《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
傅 敏,嵇保健,黃勝明,夏晨陽(yáng)
南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京211816
摘要: 設(shè)計(jì)了一款基于BUCK電路的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片,芯片集成了帶隙基準(zhǔn)源模塊、LDO模塊、偏置電流產(chǎn)生模塊、數(shù)字調(diào)光模塊、過(guò)溫保護(hù)模塊、邏輯控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等。對(duì)帶隙參考源、高壓LDO和過(guò)熱保護(hù)3個(gè)子模塊電路的設(shè)計(jì)做了重點(diǎn)研究,通過(guò)Cadence軟件對(duì)子電路和系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了模擬仿真和優(yōu)化,對(duì)整體電路的版圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,芯片面積為1 680 μm×1 210 μm。采用VIS公司的0.35 μm 40 V BCD工藝進(jìn)行了流片。測(cè)試結(jié)果表明,芯片基于控制導(dǎo)通時(shí)間的控制方式實(shí)現(xiàn)了高精度,且具有輸入電壓范圍廣、低電壓參考源和PWM調(diào)光等功能,驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)到1.5 A,且不用補(bǔ)償就能夠穩(wěn)定工作。
中圖分類號(hào): TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.009
中文引用格式: 傅敏,嵇保健,黃勝明,等. 新型大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(7):38-41.
英文引用格式: Fu Min,Ji Baojian,Huang Shengming,et al. Design of constant-current control chip for driving high-power LED[J].Application of Electronic Technique,2016,42(7):38-41.
Design of constant-current control chip for driving high-power LED
Fu Min,Ji Baojian,Huang Shengming,Xia Chenyang
College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing TECH University,Nanjing 211816,China
Abstract: An IC chip which is based on BUCK and driven by power LED constant current is designed, the chip is integrated by the bandgap reference module, LDO module, bias current generating module, digital dimming module, over temperature protection module, logic control module and driver module. This journal focus on the design of circuit in the band gap reference source module, high voltage LDO module and overheat protection module. The layout of the whole circuit is simulated and optimized by Cadence software. And the layout of the whole circuit is designed and verified, area of the chip is 1 680 μm×1 210 μm. The chip was also manufactured by 0.35 μm 40 V BCD technology of VIS company. The test results show that the chip realizes high-precision based on the mode to control conducting time. It has functions conclude a wide range of input voltage, low voltage reference source and PWM dimming, and the current which used to drive this chip is up to 1.5 A. Furthermore, it can work without compensation very well.
Key words : LED;on-time control;constant current driving;PWM dimming;modular circuit

0 引言

    LED憑借能源消耗低、發(fā)光效率高、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠等眾多優(yōu)勢(shì)在照明領(lǐng)域獲得一席之地,并有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì),同樣LED 照明產(chǎn)業(yè)也帶來(lái)了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此,LED照明的迅速普及也帶動(dòng)了LED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,使得LED驅(qū)動(dòng)芯片已成為電源管理電路市場(chǎng)的重要組成部分[1-5]。由于LED照明的光亮度與其導(dǎo)通電流的強(qiáng)度密切相關(guān),恒流驅(qū)動(dòng)是最理想的選擇,本文設(shè)計(jì)了一款輸入電壓范圍寬,輸入電流精度高,PWM數(shù)字調(diào)光,可驅(qū)動(dòng)大功率的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

1 芯片的總體設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1.1 芯片結(jié)構(gòu)及工作原理

    本款芯片是DC/DC降壓型LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片,其輸入電壓范圍寬,達(dá)到6 V至45 V,輸出正向電流最高可達(dá)1.5 A,可以滿足大部分直流應(yīng)用,能使流過(guò)不超過(guò)最高輸出電壓的串聯(lián)LED的電流穩(wěn)定。采用遲滯控制模式,利用Buck電路中電感電流的不可突變性,通過(guò)采樣電阻的反饋電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較,通過(guò)內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)控制輸出電壓導(dǎo)通關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)恒流的目的,對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。該芯片同時(shí)具有參考電壓低、瞬態(tài)響應(yīng)極快、數(shù)字(PWM)調(diào)光、UVLO欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)的特點(diǎn),主要包括帶隙基準(zhǔn)源(REF)模塊、LDO模塊、偏置電流產(chǎn)生模塊、數(shù)字調(diào)光模塊、過(guò)溫保護(hù)(TSD)模塊、邏輯控制(logical control)模塊、Driver模塊[6-7]。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

