文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.009
中文引用格式： 傅敏，嵇保健，黃勝明，等. 新型大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(7)：38-41.
英文引用格式： Fu Min，Ji Baojian，Huang Shengming，et al. Design of constant-current control chip for driving high-power LED[J].Application of Electronic Technique，2016，42(7)：38-41.
0 引言
LED憑借能源消耗低、發(fā)光效率高、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠等眾多優(yōu)勢(shì)在照明領(lǐng)域獲得一席之地，并有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，同樣LED 照明產(chǎn)業(yè)也帶來(lái)了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，LED照明的迅速普及也帶動(dòng)了LED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，使得LED驅(qū)動(dòng)芯片已成為電源管理電路市場(chǎng)的重要組成部分[1-5]。由于LED照明的光亮度與其導(dǎo)通電流的強(qiáng)度密切相關(guān)，恒流驅(qū)動(dòng)是最理想的選擇，本文設(shè)計(jì)了一款輸入電壓范圍寬，輸入電流精度高，PWM數(shù)字調(diào)光，可驅(qū)動(dòng)大功率的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。
1 芯片的總體設(shè)計(jì)及應(yīng)用
1.1 芯片結(jié)構(gòu)及工作原理
本款芯片是DC/DC降壓型LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片，其輸入電壓范圍寬，達(dá)到6 V至45 V，輸出正向電流最高可達(dá)1.5 A，可以滿足大部分直流應(yīng)用，能使流過(guò)不超過(guò)最高輸出電壓的串聯(lián)LED的電流穩(wěn)定。采用遲滯控制模式，利用Buck電路中電感電流的不可突變性，通過(guò)采樣電阻的反饋電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，通過(guò)內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)控制輸出電壓導(dǎo)通關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)恒流的目的，對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。該芯片同時(shí)具有參考電壓低、瞬態(tài)響應(yīng)極快、數(shù)字(PWM)調(diào)光、UVLO欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)的特點(diǎn)，主要包括帶隙基準(zhǔn)源(REF）模塊、LDO模塊、偏置電流產(chǎn)生模塊、數(shù)字調(diào)光模塊、過(guò)溫保護(hù)(TSD)模塊、邏輯控制(logical control)模塊、Driver模塊[6-7]。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
當(dāng)輸入電壓VIN接通后，電壓調(diào)節(jié)器高壓LDO開(kāi)始工作，為模擬控制電路部分提供5 V的電源VOUT。當(dāng)欠壓鎖存單元(UVLO)監(jiān)測(cè)到LDO的輸出達(dá)到4 V時(shí)，會(huì)向偏置電路模塊、過(guò)熱保護(hù)電路模塊、邏輯控制電路模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊發(fā)出使能信號(hào)(EN)，此時(shí)芯片整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作，內(nèi)置NLDMOS功率器件M1導(dǎo)通，電感L的電流開(kāi)始上升，由于采樣電阻RSNS上的電流等于電感L上的電流，該電流流過(guò)反饋電阻RSNS后，產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓VSNS，VSNS會(huì)通過(guò)Vfb引腳反饋到芯片內(nèi)部，而Vfb引腳內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由芯片內(nèi)部基準(zhǔn)產(chǎn)生的參考電壓Vref(本文設(shè)計(jì)芯片為200 mV)，此時(shí)芯片中的比較器會(huì)將反饋電壓VSNS和參考電壓Vref進(jìn)行比較，如果反饋電壓VSNS低于參考電壓Vref，那么芯片會(huì)使內(nèi)部的NLDMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通的時(shí)間TON是由與clt引腳相連的電阻RON和輸入電壓VIN所決定的。