一種用于大電流LED驅(qū)動(dòng)的高側(cè)電流檢測(cè)電路

劉　巖，馮勇建，夏榮菲

(廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院,福建廈門(mén)361005)

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一種用于大電流LED驅(qū)動(dòng)的高側(cè)電流檢測(cè)電路

劉巖，馮勇建*，夏榮菲

(廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院,福建廈門(mén)361005)

摘要：針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)中寬輸入電壓范圍和高精度檢測(cè)的要求，提出了一種高側(cè)電流檢測(cè)電路.采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件作為放大器，通過(guò)檢測(cè)串聯(lián)在電路中的采樣電阻兩端電壓差的大小，用滯回控制方法控制電流回路的通斷，能精確控制0.5～5 A的輸出電流，在5～40 V電壓下達(dá)到了3%的檢測(cè)精度.該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)0.6 μm 5～40 V CMOS-雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(CDMOS)工藝流片驗(yàn)證，芯片測(cè)試結(jié)果表明電路工作良好，能滿(mǎn)足要求.

關(guān)鍵詞：高側(cè)電流檢測(cè)；高精度；LED驅(qū)動(dòng)

LED被稱(chēng)為第四代照明光源，其具有高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[1]，從而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)裝飾照明、交通信號(hào)燈、汽車(chē)照明，甚至園藝照明等領(lǐng)域[2-3].LED是一種半導(dǎo)體器件，其正向電流與正向電壓的關(guān)系遵循二極管的特性，很小的電壓變化就能引起很大的電流變化.因此，照明系統(tǒng)中LED驅(qū)動(dòng)方式多采用恒流方式，主要有：線(xiàn)性恒流型和開(kāi)關(guān)電源型[4].其中開(kāi)關(guān)電源型又包含降壓型、升壓型以及升降壓型.不論采用何種控制方式，都需要對(duì)流過(guò)LED的電流進(jìn)行精確檢測(cè).

在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，該電阻上會(huì)有一個(gè)壓降，通過(guò)放大這個(gè)電壓值，可以得到與線(xiàn)路中電流成比例的信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)線(xiàn)路中電流的目的.該檢測(cè)方式是目前使用最廣泛,也最靈活的方法[5]，它的限制在于功耗與測(cè)量精度之間的折中：考慮到功耗要求，檢測(cè)電壓應(yīng)盡可能?。欢ＷC足夠的檢測(cè)精度，則希望檢測(cè)壓足夠大，以便后續(xù)電路處理.但是，不同的應(yīng)用環(huán)境和檢測(cè)電阻的位置，給設(shè)計(jì)這種感測(cè)放大器帶來(lái)了困難，例如：如果感應(yīng)電阻串接在負(fù)載與地之間，所產(chǎn)生的電壓降可以使用一個(gè)普通的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為低側(cè)電流檢測(cè)，它的檢測(cè)電路為單端輸入，被測(cè)信號(hào)是檢測(cè)電阻上對(duì)地的壓降，因而來(lái)自地的干擾會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)精度，更大負(fù)載電流意味著更大的干擾；此外，這種結(jié)構(gòu)的檢測(cè)電阻容易被短路，從而導(dǎo)致無(wú)法正確感應(yīng)到線(xiàn)路中的電流，造成線(xiàn)路中電流持續(xù)增大而燒毀.

對(duì)于感應(yīng)電阻串接在電源及負(fù)載之間，其共模信號(hào)接近電源電壓,這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為高側(cè)電流檢測(cè).相比低側(cè)電流檢測(cè)電路，這種連接法能有效地避免地信號(hào)的干擾.文獻(xiàn)[6]介紹了一種寬范圍高側(cè)電流檢測(cè)電路，它采用雙極-互補(bǔ)金屬氧化物-雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(bipolar-CMOS-DMOS，BCD)工藝以及高壓三極管作為輸入級(jí).本文中提出的電路全部采用CMOS器件，在常用的CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)了5～40 V寬共模輸入，且具有較高的檢測(cè)精度.

1普通高側(cè)電流檢測(cè)放大器

對(duì)于普通電源(5 V)的低壓應(yīng)用，高側(cè)檢測(cè)放大器只需是一個(gè)共模信號(hào)接近電源的運(yùn)算放大器就可實(shí)現(xiàn)功能.當(dāng)電源電壓超過(guò)5 V時(shí)，則需要先通過(guò)電阻分壓來(lái)降低高邊檢測(cè)的共模電壓，讓其落入放大器允許的共模輸入信號(hào)范圍之內(nèi).

圖1　高側(cè)檢測(cè)電路Fig.1High-side current sense

如圖1所示的檢測(cè)電路中，被測(cè)信號(hào)先被電阻分壓，然后經(jīng)減法器電路得到差分信號(hào)，再被放大器OP2放大后輸出.CMOS運(yùn)算放大器的共模輸入電壓范圍一般不超過(guò)5 V，要實(shí)現(xiàn)輸入電壓5～40 V的工作范圍，分壓要取到它的1/8以下.

