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大功率白光LED驱动电路的双环检测方法

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第23卷第4期 2010年4月 传感技术学报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS V01.23 No.4 Apr.2010 A Double Loop Detection Method of the Power White LED Driver Circuit WANG Tingyu,GUO Wei,ZHU Dazhong (Department ofInformation Science and Electronics Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:A power LED constant—current driver with double loop detection is designed with 0.5 tzm standard CMOS process provided by CSMC.The simulation results show that the chip can work under 2 MHz and its driving current can reach 1.5 A.When supply voltage is 24 V.its power efifciency can reach 95%.While driving a LED of 1 W/350 mA and supply voltage varies±10%on 6 V.the LED current changes only 0.02%.Compared to single loop detection,the response time of LED current is shortened by 2/3.It shortens the response time of LED current while maintaining high precision of constant current driving and high efifciency. Key words:power LED;constant—current driver;double loop detection;power supply—sensor;PWM EEACC:2570D 大功率白光LED驱动电路的双环检测方法术 王廷宇,郭 维,朱大中 (浙江大学信息与电子工程学系微电子与光电子研究所,杭州310027) 摘 要:基于CSMC 0.5 m标准CMOS工艺,设计了一种带有双环检测的大功率LED恒流驱动芯片。仿真结果表明,芯片可在 2 MHz频率下工作,驱动电流最高可达1.5 A,在24 V电源电压时,电源效率可达95%。当电源电压在6 V跳变±10%,驱动 1 W 350 mA的LED时,LED电流精度达0.02%。对比单环检测模式,该电路的LED驱动电流响应时间缩短了近2/3。此模式 在保持高精度恒流和高效率的同时,有效地缩短了LED驱动电流的响应时间。 关键词:大功率LED;恒流驱动;双环检测;电源电压传感;PWM 中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:1004—1699(2010)04—0485—05 LED驱动电路的设计主要考虑两个方面:恒流特 性和低功耗¨ J,因此,电感式开关控制模式成为大 1 电路原理及设计 功率LED驱动电路模式的主流方向 。目前,电 所设计的芯片框图及外围降压型LED恒流驱 感式开关控制模式得到广泛应用的有电压型PWM 动电路如图1所示。 模式和峰值电流型PWM模式。电压型PWM模式电 路结构简单,但存在对电源电压的变化动态响应慢等 缺点。峰值电流型PWM模式虽然解决了电压型 PWM模式动态响应慢的问题,但在开关占空比大于 50%时存在开环不稳定和次谐波振荡问题,这就需 要引入斜率补偿电路 ,使整体电路结构变得复杂。 本文采用CSMC 0.5 Ixm标准CMOS工艺设计 LED驱动芯片。在电压型PWM模式单环检测输出 电流的基础上增加了传感电源电压变化的电压环路, 形成双环检测电路。它既可以解决对电源电压变化 动态响应慢的问题,也避免了引入斜率补偿等复杂电 图1带双环检测的LED驱动电路图 路。