一種新型降壓模式LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)

王 棟，吳建興

(杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310012)

LED 驅(qū)動(dòng)電路，特別是大功率LED 驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于射燈，景觀照明，汽車照明，日光燈等領(lǐng)域。隨著LED 照明技術(shù)的發(fā)展及成熟，LED 應(yīng)用已經(jīng)由原來(lái)的小功率，低電壓向大功率，高電壓的應(yīng)用延伸。直流輸入的LED 驅(qū)動(dòng)電源，部分應(yīng)用已經(jīng)要求80 V，100 V 的輸入電壓。

LED 照明主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有buck模式［1，3］，boost模式［2－3］，以及buck-boost模式［3－4］，目前直流高電壓輸入的IC，普遍采用如HV9910［1］芯片所示的傳統(tǒng)系統(tǒng)框架。這種框架的特點(diǎn)是:輸出電流隨著輸入電壓及負(fù)載電壓變化而變化，導(dǎo)致在電壓波動(dòng)時(shí)，電流無(wú)法恒定。如果電壓突然變化，LED 上流過(guò)的電流會(huì)增大或者減小，長(zhǎng)期工作，會(huì)影響LED 本身的壽命。

本文通過(guò)研究設(shè)計(jì)出一種不隨輸入輸出電流變化的恒流電路系統(tǒng)，用于LED 驅(qū)動(dòng)電路，可以得到很好的線性調(diào)整率(輸出電流隨輸入電壓變化的比率)及負(fù)載調(diào)整率(輸出電流隨輸出電壓變化的比率)，并且外圍電感的變化對(duì)輸出電流影響很小。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示為HV9910 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作原理如下:

負(fù)載LED 燈串上的平均電流定義為輸出電流平均值IAVG。參考圖1 及圖2，其工作原理是:當(dāng)恒流LED 驅(qū)動(dòng)電路工作正常時(shí)，振蕩器輸出的振蕩器信號(hào)CLK 對(duì)RS 觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)，RS 觸發(fā)器S 端置位，輸出端Q為高電平，驅(qū)動(dòng)電路輸出功率管的柵極控制信號(hào)GATE為高電平，功率管開(kāi)通。電感電流上升，采樣電阻Rs上的電壓VCS上升。當(dāng)電壓達(dá)到基準(zhǔn)電壓VREF時(shí)，比較器的輸出COMP_OUT 變?yōu)楦唠娖?。RS 觸發(fā)器R 端復(fù)位，Q為低電平，驅(qū)動(dòng)電路輸出功率管的柵極控制信號(hào)GATE為低電平，功率管關(guān)斷。這時(shí)，電感電流通過(guò)肖特基二極管D1續(xù)流，逐漸減小，直到下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)，周期性重復(fù)。

圖1 傳統(tǒng)LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖

圖2 傳統(tǒng)LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)時(shí)序圖

圖1所示的恒流LED 驅(qū)動(dòng)電路及其外接LED電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出平均電流的計(jì)算公式如下:

其中，IMAX為電感電流峰值、VIN為電源電壓、VOUT為負(fù)載LED 燈串的壓降，即輸出電壓、L為電感值。

從公式中可以看出，VIN，VOUT以及L 變化，都會(huì)引起輸出平均電流IAVG的變化。實(shí)際工作時(shí)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)延時(shí)作用，會(huì)使得平均電流變化更大［5］。

進(jìn)一步，通過(guò)圖3所示為電感電流的波形，IMAX為電感電流峰值，IAVG1和IAVG2為使用不同電感值時(shí)LED 驅(qū)動(dòng)電路的輸出平均電流大小?？梢钥吹剑姼械淖兓痣姼须娏髌骄蛋l(fā)生變化。

圖3 平均電流示意圖

圖4為本設(shè)計(jì)提出的新型LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖，其中方框內(nèi)的部分可以通過(guò)芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，方框外的部分可以通過(guò)PCB 布線實(shí)現(xiàn)。整機(jī)應(yīng)用于LED 驅(qū)動(dòng)電路。

