電流檢測型四段式線性高壓恒流LED驅(qū)動芯片

徐福彬, 鄧紅輝, 易茂祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

電流檢測型四段式線性高壓恒流LED驅(qū)動芯片

徐福彬, 鄧紅輝, 易茂祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章基于CSMC 0.8 μm 700 V BCD工藝,采用檢測驅(qū)動電流的方式,設(shè)計了1款非隔離4段式線性高壓恒流發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)驅(qū)動芯片,即將4個700 V 雙重擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(double-diffused metal oxide semiconductor,DMOS)功率開關(guān)管集成在芯片內(nèi)部以實現(xiàn)分段點亮控制,在電壓上升和下降階段均能有效地完成對4段高壓LED的分段驅(qū)動。仿真結(jié)果表明,在70～120 Ω范圍內(nèi)調(diào)節(jié)片外限流電阻阻值可以實現(xiàn)驅(qū)動電流在29.5～44.5 mA范圍內(nèi)連續(xù)改變,以調(diào)節(jié)LED光照強度。

高壓發(fā)光二極管(LED);分段恒流驅(qū)動;電流檢測;可逆計數(shù)器;BCD工藝

發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)以其功耗低、發(fā)光效率高、使用壽命長、無污染等優(yōu)點,在照明、背光等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用,使LED驅(qū)動芯片成為電源管理芯片市場的重要組成部分。目前市場上流行的LED驅(qū)動方案可以分為低壓大電流和高壓小電流2大類,采用大電流驅(qū)動的方式會帶來散熱的問題,不合理的散熱設(shè)計將嚴(yán)重限制LED電源的壽命。此外,不論是隔離開關(guān)電源還是非隔離開關(guān)電源,都會由于使用了變壓器或大容量電解電容,導(dǎo)致占用空間大、外圍電路復(fù)雜、成本高以及受電解電容壽命限制的缺點。

非隔離線性高壓恒流電源通過在高壓LED串中串接有源或無源器件,讓LED串直接承受市電高壓,并使用類似低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator,LDO)技術(shù)以實現(xiàn)恒流驅(qū)動[1]。這種方案省去了大電容、大體積變壓器和高頻電感,加上超高壓BCD工藝的流行,已經(jīng)成為LED驅(qū)動電源發(fā)展的主流。目前市場上有很多分段高壓LED驅(qū)動的產(chǎn)品,但大多采用電壓采樣、檢測的控制方式,控制電路較為復(fù)雜,控制精度不高。

本文基于目前市場上被采用較多的4段式線性恒流驅(qū)動結(jié)構(gòu),采用對驅(qū)動電流進行檢測的方式,并對時序邏輯控制方式進行優(yōu)化,設(shè)計了1款4段式線性高壓恒流LED驅(qū)動芯片。整體芯片結(jié)構(gòu)簡單,控制方式新穎,外圍電路簡潔。

1 傳統(tǒng)電壓檢測型分段驅(qū)動方式

傳統(tǒng)的高壓LED驅(qū)動芯片是基于對輸入電壓波形進行檢測的,并與一系列預(yù)設(shè)閾值電壓進行比較,實現(xiàn)電流通路之間的切換,傳統(tǒng)電壓檢測型分段驅(qū)動控制方式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)電壓檢測型分段驅(qū)動控制方式

分壓電阻將VAC端輸入電壓VAC按比例縮小,與比較器組中的每個閾值電壓進行比較,通過MUX邏輯控制電路,選擇開啟與電壓區(qū)間相對應(yīng)的高壓開關(guān)管,點亮與之相對應(yīng)的某幾個高壓LED燈珠,實現(xiàn)分段驅(qū)動。因為LED是單向?qū)ㄆ骷?且其電流-電壓特性呈非線性,在正向?qū)〞r其電流大小對電壓的變化十分敏感,電壓的微小偏差便會導(dǎo)致電流的大幅度變化,所以采用采樣驅(qū)動電流的控制方式是較為理想的[2-4]。

2 芯片設(shè)計方案及關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1 芯片設(shè)計方案及工作原理描述

