《電子技術應用》
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一款應用于LED驅(qū)動的過溫保護電路
2017年電子技術應用第6期
崔晶晶,曾以成,夏俊雅
湘潭大學 微電子科學與工程系,湖南 湘潭411105
摘要: 設計了一款電壓隨溫度自適應變化,從而使驅(qū)動電流隨溫度自適應變化的過溫保護電路。應用于LED驅(qū)動電路,具有滯回關斷的特點,在恒流輸出中增加溫度自適應模塊,設計簡單而且比較穩(wěn)定?;?.5 μm CMOS工藝,使用Cadence Spectre對電路進行仿真。仿真結(jié)果表明,基準電壓精度高,溫漂低,溫度系數(shù)為1.6×10-5/℃;LED電路在0~65 ℃,恒定輸出350 mA,輸出變化范圍小于0.285%;在65~108 ℃范圍內(nèi)變化時,電流輸出自適應范圍為85 mA;在溫度達到110 ℃時,關斷信號為高電平,電路關斷輸出,直到溫度下降到60 ℃時,電路重新開啟。
中圖分類號: TN432
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.010
中文引用格式: 崔晶晶,曾以成,夏俊雅. 一款應用于LED驅(qū)動的過溫保護電路[J].電子技術應用,2017,43(6):41-44.
英文引用格式: Cui Jingjing,Zeng Yicheng,Xia Junya. Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):41-44.
Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver
Cui Jingjing,Zeng Yicheng,Xia Junya
Department of Microelectronics Science and Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China
Abstract: An overtemperature protection circuit is designed whose driving current changes with the voltage of temperature self-adaptive changes. Circuit has the characteristic of hysteresis thermal-shutdown and adds the temperature self-adaptive in the constant-current output. Circuit is simple and stable relatively.Based on 0.5 μm standard CMOS technology,the circuit is simulated by Cadence Spectre. The result shows that the reference voltage with high precision,low temperature drift,and temperature coefficient is 1.6×10-5/℃. The LED driver circuit current outputs 350 mA in 0~65 ℃ and its changeable range is under 0.285%. The variation range of temperature self-adaptive current is 85 mA when the temperature changes from 65 ℃ to 108 ℃. The signal for hysteresis thermal-shutdown would be high level and the output circuit would turn off when the temperature rises up to 110 ℃. The circuit wouldn′t restart until the temperature down to 60 ℃.
Key words : constant current output;temperature self adaptive;hysteresis thermal shutdown;LED driver;over temperature protection

0 引言

    LED是半導體發(fā)光二極管,作為發(fā)光源光效高、耗電少、壽命長、環(huán)保,是新一代綠色節(jié)能光源,因而被廣泛推廣使用[1]。LED的正常工作需要合適的驅(qū)動電源,目前LED的缺陷往往是驅(qū)動電源的壽命不夠長,原因基本上是驅(qū)動芯片過熱導致其受損。雖然高質(zhì)量的驅(qū)動電路要全面考慮各種保護措施及其有效性,但過溫保護是最基本的。過溫保護LED驅(qū)動電路主要有以下幾種:(1)過溫即關斷的方式[2],電路頻繁關斷導通,容易發(fā)生熱振蕩,如LED用于道路照明,易引發(fā)事故;(2)滯回關斷過溫保護的LED驅(qū)動電路[3-4],這種方案設計的電路沒有溫度自適應模塊,容易使溫度持續(xù)升高,影響電路工作壽命;(3)帶自適應的過溫保護電路[5-6],這種電路比較適合照明,但是該電路沒有過溫滯回關斷電路,若有不可控因素使溫度過高,則不能保護電路;(4)文獻[7]設計的電路比較新穎,能夠有效避免上述3種傳統(tǒng)電路的缺點,但是其自適應調(diào)控電路設計較為復雜,而且PTAT電流電路的M7、M8管兩端源極電壓在實際應用中由于晶體管之間的不匹配,并不能保持理想的等式。

    基于以上分析,設計一款應用于LED驅(qū)動的新型溫度自適應滯回關斷過溫保護電路,電路在恒流輸出中增加溫度自適應模塊,抑制溫升,防止溫度過高,即使有不可控因素使溫度過高,亦能保護電路,防止電路發(fā)生熱振蕩,電路設計相對簡單,而且穩(wěn)定可靠。

