基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究图文精.docx
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基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究图文精
第42卷第12期2008年12月
电力电子技术
PowerElectronics
V01.42No.12
December,2008
基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究
谢治中,丁扣宝,何杞鑫
(浙江大学,微电子与光电子研究所,浙江杭州310027)
摘要:
研究了采用高边电流检测方案的大功率LED恒流驱动芯片。
基于25
V,1.5txm
BCD工艺,运用Cadence的SpectreS
工具对电路进行了仿真。
结果表明,LED驱动电流为滞环变化的三角波,在8~23V输入电压范围内,:
芯片输出驱动电流变化小于4%。
芯片的实测数据与仿真结果基本二致,实现了恒流驱动大功率LED的功能。
关键词:
发光二极管;驱动/高边电流检测
中图分类号:
TN312
文献标识码:
A
文章编号:
1000—100X(2008)12—0008—02
Study
on
the
HighPowerLEDDriverwithHighSideCurrentSenseTopology
XIEZhi—zhong,DINGKou—bao,HE
Qi—xin
310027,China)
on
(InstituteofMicroelectronics&Photoelectronics,Zhejiang
Abstract:
ThehighpowerLEDdriverusinghighside
current
sense
University,Hangzhou
topologyis
studied.Basedthe25V1.5umBCD
LEDdrivingcurrentishysteresis,andtheoutputdriving
process,thesimulationbyusingCadenceSpectreSshowsthatthe
current
can
becontrolledwithintherangeof
constant
4%whenthepowersupplychangesfrom8-23V.Theexptimentalresults
achieved.
a-
greewiththesinmlation,andthedrivingfunctionis
current
Keywords:
lightemittingdiode:
driver/highside
Foundation
sense
Project:
Suppoaed
byKey
Projects
inScience
TechnologyDepartmentofZhejiangProvince(No.2006C11007)
1
引言
降低,当U岱小于设定的阈值时,芯片电流检测电路使开关关闭。
一旦开关关闭,由于i:
,不能突变,电感两端电压/2,。
反向,VD导通,形成由VD,LED和£组成的回路。
此时L释放开关导通时储存的能量,i,.减小,M圆升高,当M岱高于设定阈值时,电流检测电路
在相同工作电流下.LED的正向导通压降因受工艺离散性的影响而呈现出一定的差异…,所以恒流驱动是白光LED的最佳选择。
在LED恒流驱动芯片的控制模式中,线性控制模式效率低、过载能力差.其应用受到一定限制;开关控制模式效率高、应用灵活.受到了广泛关注:
目前主流的峰值电流检测PWM模式,存在平均电流和峰值电流不一致的缺点:
而最近出现的滞环电流控制模式[:
_3】中.LED的
使开关导通,完成一个周期的动作,从而获得恒定的
平均驱动电流。
电压调整器为芯片内部各模块提供工作电压:
带隙基准源为电流检测和欠压保护提供参考电压:
欠压保护模块用来防止芯片在低电源电压下工作;输出驱动模块驱动其后的功率开关管。
平均驱动电流值由内设的阈值k和k。
决定,不存
在类似于峰值电流控制模式的反馈回路,具有自稳定性、动态响应迅速等优点,但同时由于将电流检测电阻R。
接在开关源极与地之间,故存在衬偏效应。
将R。
接在输入电源与LED之间,设计一种新的LED恒流驱动电路.通过对流过LED的驱动电流进行高边电流检测.全周期地检测和控制电感电流的大小,从而获得恒定的平均电流。