基于電流檢測的分段驅(qū)動電路如圖2所示。整體電路系統(tǒng)包括LDO[5]電源、700 V NLDMOS管[6]、電流檢測、電壓上升/下降檢測、時序控制邏輯、過壓保護模塊。將4段高壓LED燈珠串接在VAC和D1至D4之間,將220 V/50 Hz市電經(jīng)全波整流后的信號接至VAC端,芯片可以直接在高電壓下工作。

圖2 基于電流檢測的分段驅(qū)動電路

芯片在一個周期內(nèi)的工作過程如下:在VAC端電壓上升的過程中,初始時,4個開關(guān)管的柵端G1、G2、G3、G4保持上個周期結(jié)束時的高電平,即4個通路全部開啟;隨著電壓的上升,LED1最先導(dǎo)通亮起,M1通路電流逐漸增大直至飽和;VAC端電壓繼續(xù)上升,LED2導(dǎo)通,流過限流電阻Rs的電流開始增大,當(dāng)Rs上的壓降大于檢測電路的閾值時,邏輯控制電路將M1關(guān)斷,此時僅有M2通路有電流流過,并將逐漸增大直至飽和;對于之后的LED3和LED4以及M3和M4通路將按照同樣的方式進行切換,最終M4通路導(dǎo)通直至飽和,4段LED均被點亮,并一直持續(xù)到電壓下降階段。

與電壓上升階段類似,當(dāng)VAC由310 V降至0的過程中,M4通路在開始時處于飽和;隨著電壓下降,流過Rs的電流也開始減小,當(dāng)Rs上的壓降小于檢測電路的閾值時,邏輯控制電路將M3打開,開啟M3通路,而此時LED4由于其兩端電壓降不足而熄滅;之后會以同樣的方式逐次開啟前級通路,逐一熄滅靠近后面的高壓LED,直至4段LED全部熄滅。

2.2 恒流控制和電流檢測電路

分段恒流驅(qū)動的關(guān)鍵是要實現(xiàn)恒定電流的產(chǎn)生和分段控制。恒流控制和電流檢測電路如圖3所示。限流電路由芯片內(nèi)的功率開關(guān)管和片外限流電阻構(gòu)成;電流檢測電路由共源級電路、施密特觸發(fā)器、緩沖器和傳輸門選通開關(guān)構(gòu)成,電壓上升和下降階段各有1個,用于檢測時序切換閾值電流,并產(chǎn)生時序切換控制信號Cp。

M1、M2、M3、M4電流通路共用同一個片外限流電阻Rs實現(xiàn)恒流驅(qū)動,本文以M1、M2通路為例說明恒流控制及電流檢測電路的工作原理。

圖3 恒流控制和電流檢測電路

在電壓上升初始階段,G1和G2均為高電平,M1通路最先導(dǎo)通飽和,Rs為源極負反饋電阻,則此時M1通路電流ID1為:

(1)

其中，COX為MOS晶體管單位面積柵氧化物電容；μn為NMOS晶體管溝道電子遷移率；W為NMOS晶體管有效溝道寬度；L為NMOS晶體管有效溝道長度；VTH為NMOS晶體管閾值電壓。由(1)式解得:

(2)

(2)式即為恒流驅(qū)動電流值,則S點電壓VS1=ID1Rs。

當(dāng)電壓繼續(xù)上升,M2通路開始有電流流過且M2開關(guān)管處于線性區(qū)時,流過Rs的電流為2條支路電流之和,因此S點電壓逐漸增大。當(dāng)M2開關(guān)管也進入飽和區(qū)時,2條支路的電流達到相等,即

(3)

(4)

此時S點電壓達到最大值VS2=2ID1,2Rs。

因此,只需要將電流檢測電路的檢測電壓閾值設(shè)定為VS1與VS2之間的某個值,即可通過時序控制電路關(guān)斷M1通路。

下降階段類似,當(dāng)M2通路電流低于閾值電流時,直接開啟M1通路,LED2因兩端電壓降不足而熄滅。通過這種對驅(qū)動電流進行檢測的方式,電壓下降階段采用和上升階段相同的方法,解決了下降階段無法直接檢測電流的難題[7]。