圖4 新型LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖

圖5為本設(shè)計(jì)提出的LED 驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序示意圖，LED 驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定工作后，當(dāng)振蕩器輸出的振蕩信號(hào)CLK為高電平脈沖時(shí)，觸發(fā)器輸出的觸發(fā)信號(hào)為高電平。觸發(fā)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)后，使M1功率管開(kāi)通。直流輸入電壓VIN通過(guò)LED 負(fù)載、電感L1、NMOS 功率管、電阻Rs到地產(chǎn)生通路，電感上的電流增加。同時(shí)電阻Rs采樣NMOS 功率管上流過(guò)的電流并轉(zhuǎn)換為采樣電壓VCS，采樣電壓VCS與振蕩器輸出的斜坡信號(hào)經(jīng)斜率補(bǔ)償模塊進(jìn)行疊加，斜率補(bǔ)償模塊的輸出與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較。誤差放大器將對(duì)選擇器的輸出電壓VSN的值與基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行誤差放大，使得選擇器的輸出電壓VSN的平均值等于基準(zhǔn)電壓VREF。誤差放大器的輸出接電容，用于環(huán)路補(bǔ)償［6］。NMOS 功率管導(dǎo)通期間，電感上的電流持續(xù)增大，直到斜率補(bǔ)償模塊的輸出電壓VS1達(dá)到誤差放大器的輸出ERR_OUT。比較器輸出高電平脈沖COMP_OUT，觸發(fā)器輸出低電平脈沖，觸發(fā)器的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，使NMOS 功率管截止。直流輸入電壓VIN通過(guò)LED 負(fù)載、電感L1、肖特基二極管D1及直流輸入電壓VIN產(chǎn)生通路，電感電流下降。當(dāng)NMOS 功率管關(guān)斷時(shí)，GATE_N為高電平，選擇器的輸出電壓信號(hào)VSN等于基準(zhǔn)電壓VREF。等待在下一個(gè)振蕩CLK 信號(hào)到來(lái)，在下個(gè)周期重復(fù)上述動(dòng)作。

圖5 新型LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)時(shí)序圖

在此系統(tǒng)中，當(dāng)選擇器的輸出端VSN平均電壓大于VREF時(shí)，誤差放大器輸出ERR_OUT 變低，使得VS1的信號(hào)在較低的情況下，比較器就會(huì)翻轉(zhuǎn)，也就是VCS峰值會(huì)變低，VCS變低會(huì)使得VSN的平均值降低，當(dāng)接近VREF時(shí)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定;當(dāng)VSN平均電壓小于VREF時(shí)，誤差放大器輸出ERR_OUT 變高，使得VS1的信號(hào)需要更高的電壓比較器才會(huì)翻轉(zhuǎn)，也就是VCS峰值會(huì)變高，VCS變高會(huì)使得VSN的平均值降高，當(dāng)接近VREF時(shí)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定。因此系統(tǒng)總是使得VSN的平均值等于VREF。這樣我們可以得到輸出電流的理想計(jì)算公式:

從這個(gè)公式來(lái)看，輸出電流的平均值是與輸入電壓，輸出電壓以及電感大小無(wú)關(guān)。實(shí)際電路中，因?yàn)檎`差放大器的增益及采樣的誤差，會(huì)有較小的影響。

本設(shè)計(jì)中，由于選擇器的輸出電壓VSN的平均值等于基準(zhǔn)電壓VREF，因此，在NMOS 功率管導(dǎo)通時(shí)，Rs的采樣電壓VCS等于選擇器的輸出電壓VSN。這樣，在LED 驅(qū)動(dòng)電路的整個(gè)工作期間，保證了輸入電壓、輸出電壓以及外圍電感大小變化對(duì)LED 平均電流影響很小。

2 結(jié)果和分析

本次設(shè)計(jì)，通過(guò)線路設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路的核心部分，并且通過(guò)集成電路芯片的制造，測(cè)試，封裝生產(chǎn)出電路成品。該芯片制造基于士蘭集成80 V BCD 工藝平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓80 V 以下的降壓模式LED驅(qū)動(dòng)恒流。驅(qū)動(dòng)電路與外圍電感，電阻，二極管以及LED 等元器件組成驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，我們也對(duì)整機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。圖6為版圖圖形，圖7為L(zhǎng)ED 系統(tǒng)整機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)選用100μH 電感。同時(shí)，在同樣的外圍條件下，對(duì)HV9910 的系統(tǒng)也進(jìn)行了測(cè)試。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果如下:

從圖8 中可以看到，在輸入電壓從20 V～80 V變化時(shí)，輸出電流變化范圍在正負(fù)1.5%之內(nèi);而HV9910 系統(tǒng)輸出電流變化范圍在正負(fù)6%。從圖9中可以看到，在輸出電壓發(fā)生從10 V～70 V 變化時(shí)，輸出電流變化范圍在正負(fù)1.5%之內(nèi)。輸出電流的穩(wěn)定性非常好，而HV9910 系統(tǒng)輸出電流變化范圍在正負(fù)8%。新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)調(diào)整率要好很多。

圖6 LED 驅(qū)動(dòng)電路芯片的版圖

圖7 LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)整機(jī)

圖8 輸出電流隨輸入電壓變化百分比(輸出電壓15 V，500 mA)

圖9 輸出電流隨輸出電壓變化百分比(輸入電壓80 V，輸出電流500 mA)

另外，測(cè)試系統(tǒng)使用100μH 及200μH 的電感，測(cè)試得到的輸出電流僅僅變化10 mA(2%)(輸出電流500 mA)，變化很小;而HV9910 要變化30 mA(6%)。

3 結(jié)論

本文提出一種新型降壓模式LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理，并且通過(guò)芯片流片進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，新型降壓模式LED 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都有了較大的改善，并且電感變化對(duì)其影響很小。

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