設(shè)Rsense上壓降為ΔV,則理論計(jì)算的輸出電壓為:

(1)

其中,β為電阻分壓之比,k為后一級(jí)放大倍數(shù)．圖中取β=1/10,k=250．

假設(shè)放大器OP1的輸入失調(diào)電壓為Vos,改寫(xiě)式(1)得實(shí)際輸出電壓:

(2)

由式(2)可知,放大器OP1的輸入失調(diào)電壓被無(wú)衰減地傳輸?shù)狡漭敵龆?同時(shí)被OP2放大．電路的檢測(cè)精度為:

(3)

可見(jiàn)放大器輸入失調(diào)電壓相當(dāng)于被放大了1/β倍．且β越小,電流檢測(cè)的誤差越大,這樣的檢測(cè)精度是不能滿(mǎn)足要求的．

2本文中采用的高側(cè)電流檢測(cè)電路

根據(jù)上述分析，前級(jí)分壓線(xiàn)路嚴(yán)重影響了檢測(cè)電路的精度.因此，本文中提出了一種直接放大被測(cè)信號(hào)的電路.不僅可以檢測(cè)共模電壓較高的信號(hào)，也有很高的檢測(cè)精度，如圖2所示.

Vcc接5 V，高壓N型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(NMOS)用作隔離高壓.VIN和SNS端分別接Rsense的兩端，若Rsense中有電流，則VIN和SNS Pin腳之間會(huì)有電壓差.通過(guò)M1～M4組成的環(huán)路，可使得A、B兩點(diǎn)電壓相等，則流過(guò)R1、R2的電流有差別.又M3、M4組成的電流鏡結(jié)構(gòu)使I1=I2，R1中多余的電流將從M5流走.設(shè)計(jì)R1=R2，流過(guò)R1、R2、R3的電流為

圖2　電流檢測(cè)電路Fig.2Current sense circuit

IR1=(VVIN-VA)/R1，

(4)

IR2=(VSNS-VB)/R2，

(5)

IR3=IR1-I1.

(6)

電路中M2與M3組成1∶ 1的電流鏡，故有IR2=I1=I2；又VA=VB,R1=R2，聯(lián)立式(4)～(6)可得

Vsense=IR3R3=[(VVIN-VA)/R1-

(VSNS-VB)/R1]×R3=R3/R1ΔV,

(7)

其中ΔV=VVIN-VSNS.

3誤差分析及仿真

上述電路中，輸出的誤差主要來(lái)源：1) 低壓MOS管M3、M4在版圖設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)失配造成電流I1與I2不嚴(yán)格相等，則誤差電流ΔI會(huì)全部流經(jīng)R3；2) 實(shí)際生產(chǎn)的高壓MOS管 M1、M2、M5的閾值電壓VT不完全相等造成的A、B兩點(diǎn)的電壓差ΔVAB；3)R1、R2、R3之間的失配，設(shè)不匹配系數(shù)為k，根據(jù)誤差來(lái)源，將式(7)改寫(xiě)為：

Vsense=IR3R3=

(VB-VA)]+ΔIR3，

(8)

(9)

誤差系數(shù):

(10)

式中，第1項(xiàng)是電阻匹配誤差，其值取決于版圖設(shè)計(jì)的好壞.采用長(zhǎng)度相等的方塊電阻，用電阻個(gè)數(shù)的比值來(lái)替代其阻值的比值進(jìn)行匹配，并在芯片版圖中做成交叉、中心對(duì)稱(chēng)的圖形，可以做到很高的匹配精度[7-8]；第2項(xiàng)是VT的不同造成的，主要受到制造工藝的影響，有一定的隨機(jī)性，只能通過(guò)參數(shù)微調(diào)技術(shù)[9](流片后，通過(guò)燒斷電路中預(yù)設(shè)的保險(xiǎn)絲來(lái)改變電路中的某些參數(shù)，通常是電阻的比例)等進(jìn)行技術(shù)修正，另外，增大檢測(cè)電壓ΔV的值對(duì)提高精度有好處；第3項(xiàng)也可以表示為ΔI/I3=(ΔI/I1)×(I1/I3)，可從兩方面采取措施減小誤差：1) 提高電流鏡的匹配精度ΔI/I1，引入共源共柵結(jié)構(gòu)(如圖3)，能將輸入電阻增大gmrds倍(gm是晶體管的跨導(dǎo)，rds是晶體管漏端看進(jìn)去的輸入阻抗)，從而將電流誤差縮小相同的倍數(shù)[10-11]；2) 增大I3，I3=ΔV/R1，由此可知，適當(dāng)減小R1或者增大檢測(cè)電壓ΔV都能提高精度.