導(dǎo)通時(shí)間TON結(jié)束后，NLDMOS會(huì)關(guān)斷一個(gè)時(shí)間，我們把這個(gè)時(shí)間稱(chēng)之為最小關(guān)斷時(shí)間TOFF-MIN(本文設(shè)計(jì)的芯片最小關(guān)斷時(shí)間為200 ns)。最小關(guān)斷時(shí)間TOFF-MIN結(jié)束以后，芯片對(duì)VSNS和參考電壓Vref進(jìn)行比較，如果VSNS小于Vref，M1導(dǎo)通，開(kāi)始下一次的循環(huán)工作，再次比較反饋電壓VSNS和參考電壓Vref之間的大小。另外，當(dāng)NLDMOS導(dǎo)通時(shí)，如果外部元件如電阻RON和電感L的取值不恰當(dāng)，例如電阻RON過(guò)大或者電感L過(guò)小，從而導(dǎo)致Vfb上的電壓降超過(guò)300 mV，此時(shí)連接在Vfb端的另外一個(gè)比較器的輸出信號(hào)狀態(tài)會(huì)翻轉(zhuǎn)，強(qiáng)制NLDMOS關(guān)斷，芯片停止工作。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。
1.2 芯片的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案
上文對(duì)本款芯片做了整體的描述，并通過(guò)芯片的典型應(yīng)用圖對(duì)其工作原理做了具體分析，但是具體在研究分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)芯片的典型應(yīng)用方案對(duì)輸入電壓變化幅度要求較高，一般不超過(guò)±10%，如果輸入電壓變化幅度超過(guò)這個(gè)范圍，輸出電流精度誤差將顯著增加，所以在此芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，并構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電路解決了之前芯片典型應(yīng)用方案輸出電流隨輸入電壓變化的問(wèn)題，使得輸出電流精度誤差小于1%，從外部電路增強(qiáng)了該芯片的功能，從而也拓寬了其應(yīng)用范圍。新型LED驅(qū)動(dòng)方案如圖3所示。
比較圖2與圖3可以看出，圖3提出的新型驅(qū)動(dòng)方案的電路在VIN端口與Vjb端口分別添加了R1與R2電阻，其中R1為大電阻，設(shè)計(jì)阻值應(yīng)該較大，R2為小電阻，設(shè)計(jì)阻值應(yīng)該較小，下面就對(duì)這樣改進(jìn)的具體原理進(jìn)行分析。
改進(jìn)前電路如圖2中反饋到Vfb端口的反饋電壓VCS1是由采樣電阻RSNS所決定的，滿足式(1)：
式(6)中，VIN表示輸入電壓；ILED是流過(guò)LED的電流；VCS2是改進(jìn)后新型驅(qū)動(dòng)方案的反饋電壓。
通過(guò)對(duì)整理分析后的反饋電壓VCS2的新表達(dá)式(6)進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)輸入電壓VIN增加時(shí)反饋電壓VCS2也隨之增加，這將起著抵消輸出電流隨輸入電壓增加而增加的作用，所以只要大電阻R1與小電阻R2選取合適，通過(guò)分子上R2和分母上的R1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以看出輸出電流IF與輸入電壓VIN的關(guān)系就變得微乎其微，甚至可以忽略不計(jì)。這個(gè)新型LED驅(qū)動(dòng)方案就解決了芯片典型應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓變化幅度只能限制在±10%的問(wèn)題，使輸入電壓變化幅度可以達(dá)到±50%甚至更多，大幅度提升了該芯片的功能，進(jìn)一步拓寬了該芯片應(yīng)用范圍。
2 版圖布局與芯片仿真結(jié)果
2.1 整體版圖布局
版圖設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，直接決定芯片的成本和性能。本文主要從引線布局和模塊布局來(lái)分析芯片整體布局設(shè)計(jì)。
2.1.1 管腳布局設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)芯片共有8個(gè)管腳，重要的管腳有輸入腳VIN、開(kāi)關(guān)腳SW、功率NLDMOS的驅(qū)動(dòng)模塊浮動(dòng)電源腳VCC以及接地腳VSS。在芯片應(yīng)用中電源腳VCC和開(kāi)關(guān)腳SW之間要連接一個(gè)電容，因此，把電源腳VCC的焊盤(pán)放置在靠近開(kāi)關(guān)腳SW的地方。此外芯片周?chē)际墙拥鼐€，對(duì)接地腳VSS焊盤(pán)放置的設(shè)計(jì)主要考慮到接地腳VSS需要靠近電壓參考源模塊，其他管腳焊盤(pán)的放置主要從節(jié)省芯片面積來(lái)考慮。
2.1.2 功能模塊布局設(shè)計(jì)
