不得不知的高效率、高調光比LED恒流驅動電路設計

摘要：文中提出了一種寬電壓輸入、高效率、高調光比LED恒流驅動電路。在遲滯電流控制模式下， 該電路具有結構簡單、動態響應快、不需要補償電路等優點。通過外部引腳， 可以方便的進行LED開關、模擬調光和PWM調光。LED恒流驅動電路基于CSMC的1 μm 40 VCDMOS工藝， 采用HSPICE進行仿真驗證， 結果表明在8～30 V輸入電壓范圍內， 電路輸出電流最大可達1.2 A， 輸出電流精度可控制在5.5%以內， 電源效率可高達97%。

　　0 引言

　　隨著LED技術的發展， 大功率LED在燈光裝飾和照明等領域得到了普遍的使用， 同時功率型LED驅動芯片也顯得越來越重要。由于LED的亮度輸出與通過LED的電流成正比， 為了保證各個LED亮度、色度的一致性， 有必要設計一款恒流驅動器， 使LED電流的大小盡可能一致。

　　基于LED發光特性， 本文設計了一種寬電壓輸入、大電流、高調光比LED恒流驅動芯片。該芯片采用遲滯電流控制模式， 可以用于驅動一顆或多顆串聯LED。在6V~30V的寬輸入電壓范圍內， 通過對高端電流的采樣來設置LED平均電流， 芯片輸出電流精度控制在5.5%， 同時芯片可通過DIM引腳實現模擬調光和PWM調光， 優化后的芯片響應速度可使芯片達到很高的調光比。

　　本文首先對整體電路進行了分析， 接著介紹各個重要子模塊的設計， 最后給出了芯片的整體仿真波形、版圖和結論。

　　1 電路系統原理

　　圖1是芯片整體架構以及典型應用電路圖。

　　該電路包括帶隙基準、電壓調整器、高端電流采樣、遲滯比較器、功率管M1、PWM和模擬調光等模塊。此外該芯片還內置欠壓和過溫保護電路， 從而能在各種不利的條件下， 有效的保證系統能夠穩定的工作。

　　圖1 芯片整體等效架構圖

　　從圖1中可以看到電感L、電流采樣電阻RS、續流二極管D1形成了一個自振蕩的連續電感電流模式的恒流LED控制器。該芯片采用遲滯電流控制模式， 因為LED驅動電流的變化就反應在RS兩端的壓差變化上， 所以在電路正常工作時， 通過采樣電阻RS采樣LED中的電流并將其轉化成一定比例的采樣電壓VCS， 然后VCS進入滯環比較器，通過與BIAS模塊產生的偏置電壓進行比較， 產生PWM控制信號， 再經柵驅動電路從而控制功率開關管的導通與關斷。

　　下面具體分析電路的工作原理。首先芯片在設計時會內設兩個電流閾值IMAX和IMIN。當電源 VIN上電時， 電感L和電流采樣電阻RS的初始電流為零， LED電流也為零。這時候， CS_COMP遲滯比較器的輸出為高， 內置功率NMOS開關管M1導通， SW端的電位為低， 流過LED的電流開始上升。電流通過電感L、電流采樣電阻RS、LED和內部功率開關從VIN流到地， 此時電流上升斜率由VIN、電感（L）、LED壓降決定。當LED電流增大到預設值IMAX時， CS_COMP遲滯比較器的輸出為低， 此時功率開關管M1關閉， 由于電感電流的連續性， 此時電流以另一個下降斜率流過電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和續流肖特基二極管（D1）， 當電流下降到另外一個預定值IMIN時，功率開關重新打開， 電源為電感L充電， LED電流又開始增大， 當電流增大到IMAX時， 控制電路關斷功率管， 重復上一個周期的動作， 這樣就完成了對LED電流的滯環控制， 使得LED的平均電流恒定不變。

　　從以上分析可知， LED的平均驅動電流是由內設的閾值IMAX和IMIN決定， 因而不存在類似于峰值電流控制模式的反饋回路。所以與峰值電流控制模式相比， 滯環電流控制模式具有自穩定性，不需要補償電路， 另外峰值電流檢測模式動態響應調節一般需要幾個周期的時間， 而滯環電流控制至多一個周期就可以穩定系統的動態響應， 所以滯環電流控制的動態響應更加迅速。當然滯環電流控制模式存在著輸出紋波較大， 變頻控制容易產生變頻噪聲等缺點， 但是在大功率LED照明驅動應用中， 一定的紋波變化和開關頻率變化不會對LED的整體照明性能產生較大影響。