由于功率开关管源极接地,不存在衬偏效应,因此可以获得较大的过驱动电压.降低了开关导通电阻。
图1芯片整体框图及外围降压式LED恒流驱动应用电路
2.1滞环电流控制电路
滞环电流控制电路是芯片的核心,它设定了平
2电路原理及设计
图l示出芯片结构及应用电路。
当开关导通时,
均LED驱动电流值,I皿和驱动电流的滞环范围,通过比较M岱与内建参考电压%来控制功率开关管
的导遥与关闭,实现对LED驱动电流;呦的滞环控制,其电路如图2所示。
要检测电源电压U。
的大小,
续流二极管VD截止…R
LED,L和开关管形成从电
源到地的通路,此时电感电流五增大,检测电压U。
葛
基金项目:
浙江省科技厅重大科技专项重点项目资助
(2006C11007)
定稿日期:
2008—09—26
电路必须具有可达到24V的宽共模输入电压范围。
由于为对称电流镜结构,vP2与VP。
的源极电压相
等,故电路可检测的最高U。
由VP:
的漏源击穿电压
作者简介:
谢治中(1983一),男,重庆人,硕士研究生,研究方
向为电源管理和功率集成电路、功率器件设计。
决定。
忽略电阻压降,其上限为‰。
+u蹦+u魄,采用
25V
BCD工艺,24V的输入电压易于实现。
VN,防
8方数据万
基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究
止高压对下面普通MOS管电流镜的影响。
47斗H;电源电压12V,接2个串联的LED灯;V。
端
比较器
≯毪型:
;N,
l也耐喙到‰,弩蒂镐霹
块
…牛}骶二嵩v泸
图2滞环电流控制电路框图
接1“F滤波电容。
图3a示出i∽的波形。
它是滞环变化的三角波,在380~322mA之间变化,厶皿-351mA,略大于设定的350mA。
i皿变化的峰峰值为58mA,大于设定值35mA。
这是因为系统存在相对固定的延时丁,使得实际的电流峰值和谷值分别为:
模
k’=五。
+r珊粤,k。
’=kn_‰粤
V
U0
UL
(6)
运算放大器将A点电位箝制于参考电压1.2
式中:
厶。
,‘。
为设定的峰值、谷值电流;"Tog为从驱动电流大于设定值到功率开关关闭的系统延时;丁。
为从驱动电流小于设定值到功率开关导通的系统延时;diffdt为电感电流变化率。
(带隙基准电压)。
忽略VQ,,VQ:
基极电流影响,假设玑开始为高电平,则VN:
导通,曰点电压为:
%=Un.二尝壹尺1
压3
(1)
图3b示出不同U。
下的i岫波形。
开关导通时,i。
上升速率随弘。
的增大而增大,使误差电流%adiffdt增大,也即iLED的峰值增大;开关关闭时,整个回路的电压约等于负载LED上的压降,diddt几乎不变,也即以。
。
的谷值不变。
390380<370
当U,为低电平时,VN:
截止,B点电压升高为:
‰=““。
焉惫尺,
滞环电压为:
(2)
所以玑由高电平变为低电平时,在B点产生的
△晤吣%=一器%
(3)
乓360
i3
50・。
340
330320
该滞环电压与输入电压无关,通过选择各电阻的阻值即可设定滞环电压的大小。
2.2功率开关版图设计
功率开关管采用LDMOS结构,LDMOS器件在沟道和漏间增加了一个轻掺杂漂移区.由于漂移区
 ̄V淤N
t/p.s
,m5
(a)LED驱动电流
(b)不同电源电压H。
ED驱动电流
的杂质浓度低于P阱杂质浓度,所以当漏源电压氏
增加时,耗尽区主要向低浓度的漂移区扩展,只要选取合适的漂移区长度和电阻率及P型沟道区电阻
(c
£‰/V
J平均l。
ED驱动电流垮电源电压
率,雪崩击穿电压就可以做得较高。
LDMOS功率管由许多元胞组成,每个元胞相当于一个小MOS管,元胞数量越多,电流驱动能力越强,导通电阻越小。
图3驱动电流仿真结果
图3c示出以。
变化时平均LED驱动电流k的
变化情况。
在8~23V输入电压范围内,芯片输出驱动电流变化小于4%。
随着U。
的升高,误差电流z珊diffdt逐渐增大,厶皿缓慢变大。
串联4个LED负载时的平均电流小于串联2个LED负载时的平均电流.这是因为4个LED负载的导通压降比2个LED负载的导通压降约大6.4V.使前者的%adiffdt小于后者,而%.diffdt又大于后者,导致前者的平均电流小于后者。
4
3芯片整体的仿真
3.1照明LED等效电路
LED的伏安特性满足PN结电流电压关系,即:
仁,01exp(篇)一l
(4)
式中:
n为理想因子;厶为反向饱和电流;K为玻尔兹曼常数。
