高亮度白光LED驱动操纵器设计

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐高亮度白光LED驱动操纵器设计第44卷第1期2010年1月

浙江大学学报(工学版)

JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)

Vol.44No.1Jan.2010

收稿日期:20080402.

浙江大学学报(工学版)网址:www.journals.z/eng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(90702002).

作者简介:杨旸(1983-),男,浙江杭州人,博士生,要紧从事模拟集成电路设计.Email:yangyang@vlsi.z

通信联系人:赵梦恋,女,说师,博士后.Email:zhaoml@

DOI:10.3785/j.issn.1008973X.2010.01.020

高亮度白光LED驱动操纵器设计

杨旸,赵梦恋,陆佳颖,李帆,吴晓波

(浙江大学超大规模集成电路研究所,浙江杭州310027)

摘要:针对多种应用条件下高亮度白光LED的驱动要求,提出一种关于别同应用电路拓扑具有广泛习惯性的LED驱动操纵器芯片.设计采纳峰值电流模式操纵策略以习惯LED的操纵特性.针对别同应用拓扑对宽供电电压习惯性的要求,引入高精度线性调压器为系统提供稳定的基准电压与工作电压;针对常用的Buck、Boost和BuckBoost3种拓扑分不提供灵便的接入端口;为支持别同拓扑下的电流检测,构造一具兼具高端与低端电流检测功能的运算放大器;应用分段线性补偿解决歪率补偿中补偿别脚或过补偿的咨询题.芯片实现了30001的高调光比,并给出了整个操纵器芯片和模块的电路设计.该芯片在15mBCD(bipolarCMOSDMOS)工艺下设计与流片,样片测试的结果与设计目标基本一致,取得了预期的效果.

关键词:LED驱动操纵器;峰值电流模式操纵;PWM调光;BCD工艺

中图分类号:TN433文献标志码:A文章编号:1008973X(2010)01011107

ControllerICdesignforhighbrightnesswhiteLEDdriver

YANGYang,ZHAOMenglian,LUJiaying,LIFan,WUXiaobo

(InstituteofVLSIDesign,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:ALEDdriverandcontrollerchipwasproposedtodrivethehighbrightnesswhitelightemittingdiode(HBWLED)indifferentapplications.ThepeakcurrentmodecontrolwasadoptedtoadaptforthecharacteristicsofLED.Inaddition,apreciselinearregulatorwasintroducedintothecircuitrytoofferstablereferenceandoperationvoltagesforthesystem,thusguaranteeingthehighadaptabilityforthesupplyvoltagerequiredbydifferentapplicationcircuittopologies;flexibleinterfacesforBuck,BoostandBuckBoosttopologieswereprovided;anamplifierpossessesbothhighsideandlowsidecurrentsensingfunctionswasdesignedtosupporttheseapplications;andapiecewiselinearcompensationwasappliedtopreventtheunderandovercompensationinconstantslopecompensation.PWMdimmingwithhighdimmingratioof30001wasrealized.ThecontrollerICwasdesignedandfabricatedin15mBCD(bipolarCMOSDMOS)process.Testresultsofsampleswereconsistentwiththeexpectationswell.Keywords:LEDdrivercontroller;peakcurrentmodecontrol;PWMdimming;BCDtechnology在能源紧缺的现实事情下,发光二极管(lightemittingdiode,LED)作为一种高效率光源受到高度关注,并在众多应用领域获得普遍应用,如各类消费电子产品手机、PDA、液晶电视的背光光源等.近年来进展起来的高亮度白光LED(high

brightnesswhiteLED,HBWLED)更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前

景.作为光源,LED的优势要紧体如今节能、环保和长寿耐用3个方面.LED的能耗理论上仅为白炽灯的10%,荧光灯的50%;由于LED是利用固体发

光,耐震、耐冲击,别易破裂,预期寿命可达10万小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍;在环保方面,由于别使用汞等易污染物,废弃物可回收,没有污染.所以,推广LED的应用对能源十分紧张的中国来讲具有十分重要的意义.

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相习惯的电源或驱动电路.由于LED应用广泛,在别同场合下关于供电电压和电流驱动能力的要求有非常大区不.关于HBWLED而言,在高照度工作条件下导通电压高达3~5V,工作电流可达015~3.00A.在大功率工作条件下,传统驱动方式如电阻限流、线性调节、电荷泵等的效率差不多达到极限,而PWM开关型直流变换器因仍有也许保持较高的电源效率而受到青睐.但是视应用场合的别同,PWM开关型变换电路往往需要采纳别同的电路拓扑,常用的LED驱动有落压型(Buck)、升压型(Boost)、升落压型(BuckBoost)3种[1],而现有的驱动操纵器芯片通常只能适用于其中一种,所以研制一种具有普适性的操纵器芯片将具有非常好的应用前景.

