一種LED過(guò)溫調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種LED過(guò)溫調(diào)節(jié)電路，芯片內(nèi)部溫度達(dá)到過(guò)溫調(diào)節(jié)起始溫度時(shí)，進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)保護(hù)，功率管的關(guān)斷時(shí)間隨溫度上升而增大，從而降低功率管的平均電流，以達(dá)到降低芯片溫度的目的，過(guò)溫調(diào)節(jié)保護(hù)時(shí)LED電流也隨溫度升高而降低，因此看到LED亮度在過(guò)溫調(diào)節(jié)時(shí)隨溫度升高而變暗，取代了傳統(tǒng)帶遲滯的過(guò)溫保護(hù)交替進(jìn)入保護(hù)和工作狀態(tài)引起的燈閃爍現(xiàn)象。本電路設(shè)計(jì)采用CSMC 0.8um BCD工藝，用Hspice進(jìn)行仿真驗(yàn)證，過(guò)溫調(diào)節(jié)溫度從140℃到155℃。

關(guān)鍵詞：過(guò)溫保護(hù) LED 過(guò)溫調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間

中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0146-02

開(kāi)關(guān)電源芯片中，雖然相比于線性電源具有很高的效率，很低的功耗，但由于開(kāi)關(guān)功率管仍然有導(dǎo)通損耗，以及開(kāi)、關(guān)過(guò)程中功率管開(kāi)關(guān)損耗，特別是高頻時(shí)，還是會(huì)使芯片內(nèi)部溫度升高較大，隨著功耗的增加，芯片內(nèi)部的溫度也會(huì)變得很高，達(dá)到器件結(jié)溫時(shí)會(huì)使元器件失效[1]，且高溫時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，導(dǎo)致可靠性下降，因此除了降低芯片功耗外，芯片內(nèi)部通常采取過(guò)溫保護(hù)避免元器件永久性損壞或增加可靠性。

傳統(tǒng)LED過(guò)溫保護(hù)電路采用滯回溫度保護(hù)，在溫度達(dá)到過(guò)溫保護(hù)高閾值時(shí)，將功率管關(guān)斷，待溫度低于過(guò)溫保護(hù)低閾值電壓時(shí)解除保護(hù)狀態(tài)，繼續(xù)工作[2-3]，因此當(dāng)芯片過(guò)溫發(fā)生反復(fù)關(guān)斷會(huì)看到LED閃爍。目前市場(chǎng)上的LED照明產(chǎn)品多采用臨界導(dǎo)通模式控制恒流，通過(guò)檢測(cè)退磁結(jié)束來(lái)產(chǎn)生開(kāi)啟功率管的信號(hào)，一般采用PWM或PFM控制模式，本文設(shè)計(jì)的一種應(yīng)用于LED過(guò)溫調(diào)節(jié)電路以PWM控制模式為例。

1 過(guò)溫調(diào)節(jié)基本原理

本文設(shè)計(jì)的LED過(guò)溫調(diào)節(jié)電路屬于LED溫度保護(hù)功能，是當(dāng)溫度達(dá)到過(guò)溫調(diào)節(jié)溫度的起始溫度點(diǎn)Tst時(shí)，開(kāi)始對(duì)功率管平均電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度越高，功率管平均電流越小，以減少功率管發(fā)熱達(dá)到降低芯片溫度的目的，同時(shí)LED的平均電流也會(huì)越小，也有利于燈具內(nèi)部降溫，因此不會(huì)像傳統(tǒng)過(guò)溫保護(hù)關(guān)斷功率管，溫度低于過(guò)溫低閾值時(shí)退出過(guò)溫保護(hù)狀態(tài)重新工作，使LED發(fā)生閃爍，本文設(shè)計(jì)的LED過(guò)溫調(diào)節(jié)只會(huì)在過(guò)溫時(shí)LED亮度隨溫度升高而降低。如圖1（a）所示，為臨界導(dǎo)通模式下的電感電流，以BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，功率管在TON時(shí)間開(kāi)啟，產(chǎn)生熱量造成芯片溫度升高，功率管在退磁時(shí)間TD內(nèi)關(guān)斷，幾乎不產(chǎn)生熱量。過(guò)溫調(diào)節(jié)原理示意圖如圖1（b）所示，TOTR時(shí)間為過(guò)溫調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，即使退磁結(jié)束，仍然要等到經(jīng)過(guò)TOTR時(shí)間才將功率管開(kāi)啟，電感才繼續(xù)充電，相比之下過(guò)溫調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間更長(zhǎng)。溫度低于過(guò)溫調(diào)節(jié)起始溫度Tst時(shí)，一直有TOTR

因此過(guò)溫調(diào)節(jié)時(shí)燈電流為：

因此可以看出高溫時(shí)燈電流與過(guò)溫調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間TOTR成反比，工作時(shí)燈亮度隨著溫度升高而降低。

