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【技术视点】如何设计高效率的LED恒流驱动电路

2013-05-28 14:03
铁马老言
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  文中提出了一种宽电压输入、高效率、高调光比LED恒流驱动电路。在迟滞电流控制模式下,该电路具有结构简单、动态响应快、不需要补偿电路等优点。通过外部引脚,可以方便的进行LED开关、模拟调光和PWM调光。LED恒流驱动电路基于CSMC的1μm40VCDMOS工艺,采用HSPICE进行仿真验证,结果表明在8~30V输入电压范围内,电路输出电流最大可达1.2A,输出电流精度可控制在5.5%以内,电源效率可高达97%。

  引言

  随着LED技术的发展,大功率LED在灯光装饰和照明等领域得到了普遍的使用,同时功率型LED驱动芯片也显得越来越重要。由于LED的亮度输出与通过LED的电流成正比,为了保证各个LED亮度、色度的一致性,有必要设计一款恒流驱动器,使LED电流的大小尽可能一致。

  基于LED发光特性,本文设计了一种宽电压输入、大电流、高调光比LED恒流驱动芯片。该芯片采用迟滞电流控制模式,可以用于驱动一颗或多颗串联LED。在6V~30V的宽输入电压范围内,通过对高端电流的采样来设置LED平均电流,芯片输出电流精度控制在5.5%,同时芯片可通过DIM引脚实现模拟调光和PWM调光,优化后的芯片响应速度可使芯片达到很高的调光比。

  本文首先对整体电路进行了分析,接着介绍各个重要子模块的设计,最后给出了芯片的整体仿真波形、版图和结论。

  电路系统原理

  图1是芯片整体架构以及典型应用电路图。

  该电路包括带隙基准、电压调整器、高端电流采样、迟滞比较器、功率管M1、PWM和模拟调光等模块。此外该芯片还内置欠压和过温保护电路,从而能在各种不利的条件下,有效的保证系统能够稳定的工作。

【技术视点】如何设计高效率的LED恒流驱动电路  

图1芯片整体等效架构图

  从图1中可以看到电感L、电流采样电阻RS、续流二极管D1形成了一个自振荡的连续电感电流模式的恒流LED控制器。该芯片采用迟滞电流控制模式,因为LED驱动电流的变化就反应在RS两端的压差变化上,所以在电路正常工作时,通过采样电阻RS采样LED中的电流并将其转化成一定比例的采样电压VCS,然后VCS进入滞环比较器,通过与BIAS模块产生的偏置电压进行比较,产生PWM控制信号,再经栅驱动电路从而控制功率开关管的导通与关断。

  下面具体分析电路的工作原理。首先芯片在设计时会内设两个电流阈值IMAX和IMIN。当电源VIN上电时,电感L和电流采样电阻RS的初始电流为零,LED电流也为零。这时候,CS_COMP迟滞比较器的输出为高,内置功率NMOS开关管M1导通,SW端的电位为低,流过LED的电流开始上升。电流通过电感L、电流采样电阻RS、LED和内部功率开关从VIN流到地,此时电流上升斜率由VIN、电感(L)、LED压降决定。当LED电流增大到预设值IMAX时,CS_COMP迟滞比较器的输出为低,此时功率开关管M1关闭,由于电感电流的连续性,此时电流以另一个下降斜率流过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和续流肖特基二极管(D1),当电流下降到另外一个预定值IMIN时,功率开关重新打开,电源为电感L充电,LED电流又开始增大,当电流增大到IMAX时,控制电路关断功率管,重复上一个周期的动作,这样就完成了对LED电流的滞环控制,使得LED的平均电流恒定不变。

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