一種基于OTA的降壓型LED恒流電路

摘要：設(shè)計(jì)了一種LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，芯片內(nèi)部電路由誤差放大模塊和PWM波形產(chǎn)生模塊組成，外部電路為一個(gè)BUCK型恒流電路。誤差放大模塊中采用了一個(gè)跨導(dǎo)放大器，將采樣電壓與基準(zhǔn)電壓做比較，產(chǎn)生誤差電流，反饋電容作為跨導(dǎo)放大器的負(fù)載，產(chǎn)生了誤差電壓信號(hào)。誤差信號(hào)與鋸齒波相比較產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制外部BUCK電路的開(kāi)關(guān)管對(duì)LED電流進(jìn)行平衡。采用CSMC 0．5μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫(kù)進(jìn)行電路仿真，結(jié)果表明本電路電流平衡的穩(wěn)定度較高，滿足中小功率的LED串并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動(dòng)；跨導(dǎo)放大器；降壓；恒流

    近年來(lái)，白光LED光源以其長(zhǎng)壽命、高亮度、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，迅速的占領(lǐng)了廣場(chǎng)、辦公、路燈、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域的照明市場(chǎng)。LED光源就是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及綠色照明逐漸深入人心的產(chǎn)物。
    半導(dǎo)體發(fā)光材料的光強(qiáng)度與通過(guò)它的電流呈線性關(guān)系，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)是用恒壓驅(qū)動(dòng)的方式，由于流過(guò)半導(dǎo)體的電流與加在上面的電壓呈指數(shù)關(guān)系，所以即便是恒壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)負(fù)載由于溫度或者其他原因變化的時(shí)候，其上面的電流變動(dòng)很大，嚴(yán)重的影響LED的發(fā)光亮度。
    現(xiàn)行市場(chǎng)上流行的LED恒流驅(qū)動(dòng)是通過(guò)上面改進(jìn)而來(lái)，是由一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路的LED供電，如果其中一路LED故障，并不會(huì)影響其他路LED的工作，但是成本很高。還有就是恒流LED串聯(lián)應(yīng)用電路，但是如果其中某個(gè)LED故障，就會(huì)影響整個(gè)電路的工作。
    本文設(shè)計(jì)的這種LED驅(qū)動(dòng)電路，是工作在恒流驅(qū)動(dòng)模式下的，此路的恒流電流可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED串聯(lián)電路，多個(gè)驅(qū)動(dòng)電路并聯(lián)，就可以靈活的組成各種LED串并聯(lián)電路，而且流過(guò)LED的電流可以通過(guò)外部采樣電阻來(lái)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)每一路電流都不相同的應(yīng)用。

1 基于OTA的恒流電路原理分析
1．1 整體電路架構(gòu)
    恒流電路芯片內(nèi)部由誤差放大模塊和PWM產(chǎn)生模塊組成，外部是一個(gè)BUCK型的恒流驅(qū)動(dòng)電路，如圖1所示。

    誤差放大模塊將Rs上的采樣電壓VSEN反饋回芯片內(nèi)部，誤差放大器將VSEN電壓與基準(zhǔn)電壓作比較，產(chǎn)生誤差電壓值VERR。誤差電壓值VERR和鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生了能夠控制外部MOS管的PWM波形。外部電路是一個(gè)BUCK型的恒流電路，在GATE端的PWM波控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟關(guān)閉，在VIN端和NET0端之間的負(fù)載上產(chǎn)生電流。因?yàn)樽罱K的VSEN采樣均值被誤差放大器穩(wěn)定在VREF處，且開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)LED上流過(guò)的電流與采樣電阻電流相同，所以負(fù)載上的電流均值是恒定的。
1．2 誤差放大模塊
    誤差放大模塊是將外部的采樣電壓VSEN轉(zhuǎn)換為誤差信號(hào)的電路，由采樣電路、誤差放大電路和緩沖輸出電路組成，如圖2所示。