電流檢測電路中采用了施密特觸發(fā)器,也就是1級特殊的反相器,通過器件參數(shù)的選取即可設(shè)定翻轉(zhuǎn)閾值電平,同時可使邏輯電平的轉(zhuǎn)換過程更為迅速[8]。

由(1)式可以看出,ID1隨著Rs的增大而減小,因此,改變限流電阻Rs阻值的大小就可以控制恒流值,從而調(diào)節(jié)LED的光照強度。

2.3 時序控制電路

LED串的分段驅(qū)動需要由時序控制電路來完成,單個周期內(nèi)的時序邏輯關(guān)系見表1所列。

表1 單周期內(nèi)時序邏輯關(guān)系

M4電流通路因為在整個工作過程中一直處于導(dǎo)通狀態(tài),所以由Vdd直接驅(qū)動。由2.1節(jié)可知,電壓下降階段是上升階段的相反過程,在邏輯控制上也是完全互逆的實現(xiàn)方式,因此,可以采用一個可逆計數(shù)器來實現(xiàn)該邏輯控制功能。如圖2所示,可逆計數(shù)器需要一個加/減使能信號Ctrl,當(dāng)Ctrl=1時,進行加計數(shù)；當(dāng)Ctrl=0時,進行減計數(shù),該信號由上升/下降檢測電路提供。計數(shù)器的觸發(fā)信號Cp由2.2節(jié)中的電流檢測電路提供,為高電平觸發(fā)。當(dāng)VAC處于下降階段且低于閾值Vrst時,會產(chǎn)生1個高電平的復(fù)位信號Reset,將計數(shù)器復(fù)位,G1、G2、G3、G4均被置為高電平。該復(fù)位信號有2個作用:① 芯片上電后,在VAC的第1個下降沿結(jié)束前對時序電路進行復(fù)位,使芯片進入正常工作過程;② 當(dāng)VAC出現(xiàn)大的波動時,可能會導(dǎo)致時序錯誤,為了避免該錯誤一直延續(xù)到后面的每個周期,使芯片無法正常工作,需要在每個周期結(jié)束時對時序進行復(fù)位,保證芯片正常工作。二進制轉(zhuǎn)溫度計碼電路將計數(shù)器的2位輸出轉(zhuǎn)換成溫度計碼,直接驅(qū)動M1、M2、M3開關(guān)管,實現(xiàn)電流通路的切換。

2.4 電壓上升/下降檢測電路

由上述時序邏輯關(guān)系可知,其中的可逆計數(shù)器需要一個加/減使能信號,實現(xiàn)在電壓上升階段進行加計數(shù),下降階段進行減計數(shù),因此需要對電壓波形進行檢測。上升/下降檢測電路[7]過程中,將VAC用2個比例電阻分壓得到Vin,使Vin的擺幅按比例縮小到3 V,之后利用遲滯比較器采樣Vin,并與預(yù)設(shè)好的2個固定參考電壓進行比較,從而實現(xiàn)將Vin電壓上升和下降的波形轉(zhuǎn)換成周期性的高低電平,上升時輸出高電平,下降時輸出低電平,作為時序控制電路的使能信號Ctrl,其電路如圖4所示。

(a) 遲滯比較電路 (b) 兩級運放

(5)

(6)

其中,VOH=7 V;VOL=0;R6=2R5;Vref設(shè)為0.45 V。對于其中的兩級運放,因為需要對很低的電平進行處理(2Vref/3僅有0.3 V),所以選用P型金屬氧化物半導(dǎo)體(positive channel metal oxide semiconductor,PMOS)管作為輸入對管,第2級為PMOS管作負載的共源放大級。

