LED凈化燈恒流驅動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現利用外接電阻控制恒流輸出的大小，驅動電流范圍為14.5mA到91.5mA.驅動電流可以通過外接PWM數字信號實現輸出使能控制，控制響應時間為7ns.可用于LED顯示屏。通過Hspice軟件進行仿真，5V的電源電壓波動±10%時驅動電流波動小于1.85%.環境溫度由25℃變化到85℃時驅動電流變化2.14%.外接電壓由0V變化到5V,此時的驅動電流變化小于5.5%.當驅動電流為91.5mA時，恒流工作電壓僅為0.38V.

　　1  引言

　　近年來，LED顯示屏應用迅速發展，推動LED凈化燈驅動IC的進步。基于對LED的高可靠性以及亮度和色度一致性的考慮，通常要對LED進行恒流驅動。

　　用于LED顯示屏的恒流驅動電路主要存在三個設計要點：①驅動電流可通過單一外接電阻設定。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，以滿足采用PWM技術動態調光或高速掃描應用的需要。文中給出了一種使驅動MOS管在線性區實現恒流的控制方法，且不需要在源極串聯反饋電阻，有效降低了恒流工作電壓。在此基礎上，給出了滿足以上三方面要求的完整控制電路。

　　2  恒流驅動電路設計

　　恒流驅動模塊是整個控制電路設計核心，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，此電流恒定。Vcc是電路的外接電壓，用來為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實現恒流驅動。外接電壓Vcc的增大使得M1進入飽和區，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它們的電流滿足線性比例關系且電流恒定，比例系數取決于兩者的寬長比的比值。這種恒流模式完全依賴于MOS管的柵電壓并且恒流工作電壓（VDS1）至少要滿足M1管飽和導通，因此結構對于LED顯示電路來說功耗大。

　　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，增加的電流通過R1作用反饋到運放的反相端，負反饋結構會使得M0的柵壓降低，使M0上漏電流減小，從而實現動態平衡，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。動態平衡方式很好的實現了恒流輸出，恒流特性好。負反饋結構使得驅動電流Iout與I_rset之間滿足線性比列關系，比例系數取決于R0與R1的阻值比。

　　該結構存在一些不足：①R1不宜過大，否則R1上壓降過高，產生較大功耗。②R1不宜過小，否則會導致反饋電壓過小，反饋電壓信噪比低，電路性能不穩定。R1設置在幾個歐姆為宜，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模塊

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

　　MOS管漏電流ID在不同工作區滿足關系式：

　　當VDS>VGS-VTHN時，MOS管處于飽和區：

　　當V DS < VGS - V THN時， MOS 管處于線性區：

　　若某一原因導致運放同相端輸入電壓增大，會使得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，驅動電流Iout與I_rset就會滿足一個線性的比例關系，比例系數依賴于M1和M2的寬長比的比值。而對于一個固定的外設電阻，I_rset是固定不變的，電路可以利用此關系在M2尚處于線性區時就可以恒流輸出，顯著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性區的工作范圍寬，即保證在M2處于線性區時，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進入到飽和區時，盡管反饋結構不再起作用，但M2已經可以利用飽和區恒流特性實現恒流輸出，I_reST不變使得飽和區的恒流值與線性區一致，兩個工作區的曲線擬合在一起，形成最終的恒流輸出曲線。

  電路方案LED凈化燈