    MN1和MN2為兩個(gè)n管，組成了一個(gè)采樣電路。在PWM輸出端GATE為高電平時(shí)，采樣電壓VSEN有效，MN2導(dǎo)通，MN1截止，VSEN端的電壓傳輸?shù)秸`差放大電路中；當(dāng)GATE為低電平時(shí)，采樣的電壓無(wú)效，MN2截止，MN1導(dǎo)通，將基準(zhǔn)電壓VREF傳輸?shù)搅苏`差放大電路中，使誤差放大器的正負(fù)輸入端電壓相等，輸入差模信號(hào)為0。
    整體電路中的X1是一種單端輸出的跨導(dǎo)型放大器。第一級(jí)差分輸入端P390和P391完成了電壓信號(hào)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換；第二級(jí)N381是一個(gè)共柵極的放大組態(tài)，其漏端對(duì)源端的電流增益為1。計(jì)算P390的跨導(dǎo)的公式如下：
   
    εsio2=3．9，從仿真庫(kù)中查到P管的tox=1．37x10-8。
    根據(jù)計(jì)算得到， Cox=2．52fF／μm2，gm=138．76μS。
    應(yīng)用半電路分析法，得到差分輸入級(jí)的跨導(dǎo)Gm1=gm，又因?yàn)榉糯笃魇菃味溯敵龅?，所以整個(gè)放大器的跨導(dǎo)為差分級(jí)跨導(dǎo)的一半，即
   
    X1輸出的電流為：
    Ie=Gm (amp)×(VREF-VSEN)
    當(dāng)采樣電壓VSEN小于基準(zhǔn)電壓值VREF時(shí)，跨導(dǎo)放大器電流輸出為正，對(duì)電容C1充電，使得X1的輸出端電壓升高；當(dāng)采樣電壓VSEN大于基準(zhǔn)電壓值時(shí)，跨導(dǎo)放大器電流輸出為負(fù)，電容C1對(duì)跨導(dǎo)放大器放電，使得X1的輸出端電壓降低。
    X2為緩沖輸出電路，由一個(gè)兩級(jí)的差分運(yùn)放構(gòu)成，運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，低頻增益為45dB，-3dB帶寬為3．5kHz。因?yàn)檫\(yùn)放的帶寬較小，所以能夠有效濾除誤差電壓信號(hào)上疊加的高頻分量，保證了誤差信號(hào)的直流特性。將此運(yùn)放連接為單位增益的方式，構(gòu)成電壓跟隨電路，保證了誤差電壓信號(hào)對(duì)后級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力，也將X1輸出的誤差電壓信號(hào)與后級(jí)電路隔離開(kāi)，不受后級(jí)電路的高頻耦合影響。
1．3 PWM波形產(chǎn)生模塊
    PWM模塊是將誤差信號(hào)與基準(zhǔn)電壓做比較，輸出PWM波形，驅(qū)動(dòng)外部開(kāi)關(guān)管。
    X3是一個(gè)比較器，將峰值為1V震蕩鋸齒波VSLOPE與0～1V之間的誤差信號(hào)直流電平VERR做比較，產(chǎn)生占空比與誤差信號(hào)直流電平VERR成正比的PWM方波，此方波信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)或非門(mén)X4和一個(gè)RS觸發(fā)器X5，或非門(mén)和RS觸發(fā)器的另一端輸入為震蕩頻率的方波信號(hào)，保證此PWM方波與震蕩頻率同步。X6為一個(gè)由4級(jí)大寬長(zhǎng)比的反相器構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)緩沖電路，其中每一級(jí)的反相器寬長(zhǎng)比都比前一級(jí)大一倍。驅(qū)動(dòng)緩沖電路將PWM方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，才能保證外部開(kāi)關(guān)管有效的導(dǎo)通和截止，使外部電路正常工作。
1．4 外部應(yīng)用電路
    外部應(yīng)用電路是一個(gè)BUCK型的PWM控制的恒流電路。VIN是外部電壓，MOSFET是開(kāi)關(guān)管，D1是肖特基二極管，L1是儲(chǔ)能電感，C2為濾波電容，電阻Rs是采樣電阻，VSEN是采樣電壓反饋，GATE是PWM輸出，負(fù)載LED接在VIN和NET0之間。
    當(dāng)GATE為高電平時(shí)，MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟，VIN電壓加在負(fù)載LED上，電流從VIN到NET0，經(jīng)過(guò)L1和MOSFET以及采樣電阻Rs，D1反偏不導(dǎo)通，同時(shí)VIN為電容C2充電；當(dāng)GATE為低電平時(shí)，MOSFET管關(guān)閉，從MOSFET的漏極到地沒(méi)有電流通路，而且電感上的電流不能突變，還是從NET0到NET1的電流，此時(shí)電感左邊的節(jié)點(diǎn)NET1電壓瞬間升高，高于VIN+VD，其中VD為肖特基二極管的正向壓降，肖特基二極管導(dǎo)通，電流從電感的右邊節(jié)點(diǎn)NET0到左邊NET1，然后順著二極管的正向開(kāi)啟方向，流入負(fù)載LED中，同時(shí)C2為負(fù)載放電，保持電流穩(wěn)定，如果電感L1和電容C2中的儲(chǔ)存能量消耗完之前，GATE變?yōu)楦唠娖降脑挘琕IN又能對(duì)電感沖入能量，維持連續(xù)的工作模式，如果電感L1和電容C2中的儲(chǔ)存能量消耗完，但是MOSFET還沒(méi)有開(kāi)啟的話，二極管關(guān)斷，LED上沒(méi)有電流通路，此時(shí)就工作在了不連續(xù)模式。