LED是典型的电流型器件[2],对工作电流的大小和稳定性要求甚高,电流波动会妨碍LED的发光效率和群彩,而电流超过额定值将伤害LED的寿命与可靠性.所以,在LED驱动中电流模式操纵具有明显的优点.技术进展至今,电流操纵差不多进展出多种模式.相关于环路设计较为复杂的平均电流操纵模式和电磁干扰咨询题较多的迟滞电流操纵模式,峰值电流操纵模式环路设计较为简单,且能够有效地限制电流.

针对上述HBWLED应用的需要,本文提出一种操纵器芯片的设计,其特点是可用于上述3种驱动电路拓扑.在设计中择优采纳峰值电流操纵模式,并在片内集成歪坡补偿电路[3],使之具有非常宽的电压工作范围.操纵器芯片采纳15mBCD工艺举行仿真设计和流片试制,并对所获样片举行测试,验证所提出的设计方案.

1系统与电路设计

LED驱动操纵器芯片的系统框图如图1所示,要紧电路模块包括线性调压器、运算放大器、振荡器、基准电源、欠压锁定比较器、爱护/逻辑模块、软起动电路和功率管驱动模块等.

1.1电压稳定性设计

如前所述,为提高发光亮度,HBWLED常常在

较高电压下工作,例如汽车电子或工业应用等场合.

图1高亮度白光LED驱动操纵器模块框图Fig.1BlockdiagramofHBWLEDdrivercontroller

为使驱动芯片关于多种拓扑、别同场合的应用具有良好的习惯性,必须令其在宽供电电压范围内保持高的电压稳定性.所以,在芯片中设置一具可以为系统各模块提供稳定工作电压的线性调压器十分重要.线性调压器的功能是将在一定范围内变化的输入电压转化为恒定的电压.图2所示为线性调压器的基本结构框图.能够看出,该调节器的一具特点是设置了钳位电路(clampcircuit).这是由于调节器应用的跨导运算放大器Gm在输出摆幅极限事情下瞬态电流非常大,将使调整管的栅源电压接近输入电压,而栅源耐压通常较低,将有也许导致器件失效,妨碍电路的正常工作.钳位电路的作用算是将后级调整管的栅源电压限定在能够承受的范围之内,提高整个电路的耐压等级.

图2线性调压器基本结构

Fig.2Basicstructureoflinearregulator

作为具有深度负反馈的系统,系统的稳定性设计至关重要.整个调压器电路的开环传递函数表示为

T(s)=

A0

1+s/p11+s/p2

R1

R1+R2

gm,pass

R2+1

sC2

+R11

sC1

RLRds,pass.(1)式中:A0为运算放大器的低频增益,p1为跨导放大器的输出极点,p2为缓冲级的输出极点,gm,pass为调

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整管的跨导,Rds,pass为调整管的输出电阻.由于缓冲级的存在使得p2向高频端挪移,并且改善了运算放大器输出摆率.环路主极点p0由外部并接的电容C1决定(忽略等效串联电阻(equivalentseriesresistance,ESR),次极点是运算放大器的输出极点p1.当负载非常轻时还会产生一具极点p3,严峻妨碍环路稳定性.加入电容C2产生的零点能够抵消该极点的妨碍,使得当负载较大时,p3推向高频.设计中的注意点是保证轻载时次极点p1大于单位增益带宽,当重载时零点频率大于主极点.

图3是仿真得到的在轻载和重载事情下线性调压器开环频率响应波特图,仿真时电源电压VIN=12V,VREF=123V.能够看到,合理配置零极点的位置保证了系统在全工作范围内都有脚够的相位裕度,表明系统是稳定的.

图4是线性调压器的电路原理图.整个调压器由4部分构成.为提高电源抑制比(powersupplyrejectionratio,PSRR),输入对管采纳PMOS管,并采纳折叠共源共栅结构

[4]

.思考到高电源电压带

来的较大失调对运算放大器增益的妨碍,特引入补

偿电路,使Mp6工作在亚阈值区,并产生一具与供电电压成正比、

数值非常小的电流来补偿运算放大器输

图3线性调压器开环频率响应Fig.3Openloopresponseoflinearreg

ulator

图4线性调压器电路原理图Fig.4Schematicoflinearregulator

出的偏差.PMOS构成的缓冲级可在小负载下有效地关断调整管Mpass.所有的设计都思考了宽供电电压范围的要求,使调压器能够得到稳定的输出.图5在别同拓扑下的操纵环路Fig.5Controlloopofdifferenttopologies

1.2多拓扑模式工作及运算放大器的设计

本文芯片设计的要紧特点之一是可以适用于Buck、Boost和BuckBoost3种别同应用电路拓扑.针对别同电路拓扑,运算放大器须采纳别同的检测办法来检测输入电流.在Boost拓扑中,负载电流采样电阻的一端接地,采纳低端电流检测方式,相应地,运算放大器采纳一般的低共模输入运算跨导放大器(operationaltransconductanceamplifier,OTA)结构即可(这个地方称为电压反馈模式,见图5(a)).此刻的LED负载电流可由下式确定:

ILED=VREF/RS1.