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    當(dāng)輸入電壓VIN接通后,電壓調(diào)節(jié)器高壓LDO開(kāi)始工作,為模擬控制電路部分提供5 V的電源VOUT。當(dāng)欠壓鎖存單元(UVLO)監(jiān)測(cè)到LDO的輸出達(dá)到4 V時(shí),會(huì)向偏置電路模塊、過(guò)熱保護(hù)電路模塊、邏輯控制電路模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊發(fā)出使能信號(hào)(EN),此時(shí)芯片整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作,內(nèi)置NLDMOS功率器件M1導(dǎo)通,電感L的電流開(kāi)始上升,由于采樣電阻RSNS上的電流等于電感L上的電流,該電流流過(guò)反饋電阻RSNS后,產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓VSNS,VSNS會(huì)通過(guò)Vfb引腳反饋到芯片內(nèi)部,而Vfb引腳內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由芯片內(nèi)部基準(zhǔn)產(chǎn)生的參考電壓Vref(本文設(shè)計(jì)芯片為200 mV),此時(shí)芯片中的比較器會(huì)將反饋電壓VSNS和參考電壓Vref進(jìn)行比較,如果反饋電壓VSNS低于參考電壓Vref,那么芯片會(huì)使內(nèi)部的NLDMOS導(dǎo)通,導(dǎo)通的時(shí)間TON是由與clt引腳相連的電阻RON和輸入電壓VIN所決定的。導(dǎo)通時(shí)間TON結(jié)束后,NLDMOS會(huì)關(guān)斷一個(gè)時(shí)間,我們把這個(gè)時(shí)間稱之為最小關(guān)斷時(shí)間TOFF-MIN(本文設(shè)計(jì)的芯片最小關(guān)斷時(shí)間為200 ns)。最小關(guān)斷時(shí)間TOFF-MIN結(jié)束以后,芯片對(duì)VSNS和參考電壓Vref進(jìn)行比較,如果VSNS小于Vref,M1導(dǎo)通,開(kāi)始下一次的循環(huán)工作,再次比較反饋電壓VSNS和參考電壓Vref之間的大小。另外,當(dāng)NLDMOS導(dǎo)通時(shí),如果外部元件如電阻RON和電感L的取值不恰當(dāng),例如電阻RON過(guò)大或者電感L過(guò)小,從而導(dǎo)致Vfb上的電壓降超過(guò)300 mV,此時(shí)連接在Vfb端的另外一個(gè)比較器的輸出信號(hào)狀態(tài)會(huì)翻轉(zhuǎn),強(qiáng)制NLDMOS關(guān)斷,芯片停止工作。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。

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1.2 芯片的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案

    上文對(duì)本款芯片做了整體的描述,并通過(guò)芯片的典型應(yīng)用圖對(duì)其工作原理做了具體分析,但是具體在研究分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)芯片的典型應(yīng)用方案對(duì)輸入電壓變化幅度要求較高,一般不超過(guò)±10%,如果輸入電壓變化幅度超過(guò)這個(gè)范圍,輸出電流精度誤差將顯著增加,所以在此芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路,并構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該電路解決了之前芯片典型應(yīng)用方案輸出電流隨輸入電壓變化的問(wèn)題,使得輸出電流精度誤差小于1%,從外部電路增強(qiáng)了該芯片的功能,從而也拓寬了其應(yīng)用范圍。新型LED驅(qū)動(dòng)方案如圖3所示。

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    比較圖2與圖3可以看出,圖3提出的新型驅(qū)動(dòng)方案的電路在VIN端口與Vjb端口分別添加了R1與R2電阻,其中R1為大電阻,設(shè)計(jì)阻值應(yīng)該較大,R2為小電阻,設(shè)計(jì)阻值應(yīng)該較小,下面就對(duì)這樣改進(jìn)的具體原理進(jìn)行分析。

    改進(jìn)前電路如圖2中反饋到Vfb端口的反饋電壓VCS1是由采樣電阻RSNS所決定的,滿足式(1):

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    式(6)中,VIN表示輸入電壓;ILED是流過(guò)LED的電流;VCS2是改進(jìn)后新型驅(qū)動(dòng)方案的反饋電壓。

    通過(guò)對(duì)整理分析后的反饋電壓VCS2的新表達(dá)式(6)進(jìn)行分析可以看出,當(dāng)輸入電壓VIN增加時(shí)反饋電壓VCS2也隨之增加,這將起著抵消輸出電流隨輸入電壓增加而增加的作用,所以只要大電阻R1與小電阻R2選取合適,通過(guò)分子上R2和分母上的R1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以看出輸出電流IF與輸入電壓VIN的關(guān)系就變得微乎其微,甚至可以忽略不計(jì)。這個(gè)新型LED驅(qū)動(dòng)方案就解決了芯片典型應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓變化幅度只能限制在±10%的問(wèn)題,使輸入電壓變化幅度可以達(dá)到±50%甚至更多,大幅度提升了該芯片的功能,進(jìn)一步拓寬了該芯片應(yīng)用范圍。

2 版圖布局與芯片仿真結(jié)果

2.1 整體版圖布局

    版圖設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),直接決定芯片的成本和性能。本文主要從引線布局和模塊布局來(lái)分析芯片整體布局設(shè)計(jì)。

