shí)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(guò)N3、N4鏡像后就得到輸出電流Io。該電流將進(jìn)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(guò)程仿真圖。從圖中可以看到，當DIM引腳電壓逐漸降低時(shí)，LED平均電流IL也開(kāi)始按一定比例降低，在DIM引腳電壓低于0.3V時(shí)，功率管被關(guān)斷，LED電流下降到零。這就說(shuō)明模擬調光模塊能很好的控制LED驅動(dòng)電流大小。
[page]
圖6給出了PWM調光等效電路圖，通過(guò)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(shí)現PWM調光。

圖6中，當DIM由高變低，小于VT_L時(shí)，使能變EN為高。此時(shí)VT選通為VT_H，當DIM由低變高，高于VT_H時(shí)使能轉換，并實(shí)現一定的電壓遲滯。如果輸入信號是PWM信號，同樣通過(guò)上述工作過(guò)程，這樣EN輸出同樣為PWM信號，控制內部功率管的開(kāi)關(guān)，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(shí)，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(shí)，LED的平均電流與PWM方波的占空比成正比，因此通過(guò)設定PWM方波的占空比，就可以改變LED平均電流的大小。

由上圖還可以看出，當輸出一個(gè)電感電流周期時(shí)，PWM方波具有最小的占空比，約為4%，此時(shí)最大調光比為25:1。顯然，采用周期越長(cháng)，頻率越低的PWM方波進(jìn)行數字調光所獲得的調光比就越高，但考慮到人眼的視覺(jué)暫留效應，為防止輸出LED電流頻率過(guò)低引起閃爍，應用時(shí)一般設置最低fDIM=100Hz，此時(shí)最大調光比可高達5000:1。

LED驅動(dòng)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(jìn)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(shí)，在不同的電源電壓，不同LED連接數目下，LED輸出電流精度。芯片由于采樣延遲、采樣精度、驅動(dòng)級延遲等因素，會(huì )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?xún)?。同時(shí)也可以看到，要實(shí)現較好的電流精度，固定負載下需要相應的電源電壓與之匹配。

結束語(yǔ)

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(dòng)芯片。在滯環(huán)電流控制模式下，芯片具有結構簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應快、不需要補償電路等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)DIM引腳，芯片可以方便的進(jìn)行LED開(kāi)關(guān)、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(shí)，芯片輸出電流最大偏差不超過(guò)5.5%。此外，在芯片驅動(dòng)7個(gè)LED時(shí)，效率可高達97%。

相關(guān)閱讀：
一款高精度、低成本的LED 老化測試方案
http://zzmyjiv.cn/opto-art/80021536
工程師必看！LED照明電源設計四大難題解析
http://zzmyjiv.cn/opto-art/80021571
【圖文】利用單片機設計制作LED搖搖棒方案
http://zzmyjiv.cn/opto-art/80021564
LED驅動(dòng)器設計：如何用低成本實(shí)現高功率因數
http://zzmyjiv.cn/opto-art/80021530