(2)

关于BuckBoost拓扑结构,电流采样方式改为高端检测,要求运算放大器在较高输入共模电压下工作,其结构较为复杂,这个地方称为恒定电流模式.Buck拓扑的电流采样方式与BuckBoost电路一样.为习惯

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高端检测的应用,给出一种新颖的运算放大器结构,如图5(b)所示.运算放大器第一级为零漂电压可调的低增益放大器A,其零漂由外部电压VADJ操纵;第二级为典型的OTA运算放大器EA2.

为满脚别同拓扑之间的兼容,特意设计了一种可变结构的混合型运算放大器:在别同场合能够经过改变模块组合构成别同特性的运算放大器,以分不习惯上述的高端和低端电流检测,其结构如图6所示.为此在电路中设置比较器COMP,经过其输出来实现工作模式切换.当运算放大器正端输入电平SP高于VREF时,标志着输入电压的共模值较高(对应于Buck与BuckBoost型LED驱动电路),应该采纳图5(b)所示结构工作于高端电流检测,此刻在COMP操纵下由A和EA2构成二级运算放大器举行信号放大,EA2的输出即作为运算放大器的最后输出;而当SP低于VREF时(对应于Boost型LED驱动电路),此刻放大器切换为低端电流检测,要紧由EA1承担信号放大的工作,从而实现依照需要在2种电流采样方式之间的转换,以适用于别同应用拓扑场合

.

图6可变结构的混合型运算放大器

Fig.6Reconfigurableoperationalamplifierwithtrans

formablestructure

图7给出在高端电流检测时放大器的电路原理.该运算放大器采纳共基级输入结构,以提高共模电压输入范围

[5]

.图7中Q1、Q2为输入对.加入由

M1、M2、M5组成的共源共栅结构以进一步提高共模电压输入范围.图7左边是电压电流转换电路,其中I为固定的偏置电流,转换器将外部电压VADJ转换成相应的电流流入电阻R4,此刻运算放大器的差模输入电压为

VOS=(VREF/R4+VADJ/R3-I)R1.

(3)

由式(3)可知,在高端电流检测时运算放大器输入的VOS能够经过调节外部供电电压VADJ举行线性调

节.对比图5(b)可知,该放大器用于LED驱动电路

图7高端电流检测运算放大器原理图

Fig.7Schematicofhighsidecurrentsenseoperational

amplifier

电流采样,能够经过调节运算放大器输入差模电压来改变LED的电流,对电流实现操纵.

1.3分段线性歪坡补偿

采纳电流延续的峰值电流模式操纵,为此当PWM占空比大于50%时需要加入一具与时钟同相的歪坡补偿信号.这一补偿信号通常利用振荡器电容上的电压经过镜像取得,得到的是恒定歪率的补偿信号.采纳这种恒定歪率补偿也许会浮现补偿别脚或过补偿的咨询题.当歪坡补偿别脚时,残留的次谐波振荡会造成环路的别稳定;而一旦过补偿,则会使电流模式转变为电压模式,丧失了自身的优点.歪坡补偿的歪率是一具与占空比成正比的函数,所以分段线性补偿别失为一种较好的解决方案[6]

.

图8分段线性歪坡补偿电路原理图

Fig.8Schematicofpiecewiselinearslopecompensationcircuit

图8是提出的分段线性歪坡补偿电路的实现原理.Ramp是振荡器电容上的电压波形,经过设置图8中四路电阻网络电阻值,使得四路三极管导通的时刻别同(随着Ramp电压的升高依次导通),使得在别同占空比操纵信号Gate下叠加而得的电流别同,最终产生与占空比变化同相的四段线性歪坡补

偿电流Islope.该方案简单,易于实现,在最终的系统仿真和测试中均获得了理想的效果.图9是经过仿真得到的各路电流的波形.