2 電路分析與設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的過(guò)溫調(diào)節(jié)電路先利用內(nèi)部電路對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，再通過(guò)內(nèi)部控制電路增加功率管每個(gè)周期的關(guān)斷時(shí)間來(lái)減少功率管發(fā)熱以保證芯片可靠性，同時(shí)也使LED平均電流下降。溫度越高，功率管每周期關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，LED平均電流越小。通過(guò)降低開(kāi)關(guān)功率管平均電流來(lái)減少發(fā)熱，同時(shí)看到的是燈亮度隨著溫度的升高而減弱。

根據(jù)上述要求，因此內(nèi)部電路主要分為兩個(gè)部分，一是對(duì)溫度的檢測(cè)，二是將檢測(cè)的溫度轉(zhuǎn)換為控制功率管關(guān)斷的時(shí)間，如圖2所示，我們選擇二極管電壓VBE來(lái)感應(yīng)溫度的變化，采用帶負(fù)反饋的放大器來(lái)將二極管正向?qū)妷鹤兓糯?，以電流形式輸出，輸出的電流在電阻上產(chǎn)生的壓降VOTR作為產(chǎn)生關(guān)斷功率管時(shí)間電路的比較閾值，利用比較器檢測(cè)恒定電流給電容充電電壓是否達(dá)到比較閾值VOTR，產(chǎn)生關(guān)斷功率管時(shí)間TOTR，即使退磁結(jié)束信號(hào)到來(lái)，也要等TOTR時(shí)間過(guò)后才會(huì)將功率管開(kāi)啟。

2.1 產(chǎn)生過(guò)溫調(diào)節(jié)比較閾值VOTR電路

過(guò)溫調(diào)節(jié)模塊中檢測(cè)溫度和利用溫度產(chǎn)生的比較閾值VOTR電路如圖3所示，低溫時(shí)VBE的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VPTAT上的電壓，但是VBE是負(fù)溫度系數(shù)，約為-2mV/℃，電路的偏置電流IPTAT為正溫度系數(shù)電流，雖然多晶硅電阻R1的溫度系數(shù)為負(fù)溫度系數(shù)，但由于其溫度系數(shù)的絕對(duì)值小于IPTAT電流的溫度系數(shù)，所以IPTAT電流流過(guò)R1電阻產(chǎn)生的電壓VPTAT為正溫度系數(shù)，因此在溫度升高到某一點(diǎn)時(shí)，VPTAT會(huì)等于VBE，開(kāi)始進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)狀態(tài)，之后隨著溫度的繼續(xù)增高，VPTAT會(huì)大于VBE，N3管的柵極電壓TCV會(huì)升高，N3管開(kāi)啟后，從P2抽取一路電流，因此流過(guò)R1電流減少，VPTAT有所下降，直到VPTAT電壓降到與VBE電壓相同，即進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)后，變?yōu)橐粋€(gè)帶反饋的跨導(dǎo)放大器。因此溫度越高，VBE電壓越低，且進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)后VPTAT電壓跟隨且等于VBE電壓，TCV直流電壓越高，N3管的電流越大，N4管按一定比例1：m鏡像N3管電流，然后通過(guò)P7和P8組成的電流鏡按一定比例1：n鏡像，P8的電流流過(guò)R2電阻產(chǎn)生電壓VOTR，所以，VOTR的電壓隨溫度上升而增大。圖3中EN為使能信號(hào)，EN=0時(shí)，P9管將P1管柵極拉到VDD，N5將N3和N4柵極拉到地，N6將TCV電壓拉到地，將此電路關(guān)斷。

從圖3中可以看出，當(dāng)電路進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)狀態(tài)后有：

正溫度系數(shù)電流IPTAT由基準(zhǔn)產(chǎn)生，通常為IPTAT=ΔVBE/R3，且R1、R2、R3匹配，且R2/R3=k1，R2/R1=k2，那么有：

其中h1=m*n*k1，h2=m*n*k2。VBE的溫度系數(shù)約為-1.5mV/℃，ΔVBE的溫度系數(shù)約為+0.087mV/℃[4]。實(shí)際上ΔVBE并非線性，但可認(rèn)為VOTR的溫度系數(shù)近似為線性，溫度系數(shù)為（0.087*h1+1.5*h2）mV/℃，其中h1=mn*k1，h2=mn*k2。那么VOTR的溫度系數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)m、n、R1、R2來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但通常情況下式調(diào)節(jié)m和n值以及R2，這是因?yàn)镽1電阻主要是用來(lái)設(shè)定VPTAT=VBE的起始溫度點(diǎn)，也就是過(guò)溫調(diào)節(jié)的起始溫度。