2.1.1 管腳布局設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)芯片共有8個(gè)管腳,重要的管腳有輸入腳VIN、開(kāi)關(guān)腳SW、功率NLDMOS的驅(qū)動(dòng)模塊浮動(dòng)電源腳VCC以及接地腳VSS。在芯片應(yīng)用中電源腳VCC和開(kāi)關(guān)腳SW之間要連接一個(gè)電容,因此,把電源腳VCC的焊盤放置在靠近開(kāi)關(guān)腳SW的地方。此外芯片周圍都是接地線,對(duì)接地腳VSS焊盤放置的設(shè)計(jì)主要考慮到接地腳VSS需要靠近電壓參考源模塊,其他管腳焊盤的放置主要從節(jié)省芯片面積來(lái)考慮。

2.1.2 功能模塊布局設(shè)計(jì)

    功能模塊布局重點(diǎn)考慮模擬和數(shù)字信號(hào)干擾問(wèn)題、熱效應(yīng)和散熱問(wèn)題等。在布局上主要是把模擬電路部分放置在遠(yuǎn)離功率器件的地方以減少功率器件發(fā)熱對(duì)模擬電路的影響。數(shù)字控制模塊放在芯片的中部,功率器件驅(qū)動(dòng)模塊緊靠功率器件放置,功率器件放置在芯片的最上方[8-9]。

2.1.3 實(shí)際整體版圖設(shè)計(jì)

    根據(jù)上述的版圖布局設(shè)計(jì)考慮,對(duì)芯片版圖進(jìn)行整體布局和設(shè)計(jì)優(yōu)化,如圖4所示,最終版圖面積為1 680 μm×1 210 μm。在版圖設(shè)計(jì)好后,對(duì)版圖進(jìn)行了DRC和LVS檢查驗(yàn)證,并把GDS數(shù)據(jù)傳送到VIS進(jìn)行MPW流片制造。

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2.2 整體電路仿真結(jié)果

    總體電路應(yīng)用仿真連接圖如圖5所示。

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    在對(duì)控制芯片實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行模擬分析時(shí),為了更接近于實(shí)際情況,在芯片的每個(gè)管腳和相關(guān)的連接線上加入1 nH寄生電感和20 MΩ的寄生電阻。模擬中的參數(shù)選取如下:RON=100 kΩ,Cboot=10 nF,Cldo=220 nF,L=47 μH。電容CO是并聯(lián)在LED兩端的電容,電容CO的取值大小對(duì)LED電流紋波有影響,當(dāng)電容CO取較大值時(shí),LED上的電流紋波會(huì)比較小,但是會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)光有一定的影響,當(dāng)電容CO取較小值時(shí),有利于系統(tǒng)調(diào)光,但是LED上的電流紋波會(huì)輕微增大。

    圖6所示是輸入電壓、調(diào)光控制信號(hào)、以及電感電流和LED電流波形。隨PWM調(diào)光控制信號(hào)Vadj從邏輯“0”向邏輯“1”變化,電感L和LED上的電流也從0增加至其額定值,這樣可以看出,只要改變PWM調(diào)光控制信號(hào)Vadj的占空比,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。從圖6不難看出電感L和LED上的電流隨輸入電壓VIN增加有微小增加。為了解決這一問(wèn)題,在電路設(shè)計(jì)中提出了增加兩個(gè)電阻和一個(gè)高壓NLDMOS器件的改進(jìn)方案,如圖7所示,其中電阻R1=500 kΩ,R2=500 Ω。這樣,LED上的電流不再隨輸入電壓VIN的增加而增加。圖8得到的結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn):盡管電感L和LED上電流的紋波隨輸入電壓VIN的增加而稍微增加,但平均電流基本一致,不隨輸入電壓而變化。

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4 測(cè)試結(jié)果

    選取電阻R1=500 kΩ,R2=500 Ω,采樣電阻RSNS=0.3 Ω,電感L=10 μH,CO=220 nF,Ron=300 kΩ;負(fù)載為8個(gè)功率為1 W的LED燈珠串聯(lián)。

    測(cè)試結(jié)果如圖9所示,其中VIN代表輸入電壓,IF為輸出電流。從圖9可以清楚看出,當(dāng)輸入電壓從20 V逐漸增加到40 V時(shí),原芯片驅(qū)動(dòng)電路中輸出電流IF從756 mA增加到804 mA,變化幅度6.35%,對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,其驅(qū)動(dòng)電路中電流從699 mA下降到692 mA,變化幅度僅為0.86%,到達(dá)輸出電流基本不隨輸入電壓變化,從而使輸出電流的紋波非常小,解決了輸入電壓變化幅度只能在10%的問(wèn)題。

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    測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)輸入電壓變化一倍時(shí),輸出電流精度誤差小于1%,進(jìn)一步提高了輸出電流精度,進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的功能,擴(kuò)大了芯片的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種降壓型恒流LED驅(qū)動(dòng)芯片,其輸出電流精度極高,可低于1%。芯片采用控制導(dǎo)通時(shí)間的控制方式,并具有PWM調(diào)光功能。芯片內(nèi)部具有多種保護(hù)功能并對(duì)其重要模塊進(jìn)行了分析。針對(duì)其對(duì)輸入電壓紋波要求較高,對(duì)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),減小了輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出電流的影響,實(shí)現(xiàn)低紋波恒流驅(qū)動(dòng),具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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