由于指数关系不适合用等效电路来描述,因此,将工作于额定电流附近的照明LED电流电压关系线性近似为:
(5)
式中:
巩为LED开启电压,%一3V;r为额定电流工作区的
等效电阻,r一1.143Q;T为绝对温度;TC为假设白光LED在恒流工作下的温度特性,TC=一2
mV/K。
LED驱动恒流特性的测试
芯片基于25V,1.5¨mBCD工艺流片,测试在
皓%+r,+化(T-300)
常温25~30℃下进行,电源电压为12V,负载为串联的2个1W照明LED灯。
4.1关键点波形的测试
因示波器不能直接显示电流波形.为验证滞环
3.2整体电路功能的仿真
基于25V,1.5斗m的BCD工艺,运用Cadeace
的SpectreS工具对图1电路进行仿真。
平均驱动电流的大小通过选取不同的尺;来实现。
仿真条件:
常温(27℃左右),R。
=0.571Q,即设定tL皿=350
mA;£=
变化的驱动电流波形,可测试图1中u岱。
由前面分
析知u心应为三角波,在最大值和最小值之间滞环变化。
另外,功率开关管漏极电压USW波形反应了开关的导通与关闭情况,当开关打开时.其漏(下转第7页)
9
万方数据
超结器件
[15】LeoLorenz.CoolMOS—ANewApproachTowardandIdeal・[19】N
Cezac,FMorancho,PTossel,HTrandue,A
Peyre—Lavi—
izedPower
Switch[C].Proc.EPE’99
ofof
Conf.,1999.
ofCB
gne.ANewGenerationofPowerUnipolarDevicestheCon—
cept
[16】CHEN
1-6.
Xingbi.Theory
theSwitchingResponse
ofthe
FLoating
IslandsMOS
Transistor(FLIMOST)
MOST[J].ChineseJournal
Electronics,Jan.2001,10(1):
[A】.ISPSD’2000[C1.France,2000:
69—72.[20】X
BChen,X
Wang,JKOSin.ANovelHigh—voltageSus—
with
OppositelyDoped
f17】陈星弼.zL01141993,一种制造含有复合缓冲层半导体
器件的方法[P】.2004;Xingbi
ingSemiconductorDeviceUS7192872B2.2007.
Chen.MethodofManufactur—
tainingStructureTrans.on
Regions【J】.IEEE
E.D.Jan.2000,47(6):
1280—1285.
havingCompositeBufferLayer.
作者简介:
陈星弼,中国科学院院士,电子科技大学微电子
科学与工程系教授。
出生于上海,浙江省浦江县人。
他从80年代初期开始坚持了现代电力电子器件及功率集成电路的研究方向。
他作为第一作者或唯一作者出版了书7本、论文百余篇、已批准的美国发明专利11项中国发明专利8项。
2002年被评为信息产业部三项重大发明之一的发明人,2005年被评为四川省十大发明人之一。
他是中国电子学会会士,美国IEEE高级会员,现任半导体学报编委,电子学报编委,中国电子学会半导体与集成技术委员会委员。
withOp-
【18】陈星弼.zL
931
15356,具有异型掺杂岛的半导体耐压层
Sustaining
Layer
[P】,1997;XingbiChen.Voltage
posite—DopedIslandsfor6635906voltage
semiconductorPowerDevices,US
Chen,Semiconductor
B2,2005;Xingbi
7227
High—
B1,2003;XingbiDevices,US
6936867Chen.
B2,
Semiconductor
High.voltageDevices,US
197
2007;Xingbi
Chen.SemiconductorHigh—voltageDevices,
Appl.No.1i/365,223,2006.
(上接第9页)极接地,Usw=O;当开关关闭时,M卿一Um。
图4a示出测试电压波形。
由图可知,M岱为三角波,在某一最大值和最小值之间滞环变化;ttsw为方波,其高电平与低电平差约为12V。
测试结果表明该驱动芯片能实现对LED驱动电流的滞环控制。
;.,“(ts;!