圖3　共源共柵增大輸入電阻Fig.3cascode current mirror ensures high gain

完整的電流檢測(cè)電路及控制回路如圖4所示.當(dāng)功率管M1打開(kāi)時(shí)，電流經(jīng)檢測(cè)電阻Rsense、LED、電感及M1到地，且逐漸增大，檢測(cè)電阻上的壓降被放大為電壓Vsense，電流達(dá)到一定值時(shí)，Vsense超過(guò)基準(zhǔn)電壓Vref，滯回比較器翻轉(zhuǎn)，從而關(guān)斷功率管M1；此時(shí)，電感、肖特基二極管D1、檢測(cè)電阻和LED組成了電流回路.隨著電感的放電，回路中電流減小，Vsense電壓降低，直至低于滯回比較器的翻轉(zhuǎn)閾值，M1再次打開(kāi).如此循環(huán)，維持LED中電流恒定.

圖4　電流檢測(cè)整體電路Fig.4The whole circuit of current sense circuit

接入檢測(cè)電阻Rsense=1 Ω，對(duì)電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示.由圖5(a)和(b)可看出Vsense波形和VIN、SNS節(jié)點(diǎn)電壓之差的波形一致；由圖1(c)可知檢測(cè)電路輸出電壓Vsense與LED電流有很好的線(xiàn)性度.

圖5　電流檢測(cè)線(xiàn)路仿真波形Fig.5Simulation waveform of current sense

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本線(xiàn)路已應(yīng)用在一款降壓型LED驅(qū)動(dòng)芯片中，其版圖面積為0.038 mm2，僅占整體芯片的4%.

針對(duì)寬工作電壓(5～40 V)要求，本文中設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，在不同的輸入輸出電壓以及不同的輸出電流情況下，對(duì)流片后的芯片進(jìn)行了測(cè)試，圖6是檢測(cè)電阻Rsense=0.22 Ω，輸入12 V，輸出2個(gè)LED串聯(lián)時(shí)回路中的電流波形.LED中平均電流為897 mA，比設(shè)定值0.2/0.22=909 mA小了1.32%；滯回(電流紋波系數(shù))大小±11%，比設(shè)計(jì)值±10%稍大.表1則列出了不同輸入電壓及檢測(cè)電阻情況下測(cè)得的LED電流值，可知本文中設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能精確檢測(cè)及控制輸出電流.

圖6　檢測(cè)電阻0.22 Ω時(shí)電流波形Fig.6LED current waveform when Rsense=0.22 Ω

輸入電壓VIN/V檢測(cè)電阻Rsense/Ω實(shí)測(cè)輸出電流ILED/A目標(biāo)電流值Iout/A偏差/%50.400.4970.500-0.60120.220.8970.909-1.32240.012.0102.050-1.95360.053.9004.000-2.50400.044.8505.000-3.00

5結(jié)論

電流檢測(cè)電路是LED驅(qū)動(dòng)不可或缺的功能模塊，其性能直接影響驅(qū)動(dòng)芯片的精確性和可靠性.本研究提出的高側(cè)電流檢測(cè)電路輸入級(jí)采用CMOS器件，有著較好的工藝兼容性；利用電阻比值進(jìn)行匹配，提高了檢測(cè)精度.該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)流片驗(yàn)證安全可靠，且在5～40 V寬范圍輸入電壓、0.5～5 A輸出電流范圍下達(dá)到了3%的檢測(cè)精度，在大電流LED驅(qū)動(dòng)照明領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201511009

收稿日期：2015-11-09錄用日期：2016-03-08

*通信作者：yjfeng@xmu.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào):TN 431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438-0479(2016)04-0592-04

A High-side Current Sensing Circuit for High-brightness LED Drivers

LIU Yan， FENG Yongjian*，XIA Rongfei

(School of Aerospace Engineering,Xiamen University，Xiamen 361005,China)

Abstract:This paper proposes a high-side current sensing complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit which is applied to high-brightness LED drivers.By detecting the voltage drop of a sense resistor in series and applying hysteresis control strategies,it controls the on-off of the current loop and has achieved a 3% accuracy while the output current varies from 0.5-5 A at 5-40 V input voltage.The circuit has been implanted in 0.6 μm 5-40 V BCDMOS process,and the test shows that the circuit exhibits a satisfactory performance and can meet requirements.

Key words:high-side current sense;high accuracy;LED driver

引文格式：劉巖，馮勇建，夏榮菲.一種用于大電流LED驅(qū)動(dòng)的高側(cè)電流檢測(cè)電路[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(4)：592-595.

Citation：LIU Y， FENG Y J，XIA R F．A high-side current sensing circuit for high-brightness LED drivers[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：592-595．(in Chinese)