通过Cadence spectre仿真显示,电路动态响应 该集成电路主要包括电压调整器、带隙基准源、误 快,且具有良好的恒流特性和较高的工作效率。 差放大器、积分器、比较器、振荡器、过流保护、温度保 项目来源:浙江省科学技术厅科技计划项El高效节能技术专项资助(2006c1 1007) 收稿日期:2009—11—02 修改日期:2009—12—03 486 传感技术学报 第23卷 护、过压保护、欠压保护、触发器、输出驱动和功率开关 分器的输入电压 由开关信号 经电阻网络取样 所得,另外,在电路中功率管等效为开关管,其上的 源漏导通压降很小,使 近似等于电源电压,因此 管等模块。其中电路使用积分器作为传感电源电压变 化的核心模块,实现系统对电源电压变化的快速响应。 该电路由控制LED平均电流大小的电流外环和传感电 源电压变化的电压内环的双环检测回路组成。 1.1 电流外环检测原理 积分器的输入端能传感电源电压的变化,关系式为: = w瓦 a (2) 电流外环的主要模块是误差放大器(EA),它可 控制LED驱动电流的恒流精度。EA的正相输入端 积分器采用图3所示的带泄放电路的同相德波 积分器结构… 。 接基准电压 ,其中 电压为350 mV,通过带隙 基准源分压产生。另外,将外接的取样电阻尺 接至 芯片引出管脚CS+和CS一两端,此时由电流外环 确定的LED平均电流大小为: 。= = ㈩ 因此,通过电流外环,只要调节 就能得到不 同的LED平均电流大小。 对于该模式,EA的频率特性将直接影响系统 的稳定性,一般采用一级运放的折叠式共源共栅结 构 J,如图2所示。 V grid 图2误差放大器结构原理 在本电路设计中,将EA输出端连接R 和C 到地以实现系统频率补偿。此时EA的主极点P。= 1 ,补偿的零点Z0 赢,次极 点p 1 ,其中R叭儿为EA的输出电阻,cmn为 EA的输出电容。外接的电感 。和电容c。会产生 双极点Po= —1 ,另外由于电容C。存在等效 ‘lj /-Jl 1 串联电阻RESR,会产生一个零点Zesr 1 。为 了保证系统稳定,要求系统的截止频率 满足 。< <p:并且 >z ,另外根据采样定理,截止频率 必须小于开关频率的1/2¨引。上述条件在电路设 计和模拟分析中均可实现,本文第2节中详细讨论。 1.2电压内环检测原理 电压内环的主要模块是积分器(Integrator),它 可传感电源电压的变化以达到快速响应的目的。积 图3 带泄放电路的同相德波积分器 图3中泄放开关管M控制积分电容Cint的充 放时间,其栅端接电路控制模块的 输出,积分器 的输入与输出之间关系式为: ) 上 (r)d (3) 可见,如果积分器的输入 为一恒定的量,则 积分器的输出随时间线性增大,其积分斜率由尺和 C 确定。 1.3双环检测电路原理分析 系统达到稳定时的各点波形如图4所示。误差 放大器(EA)的输出为一恒定电平 ,当积分器的 输出 上升到 时,比较器(Comp)输出翻转,此 时触发器清零有效,积分器开始快速放电,其输出 被拉至低电平,驱动功率管M 被关断,此时驱动 电流由电感,J 上产生的电流流经LED、取样电阻R 和续流二极管D,形成回路,电感电流逐渐减少。直 到下一个时钟周期到来时(时钟下降沿有效),驱动 功率管M 再次导通,此时驱动电流由电压源DC流 经驱动功率管M 、电感L。、LED和取样电阻R 形成 回路,电感电流逐渐增大,积分器的输出 线性上 升,当大于EA输出电压 时功率管再次关断,开 始下一个循环。 cLK]厂_]厂]厂 二 [ 。]厂]厂]『- / /^\\ 图4芯片主要点工作波形 第4期 王延宇,郭维等:大功率白光LED驱动电路的双环检测方法表1外接元件参数 L1 C0/REsR C。 l C p 5 nF 487 当系统检测到电源电压变化时,LED电流将随 之变化,并需要经过数个时钟周期的反复调整才能 达到稳定。根据式(3),得到误差放大器的输出电 200 p.H R p 220 tLW150 mft 50 pF l Mn 压 和功率管在一个时钟周期中的导通时间f。 关 系如下: =仿真得电路的幅频特性曲线如图5所示,其中 图5(a)的虚线为误差放大器的幅频特性,实线为外 接电感电容的幅频特性,图5(b)为整个电路系统的 幅频特性。由图可知此电路系统的截止频率 为5 Vi (4) 将式(4)转化为功率管在一个时钟周期中的导 通时间t。 的函数: RCi.tV ̄ton: t =_ (5)( ) 因此,功率管导通时间 。 跟误差放大器输出电 压 和积分器的输人电压l,s有关,其中 是电流 外环的参数, 是电压内环的参数。对式(5)求全 微分可得,在一个时钟周期中,t。 的变化量为: △ : (vs ̄L—LAV ̄) (6) 另外△ 与△ 表达式如下: 一 (7) △ = (8) 式中G。