2.2 產(chǎn)生TOTR時(shí)間電路

考慮到TOTR的時(shí)間在高溫時(shí)比較長(zhǎng)，因此需要用到較大的電容，較小的充電電流。如圖4所示，采用零溫度系數(shù)電流IZCT通過(guò)電流鏡P0鏡像到P1，給電容C0充電，P2和N0為開(kāi)關(guān)管，EN信號(hào)為使能信號(hào)，EN=1時(shí)，N0柵極電壓為高，將電容C0上的電壓拉低；EN=0時(shí)，若開(kāi)關(guān)功率管導(dǎo)通時(shí)，即PGATE=1時(shí)，N0柵極電壓為高，將電容C0上的電壓拉低，PGATE=0時(shí)，P2柵極電壓為0，因此P2導(dǎo)通，N0管關(guān)斷，P1管電流通過(guò)開(kāi)關(guān)管P2給電容C0充電，C0電容電壓從0V開(kāi)始線性上升，達(dá)到VOTR電壓時(shí)，產(chǎn)生TOTR=1信號(hào)，因此TOTR時(shí)間為從開(kāi)關(guān)功率管關(guān)斷到TOTR=1信號(hào)產(chǎn)生，常溫時(shí)，TOTR時(shí)間小于芯片最小退磁時(shí)間TDMIN，因此也小于退磁時(shí)間TD，所以常溫時(shí)仍然是臨界導(dǎo)通模式，隨著溫度升高，達(dá)到過(guò)溫調(diào)節(jié)其實(shí)點(diǎn)Tst時(shí)，TOTR開(kāi)始慢慢變長(zhǎng)，若TOTR>TD，則進(jìn)入斷續(xù)模式，等到TOTR=1，才將開(kāi)關(guān)功率管開(kāi)啟，同時(shí)也進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)保護(hù)。對(duì)于不同的應(yīng)用TD不同，因此對(duì)于不同應(yīng)用，TOTR>TD的溫度也不同，因此觀察到的LED燈亮度降低的溫度稍有不同。為了使芯片工作更加可靠安全，增加了OTP保護(hù)作為一個(gè)過(guò)溫底線保護(hù)，即溫度到達(dá)155℃時(shí)關(guān)斷功率管，但有過(guò)溫調(diào)節(jié)保護(hù)，環(huán)境溫度不太高的時(shí)候通常不會(huì)達(dá)到過(guò)溫關(guān)斷溫度。

3 仿真結(jié)果

對(duì)于產(chǎn)生過(guò)溫調(diào)節(jié)比較閾值VOTR電路進(jìn)行直流仿真結(jié)果如下，依次為VPTAT&VBE、IN4電流，VOTR電壓和OTP信號(hào)隨溫度的仿真結(jié)果圖5所示。

從圖5中可以看出過(guò)溫調(diào)節(jié)溫度從140℃到155℃，且進(jìn)入過(guò)溫調(diào)節(jié)后VPTAT電壓跟隨且等于VBE電壓，且IN4電流和VOTR電壓皆隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度達(dá)到155℃時(shí)產(chǎn)生OTP=1過(guò)溫關(guān)斷信號(hào)，此時(shí)過(guò)溫關(guān)斷OTP信號(hào)作為過(guò)溫保護(hù)的“底線”。在過(guò)溫調(diào)節(jié)溫度140℃～154℃，對(duì)過(guò)溫調(diào)節(jié)電路進(jìn)行整體瞬態(tài)仿真，得到過(guò)溫調(diào)節(jié)時(shí)各溫度對(duì)應(yīng)的比較閾值電壓VOTR和過(guò)溫調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間TOTR，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，其中140℃為過(guò)溫調(diào)節(jié)的起始溫度點(diǎn)。

根據(jù)表1描繪過(guò)溫調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間TOTR時(shí)間隨溫度變化曲線如圖6所示，從圖6可見(jiàn)TOTR時(shí)間和高溫時(shí)的溫度基本成線性關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的一種LED過(guò)溫調(diào)節(jié)電路從140℃開(kāi)始進(jìn)行過(guò)溫調(diào)節(jié)，芯片結(jié)溫在140℃到155℃時(shí)，芯片過(guò)溫調(diào)節(jié)產(chǎn)生的TOTR時(shí)間隨溫度為線性關(guān)系，能有效降低功率管平均電流，保證芯片工作時(shí)的可靠性。取代傳統(tǒng)LED過(guò)溫時(shí)交替進(jìn)入過(guò)溫和工作狀態(tài)導(dǎo)致的LED閃爍，使芯片在過(guò)溫時(shí)燈電流降低，亮度變暗，不會(huì)發(fā)生閃爍。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒雪域，邵軻，鄭朝霞，陳松濤.開(kāi)關(guān)電源芯片中過(guò)溫保護(hù)技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006（7）：193.

[2]張慕輝，劉詩(shī)斌，馮勇.具有滯回功能的過(guò)溫保護(hù)電路[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（2）：94-95.

[3]劉明亮，明鑫，歐雪春，等.一種帶過(guò)溫保護(hù)和折返電流限的LDO設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2011（3）：411-415.

[4]陳貴燦，程軍，張瑞智，等譯.RAZAVI BEHZAD.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

收稿日期：2016-09-05

作者簡(jiǎn)介：岑晨（1985—），女，天津人，本科，畢業(yè)于江南大學(xué)，上海交通大學(xué)在職工程碩士，資深版圖工程師，研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。