2 電路仿真
    本文設(shè)計(jì)的電路采用CSMC 0．51μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫(kù)，利用HSPICE軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證(見(jiàn)圖3)。

2．1 跨導(dǎo)放大器仿真
    將跨導(dǎo)放大器的輸出端連接一個(gè)電容負(fù)載，尾電流為9μA，負(fù)輸入端接0．25V直流電平，正輸入端加入一個(gè)正弦波，其直流偏置為0．25V，峰峰值為0．05V，頻率為1MHz的交流小信號(hào)，觀察各節(jié)點(diǎn)電壓電流。
    由圖可以看出，在正端電壓比負(fù)端電壓大0．05V的時(shí)候，輸出到負(fù)載的電流為3．5μA。根據(jù)此仿真結(jié)果，3．5μA／0．05V=70μs，與計(jì)算得到的跨導(dǎo)結(jié)果一致。
2．2 全電路仿真
    將誤差放大器模塊、PWM波形產(chǎn)生模塊，以及外部應(yīng)用電路連接在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合的反饋環(huán)路(見(jiàn)圖4)。整體電路中，加入控制信號(hào)和基準(zhǔn)電壓250mV，觀察負(fù)載電流和采樣電壓與GATE占空比的關(guān)系。

    由仿真結(jié)果可得，GATE端的占空比為48％，流過(guò)LED的等效電流為247mA。等效電流基本上等于基準(zhǔn)電壓除以采樣電阻，電流精度高，穩(wěn)定性好。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路是基于OTA的BUCK型恒流驅(qū)動(dòng)電路。誤差放大模塊對(duì)采樣電壓與基準(zhǔn)電壓差進(jìn)行放大，輸出的誤差電壓信號(hào)控制外部開(kāi)關(guān)管的PWM的占空比，最后由外部應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)LED的恒流功能，并將采樣電壓反饋回芯片內(nèi)部。本文電路基于CSMC 0．5μm的工藝庫(kù)做了仿真，結(jié)果顯示本電路能夠穩(wěn)定LED上面的電流，可以滿足對(duì)電流穩(wěn)定度要求較高的LED驅(qū)動(dòng)。而且本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，電路實(shí)現(xiàn)性好，
可以多個(gè)支路并聯(lián)應(yīng)用，增加電路靈活性，適合家庭及辦公場(chǎng)所照明應(yīng)用。