一種升壓型白光LED驅動控制芯片的設計方案

4 無采樣電阻模式的設計

利用功率MOSFET的導通電阻Rds(on)作為采樣電阻的方法可以省去峰值電流采樣電阻Rs2,減少了不必要的功率損耗提高了整體的效率，同時減少了外圍的元器件和系統所占的空間，這種方式稱之為無采樣電阻模式。這種模式也存在一些問題：(1)當MOSFET關斷時，漏端的電壓可能會迅速升高，這就對電流峰值比較器提出了更高的抗高共模電壓的要求;(2)功率管的導通電阻會隨著電流和溫度的變化發生改變，會對設定的峰值電流閾值產生影響。對于一些特定的場合，第二個問題引入的誤差在可以允許的范圍內時，這種模式還是有很好的應用前景，對于高共模輸入最好最簡單的方法就是在關斷的同時切斷輸入的途徑，通過合理的開關切換和延時電路來實現。

無采樣模式的系統圖見圖6。采樣端通過比較器與7V基準比較判斷是否工作于無采樣電阻模式，通過邏輯電路決定峰值比較器的輸入(IEN)、輸出(SEN)控制信號。邏輯信號Gd、Gfb分別是驅動邏輯的輸出信號和最終驅動功率管柵極信號的反饋。

圖6 無采樣模式模塊框圖

5 芯片版圖與測試

5.1 芯片結構與版圖

控制器的結構如圖7所示，主要模塊也標注于圖中。

圖7 控制器芯片的模塊框圖

芯片有兩個基準電路，基準1用于欠壓鎖定比較器的基準，基準2(VREF)是一個精確度更高的電壓基準用于誤差放大器、比較器等模塊電路。供電模塊主要包括一個7V(INTVCC)輸出的低壓差電壓調節器和3V(VDD)輸出的電壓調節器。運算放大器是芯片核心的模塊之一，SP、SN作為運算放大器的兩個輸入端，OV采樣輸出電壓則是作為過壓或限壓的功能。其它諸如帶斜坡補償電路的振蕩器，分別用于開關管和調光管的驅動電路，峰值電流以及過壓、過流比較器，邏輯單元電路等共同組成這個驅動控制器芯片系統。本文提出的升壓型LED驅動控制芯片在1.5μm BCD的工藝下仿真并流片測試，芯片的輸入電壓范圍為3~15V,圖8為芯片的顯微照片。

圖8 控制器芯片的顯微照片

5.2 芯片測試

設計升壓型LED驅動電路的PCB測試版進行不同工作模式下的測試，其中的主要外圍元件參數為：電感L=47μH,輸出電容C=20μF,采樣電阻Rs1=300 mΩ，Rs2=50mΩ。當輸入電壓為5V,輸出電壓大約為24V(7個LED串聯)時，占空比超過80%.圖9為輸出典型波形圖。VOUT是輸出電壓，Iinduct是電感電流，Gate是功率管的驅動電壓波形，在較大占空比時斜坡補償起到了很好的穩定輸出的效果。

圖9 升壓型LED驅動波形(占空比>80%)

圖10是PWM調光功能下的測試波形，輸入電壓為10V,輸出電壓為15V,調光的頻率為100Hz,調光比為3000:1.可以看到，LED的導通電流值幾乎不變，實現了前面所說的恒流PWM調光功能。

圖10 PWM調光模式波形(調光比3000:1)

對于選用的功率管的導通電阻Rds(on)=10mΩ(@VGS=7V)，直接利用該電阻替代電流峰值檢測電阻RS2,測試的條件：輸入電壓5V,輸出電壓15V,開關頻率fS=320kHz,測試結果如圖11所示。

圖11 無采樣電阻模式波形

在升壓型驅動電路測試中成功實現了無采樣電阻模式和PWM調光模式，測試結果充分驗證了設計方案的可行性。

6 結束語

本文提出了一種可用于升壓型白光LED驅動的控制器芯片，采用峰值電流控制模式，與以往的LED驅動控制器相比，有高達3000:1調光比的PWM調光和傳統的模擬調光方式，并可直接采用無電阻采樣模式，提高了系統的效率。芯片在1.5μm BCD工藝下流片并進行測試取得了理想的結果，驗證了電路的設計和仿真均達到了要求。