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图9分段线性歪坡补偿仿真结果

Fig.9Simulationresultsofpiecewiselinearslopecompensation

2PWM调光功能设计

便携式设备的背光系统或照明通常都要求LED驱动具有调光(dimming)功能.常见的调光方式有2种:模拟调光和PWM调光.模拟调光经过改变LED的电流实现发光亮度的调节,但会带来XXX彩漂移和发光效率的下落;PWM调光是在PWM信号的操纵下经过开启或断开LED电流,改变其占空比来实现发光亮度调节.由于PWM调光只改变占空比,在导通的半周期流过LED的电流保持别变,幸免了模拟调光带来的缺点.

图10PWM调光操纵框图

Fig.10DiagramofPWMdimmingcontrol

在设计中,调光PWM频率必须大于100Hz,以保证别为人眼所察觉,其最高频率则受到开关电源的开关频率限制.应该指出的是,PWM调光的缺点要紧是有噪声产生且对输出电容有要求,但相对而言是提高HBWLED发光效率的最有效办法,所以得到广泛应用.

图10是提出的操纵器芯片在Boost应用中进

行PWM调光的操纵框图.能够看出,PWM调光的基本原理是利用外部PWM信号操纵与LED串联的开关的通断来实现调光.这个地方巧妙地利用了运算放大器的外接补偿电容CEAOUT:当PWM信号为低电平常,运算放大器输出端与补偿电容的通路断开,电容上的电压能够向来维持恒定到下一具PWM周期的到来.利用这种操纵办法,当开关频率为700kHz,PWM频率为100Hz时,最大调光比可达30001.

3芯片版图与测试

提出的LED驱动操纵器在15mBCD工艺下举行仿真设计和流片.芯片的显微照片如图11所示.制得的操纵器芯片分不在Boost和BuckBoostLED驱动电路评估板上举行测试,芯片的输入电压范围为3~15V.在别同模式下的测试波形分不如图12~14所示,测试条件和相关参数见表1,其中fs表示开关管(VGate)操纵的工作频率.

图12(a)是Boost驱动电路中输出电压VOUT、电感电流IL和功率管的驱动电压VGate的波形图.能够看到,当占空比大于50%时,由于引入了歪坡补偿,电路工作正常,输出电压保持在恒定值,电感电流的波形稳定.得益于分段线性歪坡补偿,当最大占空比接近90%时系统仍然十分稳定.BuckBoost驱动电路的测试波形如图12(b)所示,同样得到了稳定的输出.

图11高亮度白光LED驱动操纵器芯片的显微照片Fig.11MicrophotographyofHBWLEDdrivercontrollerchip

表1芯片测试条件Tab.1Testingconditionofchip

模式VIN/VVOUT/VL/HCOUT/Ffs/kHzILED/mABoost122384747300150BuckBoost121883047320150

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图12芯片系统应用于2种拓扑的测试波形Fig.12Testwaveformsofsystemintwotopology

applications

图13在别同调光比下Boost电路PWM波形Fig.13PWMwaveformsofBoostcircuitwithdifferent

dimmingratios

图13是芯片应用于Boost电路PWM调光的测试波形,调光频率为100Hz.图13(a)的调光比为21(相当于PWM占空比为50%),图13(b)的调

光比为30001.能够看到,当调光比从21变化为30001时,LED的导通电流值几乎保持别变,实现了恒流调光功能.

图14是模拟调光的测试结果.当芯片应用于BuckBoost电路时,经过调节VADJ引足的电压能够改变反馈的LED电流,以得到别同的输出电流,实现模拟调光.由图14能够看出,当电压从012V变化到12V时,经过改变负载电流,电感电流从断续模式变化到延续模式,LED电流与VADJ的线性关系良好,彻底满脚模拟调光的要求.

图14在别同VADJ下BuckBoost电路的PWM波形Fig.14PWMwaveformsofBuckBoostcircuitwithdif

ferentVADJ

4结语

本文提出并实现了一种可用于别同电源拓扑的LED驱动操纵器芯片.设计采纳在宽供电电压范围内具有高稳定性的线性调压器作为操纵器芯片的电源,特意设计构成了可变结构的运算放大器以习惯别同的电流采样要求,同时采纳分段线性歪坡补偿电路等改善电路的稳定性,实现了预期的设计指标.芯片的特点是对电路拓扑的习惯性强,几乎可用于所有要紧的LED应用场合.此外,实现了高达30001的高调光比PWM调光和传统的模拟调光方式.该芯片在15mBCD工艺下流片,对样片的测试结果彻底符合设计预期,验证了电路的设计仿真结果.

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致谢

笔者在本研究过程中与美国国家半导体公司(NationalSemiconductorCorp.)DavidPace、KalonChu、GuyCheung先生等举行了有益的讨论,并得到美国国家半导体公司的支持,谨此致以诚挚的谢谢.

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