3 仿真結(jié)果與分析

基于CSMC 0.8 μm 700 V BCD工藝,利用Spectre軟件對整體電路進行瞬態(tài)仿真驗證。將220 V/50 Hz 的交流電經(jīng)過橋式整流后直接接到芯片VAC輸入端,Vref為7 V。M1、M2、M3、M4通路的電流波形如圖5所示,4段通路在一個周期內(nèi)先依次開啟再依次關(guān)斷,每段都能在開關(guān)管處于飽和區(qū)期間以恒定的電流驅(qū)動相對應(yīng)的高壓LED燈珠串,并且能夠精確地進行電流通路之間的切換。在電阻Rs為典型值93 Ω時,恒定電流值為36 mA。4段開關(guān)管的時序關(guān)系如圖6所示,與表1中所列情況完全一致。

圖5 D1、D2、D3、D4端電流波形

圖6 4段開關(guān)管的分段時序關(guān)系

片外限流電阻阻值的調(diào)節(jié)對驅(qū)動電流的影響如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)片外限流電阻的阻值在70～120 Ω范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時,驅(qū)動電流可以在44.5～29.5 mA范圍內(nèi)連續(xù)改變,表明芯片具有良好的調(diào)光能力。

圖7 Rs調(diào)節(jié)對驅(qū)動電流的影響

4 結(jié) 論

本文基于高壓BCD工藝,設(shè)計了一款基于對驅(qū)動電流進行檢測的4段式線性高壓恒流LED驅(qū)動芯片,采用可逆計數(shù)器有效地完成了上升和下降階段的分段驅(qū)動；控制電路結(jié)構(gòu)簡單，單個周期內(nèi)恒定電流穩(wěn)定,電流通路之間的切換精確；將限流電阻設(shè)置在芯片外部,通過對電阻值的控制實現(xiàn)對LED光照強度的調(diào)節(jié),可以滿足不同場合和應(yīng)用的需求。

[1] 魏秀秀,程增奇,李明峰.第五代線性高壓驅(qū)動技術(shù)基于DU1783無紋波頻閃較高PF線性高壓LED驅(qū)動方案[C]//中國LED照明論壇論文集.北京：中國照明學(xué)會，2014:120-124.

[2] CHEN N,CHUNG H S H.A driving technology for retrofit LED lamp for fluorescent lighting fixtures with electronic ballasts[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(2): 588-601.

[3] LOO K H,LAI Y M,CHI K T.Design and analysis of LCC resonant network for quasi-lossless current balancing in multi-string AC-LED array[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(2):1047-1059.

[4] HU Q,ZANE R.LED driver circuit with series-input-connected converter cells operating in continuous conduction mode[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(3): 574-582.

[5] 王曉娟,王煒,劉濤.LDO穩(wěn)壓器中動態(tài)頻率補償和限流保護的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,30(5):549-553.

[6] 向凡.一種700 V高壓LED驅(qū)動IC設(shè)計[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

[7] 詹建新.基于BCD工藝的高壓ACLED驅(qū)動芯片的研究與設(shè)[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

[8] 謝治中.大功率照明LED恒流驅(qū)動芯片的研制[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[9] ALLEN P E,HOLBERG D R.CMOS模擬集成電路設(shè)計[M].馮軍,李智群,譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社,2011:379-383.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

A four-segment linear high voltage constant current LED driver chip with current sensing

XU Fubin, DENG Honghui， YI Maoxiang

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Based on the CSMC 0.8 μm 700 V BCD process, a non-isolated four-segment linear high voltage constant current light emitting diode(LED) driver chip was designed by detecting the driving current. Four 700 V double-diffused metal oxide semiconductor(DMOS) power transistors were integrated in the chip to realize the subsection lighting control. It could effectively complete the subsection control of the four-segment high voltage LED during either rise or fall of the voltage. Simulation result shows that the chip’s driving current can be adjusted continuously within 29.5-44.5 mA by changing the value of the current limiting resistor in the range of 70-120 Ω, and then the illumination intensity of the LED can be regulated.

high voltage light emitting diode(LED); segmented constant current driving; current sensing; reversible counter; BCD process

2015-12-29；

2016-01-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(61371025);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014HGCH0010)

徐福彬(1989-),男,安徽壽縣人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 易茂祥(1964-),男,安徽廣德人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.014

TN432；TN312.8

A

1003-5060(2017)08-1077-05