。
驱动芯片的恒流特性良好。
以驱动串联的2个
LED为例,当巩=8V时,b=313mA;当U。
=16V时,‰达到最大值317mA,这一阶段k随U。
的
升高而增大,增大值4mA小于图4a的仿真结果。
当
巩>16V时,‰开始缓慢减小。
这可能是由于滞环
电流控制电路中反馈环路的稳定性随着电流的增大
而变差。
故使得设定的平均电流值减小。
随负载LED灯个数的增加,,皿减小,符合图4a的仿真结果。
测试时取Rs--0.5Q.即设定ILED=200
mV/0.512=400
秽x;麓、;;矽?
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:
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“。
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Uin=12V,;
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}
t/(、4
酽令≯./辫j压≯/,
酗#24V
f
mA,而
实测的厶功一320mA,这主要是由工艺误差引起的。
us/格)t/(、2ps/格)
【b)不同电源电压F的“cs纹波
、
fa)cs端和sw端电压波形
5结论
BCD
图4
ua和“。
的测试结果
研究了采用高边电流检测方案的滞环电流控制
大功率LED恒流驱动芯片。
基于25V,1.5肛m
图4b示出不同U。
下u岱的纹波波形。
可见,当以。
,分别为12
V,16V,24
V时,//,岱的纹波分别为
工艺的仿真结果表明,LED驱动电流为滞环变化的
三角波.在380~322mA之间变化,平均驱动电流为
351
148mV.162mV,204mV。
表明随着“。
的升高,驱动电流的峰峰值增大.在趋势上与仿真结果符合。
4.2
mA.略大于设定的350mA。
在8~23V输入电压
电源调整率和负载调整率的测试结果
范围内,芯片输出驱动电流变化小于4%。
芯片实测
电源调整率是指b随乩的变化,其测试方法
为:
在常温下,以2V为间隔逐渐升高电源电压,测
数据与仿真结果一致,芯片功能基本正常.能以滞环
电流控制方式对LED进行恒流驱动。
芯片耐压可达24V。
通过调节检测电阻的值.能输出300mA以上的电流驱动多只串联的照明大功率LED。
试k的大小;负载调整率是指k随负载LED个
数的变化。
其测试方法为:
在常温下,给定巩,分别
测试驱动1个、2个、3个LED时k的大小。
表1给出了电源调整率和负载调整率的测试结
果。
其中驱动2个LED时的启动电压为7.4V,驱动3个LED时的启动电压为10.5V。
表1驱动电路的电源调整率和负载调整率(常温)
参考文献
【1】Maxim
Integrated
Products.Why
DriveWhiteLEDswith
Constant
Current【DB/OL].http:
llwww.maxim-ic.com/app—
Con-
notes.cfm/an_pk/3256,2004.
刚环面舞瓮丽面州雨面舞篙而万
68101214
2526262626
【2]RonatOdile.Green
trol
to
Peter.RagonaScott.AccurateCurrent
DriveHighPowerLED
Strings[A].Proceedings
ofIEEE
一mmⅢm
373736
333
AppliedPowerElectronicsConferenceandExposi—tion[C].
2006:
376—380.
二五姘
363
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7
M螺加丝斟药笱M拐扒
35
onsemi.com/site/Fldf/ET2006_PETl3一Ball.pdf,2006.
万方数据
基于高边电流检测的大功率LED驱动芯片研究
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期:
被引用次数:
谢治中,丁扣宝,何杞鑫,XIEZhi-zhong,DINGKou-bao,HEQi-xin浙江大学,微电子与光电子研究所,浙江,杭州,310027电力电子技术
POWERELECTRONICS2008,42(120次
参考文献(3条
1.MaximIntegratedProducts.WhyDriveWhiteLEDswithConstantCurrent2004
2.RonatOdile.GreenPeter.RagonaScottAccurateCurrentControltoDriveHighPowerLEDStrings20063.AlanBallANovelHystereticControlCircuit2006
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授权使用:
河北科技大学(hbkjdx,授权号:
7050cba8-c2d5-4096-8c5b-9e8f0137803c
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2011年2月19日
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