LED凈化燈恒流驅(qū)動電路研究與設(shè)計方案

2018-01-05 16:50:31 admin

摘要：基于CSMC0.5umBCD工藝給出LED凈化燈恒流驅(qū)動電路

。利用MOS管飽和區(qū)恒流特性以及電流負反饋結(jié)構(gòu)，給出三種恒流驅(qū)動方案

。比較三種方案的恒流工作電壓

，確立最終結(jié)構(gòu)。采用的方案能夠有效降低恒流工作電壓并實現(xiàn)利用外接電阻控制恒流輸出的大小

，驅(qū)動電流范圍為14.5mA到91.5mA.驅(qū)動電流可以通過外接PWM數(shù)字信號實現(xiàn)輸出使能控制

，控制響應(yīng)時間為7ns.可用于LED顯示屏。通過Hspice軟件進行仿真

，5V的電源電壓波動±10%時驅(qū)動電流波動小于1.85%.環(huán)境溫度由25℃變化到85℃時驅(qū)動電流變化2.14%.外接電壓由0V變化到5V,此時的驅(qū)動電流變化小于5.5%.當驅(qū)動電流為91.5mA時

，恒流工作電壓僅為0.38V.

　　1 引言

　　近年來，LED顯示屏應(yīng)用迅速發(fā)展

，推動LED凈化燈驅(qū)動IC的進步

。基于對LED的高可靠性以及亮度和色度一致性的考慮

，通常要對LED進行恒流驅(qū)動

。

　　用于LED顯示屏的恒流驅(qū)動電路主要存在三個設(shè)計要點：①驅(qū)動電流可通過單一外接電阻設(shè)定

。②最大限度降低恒流工作電壓。這里

，恒流工作電壓指使輸出電流恒定時的內(nèi)部電路壓降

，該壓降小則電路功耗低。③恒流輸出可由數(shù)字信號控制

，響應(yīng)速度要快

，以滿足采用PWM技術(shù)動態(tài)調(diào)光或高速掃描應(yīng)用的需要。文中給出了一種使驅(qū)動MOS管在線性區(qū)實現(xiàn)恒流的控制方法

，且不需要在源極串聯(lián)反饋電阻

，有效降低了恒流工作電壓。在此基礎(chǔ)上

，給出了滿足以上三方面要求的完整控制電路

。

　　2 恒流驅(qū)動電路設(shè)計

　　恒流驅(qū)動模塊是整個控制電路設(shè)計核心，決定整體電路的恒流特性

。針對此模塊給出三種方案。具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示

。圖中電流I_rset只受控于外接電阻Rset,當Rset不變時

，此電流恒定。Vcc是電路的外接電壓

，用來為LED凈化燈供電

。

LED凈化燈恒流驅(qū)動電路研究與設(shè)計方案

圖1 電路結(jié)構(gòu)

2.1 基于MOS管飽和區(qū)恒流特性的恒流模塊

　　這種結(jié)構(gòu)采用簡單的恒流方式，常應(yīng)用于大功率LED凈化燈照明電路

，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示

。電路利用M1實現(xiàn)恒流驅(qū)動。外接電壓Vcc的增大使得M1進入飽和區(qū)

，利用運放保證M1柵電壓保持不變

。工作于飽和區(qū)的M0與M1的共柵連接方式使得流經(jīng)它們的電流滿足線性比例關(guān)系且電流恒定，比例系數(shù)取決于兩者的寬長比的比值

。這種恒流模式完全依賴于MOS管的柵電壓并且恒流工作電壓（VDS1）至少要滿足M1管飽和導通

，因此結(jié)構(gòu)對于LED顯示電路來說功耗大。

　　2.2 基于電流負反饋的恒流模塊

　　為減小電路功耗

，采用負反饋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)恒流輸出

。電路結(jié)構(gòu)如圖1（b）。當電路由于某一原因?qū)е翸0的漏電流增加時

，增加的電流通過R1作用反饋到運放的反相端

，負反饋結(jié)構(gòu)會使得M0的柵壓降低，使M0上漏電流減小

，從而實現(xiàn)動態(tài)平衡

，保證M0的漏電流恒定不變

，反之亦然。這樣的恒流方式降低了恒流工作電壓

，電路功耗小

。動態(tài)平衡方式很好的實現(xiàn)了恒流輸出，恒流特性好

。負反饋結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動電流Iout與I_rset之間滿足線性比列關(guān)系

，比例系數(shù)取決于R0與R1的阻值比。

　　該結(jié)構(gòu)存在一些不足：①R1不宜過大

，否則R1上壓降過高

，產(chǎn)生較大功耗。②R1不宜過小

，否則會導致反饋電壓過小

，反饋電壓信噪比低，電路性能不穩(wěn)定

。R1設(shè)置在幾個歐姆為宜

，對于電阻的精確要求使得版圖設(shè)計相對困難，對工藝的要求較高

。③反饋電阻的存在就不可避免的在R1上產(chǎn)生一定的壓降

，造成集成電路內(nèi)部功耗的增加。

　　2.3 擬合工作區(qū)的恒流驅(qū)動模塊

　　為避免反饋電阻存在的問題

，采用圖1（c）結(jié)構(gòu)

，負反饋取樣點在M1漏端。同時為最大限度的降低恒流工作電壓需實現(xiàn)MOS管在線性區(qū)可以恒流輸出

。這種方式將線性區(qū)恒流輸出曲線與飽和區(qū)恒流輸出特性曲線擬合成一條曲線

，得到驅(qū)動電流的恒流輸出曲線恒流特性好，恒流工作電壓低

。

　　MOS管漏電流ID在不同工作區(qū)滿足關(guān)系式：

　　當VDS>VGS-VTHN時

，MOS管處于飽和區(qū)：

　　當V DS < VGS - V THN時， MOS 管處于線性區(qū)：

　　若某一原因?qū)е逻\放同相端輸入電壓增大

，會使得M0柵電壓增加

。而I_rset對于固定的外設(shè)電阻是恒定的，故M0的漏電壓減小

，從而M1的柵電壓減小

，漏電壓增加，即運放的反相端電壓也隨之增加

，反之亦然

。這一結(jié)構(gòu)保證運放的同相端和反相端輸入電壓始終保持相等，即保證M1和M2的漏電壓相等。同時M1和M2的共柵連接方式使得兩者的柵電壓相等

。由式（1）

、（2）可以看出，只要保證M1和M2的柵

、漏電壓均相等

，驅(qū)動電流Iout與I_rset就會滿足一個線性的比例關(guān)系，比例系數(shù)依賴于M1和M2的寬長比的比值

。而對于一個固定的外設(shè)電阻

，I_rset是固定不變的，電路可以利用此關(guān)系在M2尚處于線性區(qū)時就可以恒流輸出

，顯著的降低恒流輸出的工作電壓

。這一結(jié)構(gòu)要求電路中的運放的線性區(qū)的工作范圍寬，即保證在M2處于線性區(qū)時

，運放一直能夠正常放大

，保證M1和M2的漏源電壓相等。當同相端的增加量使得運算放大器已經(jīng)進入到飽和區(qū)時

，盡管反饋結(jié)構(gòu)不再起作用

，但M2已經(jīng)可以利用飽和區(qū)恒流特性實現(xiàn)恒流輸出，I_reST不變使得飽和區(qū)的恒流值與線性區(qū)一致

，兩個工作區(qū)的曲線擬合在一起

，形成最終的恒流輸出曲線。

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