1 LED驅(qū)動電路設計及原理分析

1.1 LED驅(qū)動電路設計

    LED驅(qū)動電路如圖1所示。正常溫度時,電路恒流輸出;當溫度升高到溫度調(diào)控點時,自適應調(diào)控電路發(fā)揮作用,LED驅(qū)動電流隨著自適應電壓的減少而減少,從而減少功率,熱量產(chǎn)生減緩,達到溫度負反饋的效果;當不可控因素使得溫度過高,即達到預設的過溫點時,電路立即關斷,保護電路。恒流輸出中增加溫度自適應模塊,有效抑制溫升,采用電流鏡輸出,提高驅(qū)動效率。

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    過溫保護電路如圖2所示,LED驅(qū)動電路中Vad、Vthermal即為過溫保護電路中的溫度自適應調(diào)控模塊和滯回關斷模塊。

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1.2 原理

    利用自適應電壓和R7確定溫度自適應電流Iad,通過調(diào)節(jié)M27、M28的寬長比,進而調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流ILED。根據(jù)運放的鉗位作用,V+和V-相等,那么自適應電流為:

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    關斷機制模塊產(chǎn)生的Vthermal電壓接在M25的柵極,控制LED驅(qū)動電路的通斷。

    在溫度小于自適應調(diào)控溫度時,自適應調(diào)控電壓等于基準電壓,電流恒定輸出為350 mA;當溫度大于自適應調(diào)控溫度小于過溫保護溫度時,自適應調(diào)控電壓小于基準電壓,溫度自適應調(diào)控模塊發(fā)揮作用,電流逐漸減小的同時抑制溫升;當溫度達到過溫保護點時,M25導通,M26柵壓拉低,M26關斷,LED電路不工作,從而達到保護LED燈的作用;當溫度降回到溫度滯回點時,電路重新開啟。

2 過溫保護電路各模塊設計

    過溫保護電路各模塊電路圖如圖2所示,主要包括以下幾個部分:PTAT電流源及電壓基準電路、電壓隨溫度自適應調(diào)控電路、溫度判決及滯回關斷電路。

2.1 電壓基準電路及PTAT電流源

    圖2中,由M0~M7、R0~R2、Q0構(gòu)成PTAT電流源及電壓基準電路模塊。MOS管M0~M5的電路結(jié)構(gòu)形成了Va→Vb→Vc→Va負反饋環(huán)路,從而提高PSRR,減小電源電壓變化對電流源的影響。

    由于M5和M1工作在亞閾值區(qū),M5與M1的寬長比之比為K,根據(jù)亞閾值區(qū)MOS管源漏極電流表達式可以推導出:

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2.2 電壓隨溫度自適應調(diào)控電路

    電壓隨溫度自適應電路由圖2中鏡像基準電壓、M9、M10、R4、R5組成。M9與M0構(gòu)成電流鏡,M9與M0的寬長比之比為r,其M9漏極電流大小為:

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    由式(5)可知VR4為PTAT電壓。當VR4沒有達到M10閾值電壓時,M10不導通,其電阻視為無窮大,Vad=Vref;當VR4達到M10閾值電壓時,M10開始導通,此時Vad=Vref-VR5,又VR4為M10的柵極電壓,則ID10為PTAT電流,使Vad為CTAT電壓,是隨溫度逐漸減小的電壓,利用自適應電路降低功率,抑制溫升,從而保護電路。

2.3 溫度判決及滯回關斷過溫保護電路

    溫度判決及滯回關斷模塊電路如圖2中所示,通過PTAT電壓與基準電壓Vref相比較,輸出經(jīng)過三級反相器得到Vthermal,輸出端接在M12的柵極。由Vthermal控制M12的工作,當有不可控因素使得溫度過高時,M12導通,只有當溫度降回到比過熱溫度還低的情況下電路才能重新開始工作,從而產(chǎn)生滯回關斷的作用,避免產(chǎn)生熱振蕩的現(xiàn)象。利用MOS管M11、M12實現(xiàn)溫度滯回特性,通過調(diào)節(jié)M11的寬長比可以調(diào)節(jié)溫度滯回區(qū)間大小。

    當溫度達到過溫關斷點時有關系式:

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    當溫度降到滯回點時有關系式:

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其中n6、n7、n11分別為M6、M7、M11與M0的寬長比之比。

    由式(7)、式(9)可得溫度滯回區(qū)間大小即為ΔT=TH-TL

3 仿真與結(jié)果分析

    電路基于CSMC 0.5 μm工藝,在標準芯片驅(qū)動電壓VDD=5 V,LED供電電壓VCC=10 V的情況下,利用Cadence Spectre對設計電路進行仿真驗證。