为误差放大器的开环增益,△ 是电源电压 的变化量, LE。为LED灯的等效电阻, 为工作频率。 对于单环检测模式, 相当于一个恒量,其功 率管导通时间t。 的变化量为: RC i.tAVeAt 。 =— :—。 (9) 对比式(6)和式(9)可得,对于相同的电源电压 变化,在一个时钟周期中,双环检测的模式比单环检 测的模式功率管导通时间变化量增加了△ 变量, 而△ 与△ 符号相反使其导通时间变化量变大, 减少了电路达到稳定的时钟周期数。另外,由式 (7)可得工作频率越高则AL越小,即△ 对t。 变 化的作用越明显。因此,在较高频率下,增加能传感 电源电压变化的电压内环对提高系统的响应速度意 义更为重大。 2电路仿真结果 电路基于CSMC 0.5 m标准CMOS工艺设计, 并采用Cadence Spectre进行仿真验证。为驱动1只 1 W/350 mA标准的大功率LED灯,外接的取样电 阻尺 取1 Q,另外振荡电容c 取150 pF,使电路工 作在45 kHz频率下,其余外接元件参数如表1。 kHz,主极点P 为0.07 Hz,零点 为30 Hz,次极点 P,为15 kHz,由电感电容产生的双极点P。为800 Hz,零点z 为3 kHz,此时电路的相位裕度约为 40。,满足电路稳定性要求。 amplitude—rfequency characteristics freq/Hz (b) 图5 电路局部和整体的幅频特性曲线 另外,为了说明电压检测环路能有效的传感电源 电压的变化,减少电路的动态响应时间,将6 V电源电 压经过40 l/IS时下跳到5.4 V,再在60 ms时上跳到6.6 V(电源电压变化10%),观察LED驱动电流随时间的 关系及其在电源电压跳变处的响应情况。两种模式的 仿真结果如图6所示,其中图6(a)为电源电压随时间 变化的波形,图6(b)为双环检测模式的LED驱动电流 随时间变化波形,图6(c)为单环检测模式的LED驱动 电流随时间变化波形。从图中可知,两种模式的LED 驱动电流最终都能稳定在350 mA左右,计算得到当电 源电压在6 V跳变±10%时,LED平均电流仅变化 0.02%,实现了精确的恒流控制。 将图6在60 ms到80 ms间局部放大后如图7 所示。从图7可清晰地看到电源电压在5.4 V到 6.6 V跳变时两种模式的LED驱动电流响应过程。 对于图7(b)所示的双环检测模式,在电压跳变处, LED驱动电流前后基本保持一致,只有纹波大小发 生变化,其达到稳定的时间约为5 ms。而对于图7 (C)所示的单环检测模式,LED驱动电流有明显的 488 传感技术学报 第23卷 向上跳变过程,其稳定时间约15 ms,大于双环检测 的5 ms响应时间,这说明增加的电压检测环路能有 效地传感电源电压的变化,使LED驱动电流随电源 另外,LED工作效率的计算公式表示如下: 叩= 叩 = 川, 电压变化的动态响应时间缩短。 Transient Response 6・75 6.25 一 娄 厂 5.75 5.25 O 20 40 60 time/ms time/ms (c) 图6 两种模式的恒流特性仿真波形 Transient Response 娄 time/ms (a) 375 370 365 萋 360 355 350 345 340 0 20 40 60 80 time/ms (b) 萋 翼 一 在电路采用双电源供电,用24 V电源电压驱动 6只串联的1 W LED灯时,可得电源效率高达 95%,实现了高效率工作。 3 结论 文本设计了一种带有双环检测的LED恒流驱 动电路。理论分析指出传感电源电压变化的电压内 环可以增加电源电压波动时对脉冲宽度调整的灵敏 度(功率管的导通时间 。 在每一时钟周期中的调整 量增加),减少调整到电流设定值的时间(时钟周期 数减少),并在越高工作频率下其作用越明显。仿 真结果则进一步指出在45 kHz工作频率下,电压内 环使LED驱动电流对电源电压变化的动态响应时 间缩短了近2/3,实现了快速响应的目的。另外,电 源电压在6 V跳变±10%时,LED平均电流仅变化 0.02%,如果采用24 V和6 V双电源供电,驱动6 只串联1 W LED灯时电源效率可高达95%。此电 路具有精确恒流控制、高工作效率及动态响应快等 优点,有利于在高频下工作,在实际应用中可有效地 提高大功率白光LED的使用寿命和发光效率。 参考文献: [1] Why Drive White LEDs with Constant—Current,Maxim Integrated Products,2004. 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