功能模塊布局重點(diǎn)考慮模擬和數(shù)字信號(hào)干擾問(wèn)題、熱效應(yīng)和散熱問(wèn)題等。在布局上主要是把模擬電路部分放置在遠(yuǎn)離功率器件的地方以減少功率器件發(fā)熱對(duì)模擬電路的影響。數(shù)字控制模塊放在芯片的中部，功率器件驅(qū)動(dòng)模塊緊靠功率器件放置，功率器件放置在芯片的最上方[8-9]。
2.1.3 實(shí)際整體版圖設(shè)計(jì)
根據(jù)上述的版圖布局設(shè)計(jì)考慮，對(duì)芯片版圖進(jìn)行整體布局和設(shè)計(jì)優(yōu)化，如圖4所示，最終版圖面積為1 680 μm×1 210 μm。在版圖設(shè)計(jì)好后，對(duì)版圖進(jìn)行了DRC和LVS檢查驗(yàn)證，并把GDS數(shù)據(jù)傳送到VIS進(jìn)行MPW流片制造。
2.2 整體電路仿真結(jié)果
總體電路應(yīng)用仿真連接圖如圖5所示。
在對(duì)控制芯片實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行模擬分析時(shí)，為了更接近于實(shí)際情況，在芯片的每個(gè)管腳和相關(guān)的連接線上加入1 nH寄生電感和20 MΩ的寄生電阻。模擬中的參數(shù)選取如下：RON=100 kΩ，Cboot=10 nF，Cldo=220 nF，L=47 μH。電容CO是并聯(lián)在LED兩端的電容，電容CO的取值大小對(duì)LED電流紋波有影響，當(dāng)電容CO取較大值時(shí)，LED上的電流紋波會(huì)比較小，但是會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)光有一定的影響，當(dāng)電容CO取較小值時(shí)，有利于系統(tǒng)調(diào)光，但是LED上的電流紋波會(huì)輕微增大。
圖6所示是輸入電壓、調(diào)光控制信號(hào)、以及電感電流和LED電流波形。隨PWM調(diào)光控制信號(hào)Vadj從邏輯“0”向邏輯“1”變化，電感L和LED上的電流也從0增加至其額定值，這樣可以看出，只要改變PWM調(diào)光控制信號(hào)Vadj的占空比，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。從圖6不難看出電感L和LED上的電流隨輸入電壓VIN增加有微小增加。為了解決這一問(wèn)題，在電路設(shè)計(jì)中提出了增加兩個(gè)電阻和一個(gè)高壓NLDMOS器件的改進(jìn)方案，如圖7所示，其中電阻R1=500 kΩ，R2=500 Ω。這樣，LED上的電流不再隨輸入電壓VIN的增加而增加。圖8得到的結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)：盡管電感L和LED上電流的紋波隨輸入電壓VIN的增加而稍微增加，但平均電流基本一致，不隨輸入電壓而變化。
4 測(cè)試結(jié)果
選取電阻R1=500 kΩ，R2=500 Ω，采樣電阻RSNS=0.3 Ω，電感L=10 μH，CO=220 nF，Ron=300 kΩ；負(fù)載為8個(gè)功率為1 W的LED燈珠串聯(lián)。
測(cè)試結(jié)果如圖9所示，其中VIN代表輸入電壓，IF為輸出電流。從圖9可以清楚看出，當(dāng)輸入電壓從20 V逐漸增加到40 V時(shí)，原芯片驅(qū)動(dòng)電路中輸出電流IF從756 mA增加到804 mA，變化幅度6.35%，對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，其驅(qū)動(dòng)電路中電流從699 mA下降到692 mA，變化幅度僅為0.86%，到達(dá)輸出電流基本不隨輸入電壓變化，從而使輸出電流的紋波非常小，解決了輸入電壓變化幅度只能在10%的問(wèn)題。
測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)輸入電壓變化一倍時(shí)，輸出電流精度誤差小于1%，進(jìn)一步提高了輸出電流精度，進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的功能，擴(kuò)大了芯片的應(yīng)用范圍。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種降壓型恒流LED驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出電流精度極高，可低于1%。芯片采用控制導(dǎo)通時(shí)間的控制方式，并具有PWM調(diào)光功能。芯片內(nèi)部具有多種保護(hù)功能并對(duì)其重要模塊進(jìn)行了分析。針對(duì)其對(duì)輸入電壓紋波要求較高，對(duì)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減小了輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出電流的影響，實(shí)現(xiàn)低紋波恒流驅(qū)動(dòng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
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