LED凈化燈恒流驅動(dòng)電路研究與設計方案

摘要：基于CSMC0.5umBCD工藝給出LED凈化燈恒流驅動(dòng)電路。利用MOS管飽和區恒流特性以及電流負反饋結構，給出三種恒流驅動(dòng)方案。比較三種方案的恒流工作電壓，確立最終結構。采用的方案能夠有效降低恒流工作電壓并實(shí)現利用外接電阻控制恒流輸出的大小，驅動(dòng)電流范圍為14.5mA到91.5mA.驅動(dòng)電流可以通過(guò)外接PWM數字信號實(shí)現輸出使能控制，控制響應時(shí)間為7ns.可用于LED顯示屏。通過(guò)Hspice軟件進(jìn)行仿真，5V的電源電壓波動(dòng)±10%時(shí)驅動(dòng)電流波動(dòng)小于1.85%.環(huán)境溫度由25℃變化到85℃時(shí)驅動(dòng)電流變化2.14%.外接電壓由0V變化到5V,此時(shí)的驅動(dòng)電流變化小于5.5%.當驅動(dòng)電流為91.5mA時(shí)，恒流工作電壓僅為0.38V.

　　1  引言

　　近年來(lái)，LED顯示屏應用迅速發(fā)展，推動(dòng)LED凈化燈驅動(dòng)IC的進(jìn)步?；趯ED的高可靠性以及亮度和色度一致性的考慮，通常要對LED進(jìn)行恒流驅動(dòng)。

　　用于LED顯示屏的恒流驅動(dòng)電路主要存在三個(gè)設計要點(diǎn)：①驅動(dòng)電流可通過(guò)單一外接電阻設定。②最大限度降低恒流工作電壓。這里，恒流工作電壓指使輸出電流恒定時(shí)的內部電路壓降，該壓降小則電路功耗低。③恒流輸出可由數字信號控制，響應速度要快，以滿(mǎn)足采用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)調光或高速掃描應用的需要。文中給出了一種使驅動(dòng)MOS管在線(xiàn)性區實(shí)現恒流的控制方法，且不需要在源極串聯(lián)反饋電阻，有效降低了恒流工作電壓。在此基礎上，給出了滿(mǎn)足以上三方面要求的完整控制電路。

　　2  恒流驅動(dòng)電路設計

　　恒流驅動(dòng)模塊是整個(gè)控制電路設計核心，決定整體電路的恒流特性。針對此模塊給出三種方案。具體電路結構如圖1所示。圖中電流I_rset只受控于外接電阻Rset,當Rset不變時(shí)，此電流恒定。Vcc是電路的外接電壓，用來(lái)為LED凈化燈供電。

圖1  電路結構

    2.1  基于MOS管飽和區恒流特性的恒流模塊

　　這種結構采用簡(jiǎn)單的恒流方式，常應用于大功率LED凈化燈照明電路，結構如圖1（a）所示。電路利用M1實(shí)現恒流驅動(dòng)。外接電壓Vcc的增大使得M1進(jìn)入飽和區，利用運放保證M1柵電壓保持不變。工作于飽和區的M0與M1的共柵連接方式使得流經(jīng)它們的電流滿(mǎn)足線(xiàn)性比例關(guān)系且電流恒定，比例系數取決于兩者的寬長(cháng)比的比值。這種恒流模式完全依賴(lài)于MOS管的柵電壓并且恒流工作電壓（VDS1）至少要滿(mǎn)足M1管飽和導通，因此結構對于LED顯示電路來(lái)說(shuō)功耗大。

　　2.2  基于電流負反饋的恒流模塊

　　為減小電路功耗，采用負反饋結構實(shí)現恒流輸出。電路結構如圖1（b）。當電路由于某一原因導致M0的漏電流增加時(shí)，增加的電流通過(guò)R1作用反饋到運放的反相端，負反饋結構會(huì )使得M0的柵壓降低，使M0上漏電流減小，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)平衡，保證M0的漏電流恒定不變，反之亦然。這樣的恒流方式降低了恒流工作電壓，電路功耗小。動(dòng)態(tài)平衡方式很好的實(shí)現了恒流輸出，恒流特性好。負反饋結構使得驅動(dòng)電流Iout與I_rset之間滿(mǎn)足線(xiàn)性比列關(guān)系，比例系數取決于R0與R1的阻值比。

　　該結構存在一些不足：①R1不宜過(guò)大，否則R1上壓降過(guò)高，產(chǎn)生較大功耗。②R1不宜過(guò)小，否則會(huì )導致反饋電壓過(guò)小，反饋電壓信噪比低，電路性能不穩定。R1設置在幾個(gè)歐姆為宜，對于電阻的精確要求使得版圖設計相對困難，對工藝的要求較高。③反饋電阻的存在就不可避免的在R1上產(chǎn)生一定的壓降，造成集成電路內部功耗的增加。

　　2.3  擬合工作區的恒流驅動(dòng)模塊

　　為避免反饋電阻存在的問(wèn)題，采用圖1（c）結構，負反饋取樣點(diǎn)在M1漏端。同時(shí)為最大限度的降低恒流工作電壓需實(shí)現MOS管在線(xiàn)性區可以恒流輸出。這種方式將線(xiàn)性區恒流輸出曲線(xiàn)與飽和區恒流輸出特性曲線(xiàn)擬合成一條曲線(xiàn)，得到驅動(dòng)電流的恒流輸出曲線(xiàn)恒流特性好，恒流工作電壓低。

　　MOS管漏電流ID在不同工作區滿(mǎn)足關(guān)系式：

　　當VDS>VGS-VTHN時(shí)，MOS管處于飽和區：

　　當V DS < VGS - V THN時(shí)， MOS 管處于線(xiàn)性區：

　　若某一原因導致運放同相端輸入電壓增大，會(huì )使得M0柵電壓增加。而I_rset對于固定的外設電阻是恒定的，故M0的漏電壓減小，從而M1的柵電壓減小，漏電壓增加，即運放的反相端電壓也隨之增加，反之亦然。這一結構保證運放的同相端和反相端輸入電壓始終保持相等，即保證M1和M2的漏電壓相等。同時(shí)M1和M2的共柵連接方式使得兩者的柵電壓相等。由式（1）、（2）可以看出，只要保證M1和M2的柵、漏電壓均相等，驅動(dòng)電流Iout與I_rset就會(huì )滿(mǎn)足一個(gè)線(xiàn)性的比例關(guān)系，比例系數依賴(lài)于M1和M2的寬長(cháng)比的比值。而對于一個(gè)固定的外設電阻，I_rset是固定不變的，電路可以利用此關(guān)系在M2尚處于線(xiàn)性區時(shí)就可以恒流輸出，顯著(zhù)的降低恒流輸出的工作電壓。這一結構要求電路中的運放的線(xiàn)性區的工作范圍寬，即保證在M2處于線(xiàn)性區時(shí)，運放一直能夠正常放大，保證M1和M2的漏源電壓相等。當同相端的增加量使得運算放大器已經(jīng)進(jìn)入到飽和區時(shí)，盡管反饋結構不再起作用，但M2已經(jīng)可以利用飽和區恒流特性實(shí)現恒流輸出，I_reST不變使得飽和區的恒流值與線(xiàn)性區一致，兩個(gè)工作區的曲線(xiàn)擬合在一起，形成最終的恒流輸出曲線(xiàn)。

  電路方案LED凈化燈