    圖3所示為Vref基準電壓隨溫度變化的特性曲線,從圖中曲線可以看出,當溫度從0 ℃變化到120 ℃,基準電壓保持恒定輸出為1.25 V,溫度系數(shù)為1.6×10-5/℃,因此電路具有良好的抑制溫漂能力。

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    圖4所示為電壓隨溫度自適應變化的曲線。當溫度小于64.9 ℃,Vad的電壓等于Vref的電壓,即為1.25 V;當溫度大于64.9 ℃,電壓隨溫度自適應變化,電壓逐漸減小,從而減少功耗,抑制溫升。圖中可以看出,電路具有很好的電壓自適應特性。

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    圖5所示為Vref基準電壓與VPTAT電壓的仿真特性圖。圖中標記為×的曲線為Vref溫度特性曲線,實線為溫度升高時VPTAT電壓隨溫度變化曲線,虛線為溫度下降時VPTAT隨溫度的變化曲線。

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    圖6所示為滯回關斷過溫保護電路隨溫度變化的曲線圖。從圖中可以看出,在110 ℃時滯回輸出電路從低電平跳變?yōu)楦唠娖剑划敎囟冉祷?0 ℃時,滯回輸出從高電平跳變回低電平。關斷溫度與開啟溫度之間有50 ℃的遲滯溫差,可以保證良好的溫度滯回特性。

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    圖7所示為LED驅(qū)動電流隨溫度變化的仿真曲線圖。當溫度在0~64.2 ℃時,電流恒定輸出。當溫度在64.2~108 ℃區(qū)間變化時,電流的變化范圍為350~265 mA,恒流輸出中增加溫度自適應模塊,降低功率,達到抑制溫升的目的。當溫度超過108 ℃時,電流突然下降,幾乎為零,實現(xiàn)關斷電路的目的。當溫度重新降為60 ℃時,恢復正常工作,實現(xiàn)很好的溫度滯回關斷特性,避免電路產(chǎn)生熱振蕩。

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4 結(jié)束語

    應用于LED驅(qū)動電路的溫度自適應過溫保護電路利用基準電壓與VPTAT電壓相比較,產(chǎn)生滯回關斷過溫保護電路,并且設計了電壓隨溫度升高而減小的自適應電路,在恒流輸出中增加自適應,有效抑制溫度上升,有一定的溫度自適應范圍。整個電路穩(wěn)定可靠,靈敏度高,設計簡單,為防止溫度過高,設置溫度滯回區(qū)間,避免發(fā)生熱振蕩,可以避免發(fā)生不必要的事故,由此可見,該電路的應用前景廣闊,具有較強的實用性。

參考文獻

[1] 周太明,宋賢杰,周偉,等.LED-21世紀照明新光源[J].照明工程學報,2001,12(4):37-40.

[2] 李祥,曾以成,石合地.帶過溫保護功能的LED恒流驅(qū)動電路設計[J].電路與系統(tǒng)學報,2013,18(2):108-111.

[3] 吳俊,鄒雪城,李思臻,等.一種改進的高精度低功耗過溫保護電路[J].微電子學與計算機,2009,26(2):103-106.

[4] 宋德夫,鄧聯(lián)文,廖聰維,等.一種高靈敏度過溫保護電路的設計[J].微電子學,2015,45(5):652-656.

[5] 石合地,曾以成,李祥.電流自動可調(diào)低功耗LED驅(qū)動電路[J].電路與系統(tǒng)學報,2013,18(1):353-356,347.

[6] 石合地,曾以成,李祥.電流自適應高壽命低功耗LED驅(qū)動器[J].固體電子學研究與進展,2013,33(4):389-393,404.

[7] 武世明,曾以成,陶亮.一種電流自適應溫度的LED驅(qū)動電路[J].微電子學,2015,45(4):465-468,473.

[8] HU Y,JOVANOVIC M M.LED driver with self-adaptive drive voltage[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(6):3116-3125.

[9] CHIU H J,LO Y K,Chen J T,et al.A high-efficiency dimmable LED driver for low-power lighting applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(2):735-743.

[10] 郭嘉帥,王小力.便攜式系統(tǒng)中高效率、高精度、低噪聲LED驅(qū)動電路設計研究[J].微電子學與計算機,2010,27(2):80-84.

[11] CHEN W,HUI S Y R.Elimination of an electrolytic capacitor in AC/DC light-emitting diode(LED) driver with high input power factor and constant output current[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(3):1598-1607.



作者信息:

崔晶晶,曾以成,夏俊雅

(湘潭大學 微電子科學與工程系,湖南 湘潭411105)

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