一种16位恒流LED驱动器的设计
摘要：本文介绍了一种16位恒流LED驱动器集成电路（简称“驱动器”），该驱动器采用0.6mu;m2P3MCMOS工艺制造，有效面积为0.9mmtimes;0.9mm，并提供16位漏极开路的恒流LED驱动输出，所有恒流输出信号均由信号外部的电阻进行编程控制。仿真结果表明，每个输出通道在-40℃至125℃的温度范围内可提供高达70mA的恒定电流和3V至5.5V范围内的电压，每位之间的电流匹配度为3％，每个技术角之间的电流匹配度通常小于6％。而且该设计还包括上电复位和过热保护电路，有助于保护芯片避免逻辑错误和免受烧毁。
关键词：恒流；LED驱动器；复位；过热保护
1 引言
发光二极管（LED）显示屏利用LED灯组成的点阵或像素单元形成大面积显示屏，是自八十年代以来迅速发展的展示媒体。如今，由于其可靠性高、使用寿命长、环境适应性好、适应性能高，已经迅速成为平板显示领域的主流。根据发光器件的运行原理，具有高输出电流、恒流等特性的LED驱动器逐渐成为LED显示器的主流研究对象及产品。
本文详细介绍了一种16位恒流LED驱动器的设计，每个输出通道在一定的温度范围（-40℃至125℃）和电源范围（3V至5.5V）内可提供高达70mA的恒定电流。此外，此驱动器还实现了上电复位和过热保护电路等辅助电路，确保为驱动器提供了正常的工作条件。
2 设计过程
2.1 设计基本构成
本设计所提出芯片的工作原理图如图1所示，它由恒流电路、逻辑控制电路和辅助电路三个部分构成。
第一部分为恒流电路，由带隙电路（图2 ）和电流调节器（图3）组成，是整个设计的主要部分。工作时，先由带隙电路产生参考电压，其中该参考电压与温度和电源电压的变化无关；然后通过电流调节器和外部电阻转换为参考电流，改变则可对输出电流进行调节。
第二部分为逻辑控制电路，由缓冲器、移位寄存器和锁存器组成，主要用于数据接收和使能控制。通过时钟信号和串行数据信号之间的协调，该部分电路实现了串并转换、PWM控制和16个输出通道切换的功能。
第三部分——辅助电路——由上电复位电路（POR）和过热保护电路（OTP）组成。前者用于在上电时清除锁存寄存器; 后者用于在高温时产生暂停输出通道的信号OTP，从而防止芯片烧毁。
2.2 电路设计
2.2.1 带隙电路
产生带隙参考电压的原理是分别将两个相反温度系数的电压和适当的权重相加，以获得零温度系数的参考电压。
本文所应用的带隙电路原理图如图2所示，其中，构成电流镜，并且满足关系，参考电压由以下公式获得
（1）
2.2.2 电流调节器电路
电流调节器的简要示意图如图3所示，它由源极跟随器和电流镜（完整的原理图如图4所示）两部分组成。电流调节的功能由两级源极跟随器完成：在第一阶段，将点的电压设定为0.9V，当外部电阻设置为适当的值时，的采样电压将反馈到AMP1的负端，然后流入的电流是
（2）
被电流镜复制，因此流入的电流是
（3）
设置和满足
（4）
并且得到输出电流为
（5）
因此，可通过调节改变输出恒定电流值。
为了确保即使温度或电压波动很大也能准确复制电流，电路中设计了调节级联电流镜（图4），如图4所示，和构成反馈回路以稳定输出电流，因此电路具有大的输出电阻。
2.2.3 上电复位电路（POR）
POR电路在上电时提供复位信号以锁存寄存器，当电源电压继续增加并保持在工作电压范围内时，信号POR将再次下拉。在此之后，整个复位过程完成，信号POR影响其他的逻辑功能。 同时，为了防止电源连续下降时电路会发生振荡，引入滞后电压电路。
如图5所示，POR电路可分为三部分：启动电路（和）、滞环电压电路（、、和B、C两点之间的器件）和快速上电复位电路。该电路实现了如下所述的两个功能：
- 慢速上电复位过程
当电源从0开始上升时，节点A中的电压非常低，因此处于截止状态。随着不断的增加，当电压达到足以打开和的时，导通，此时的POR开始跟随。随着继续上升，节点C的电压被下拉，因此POR被设置为零。随即实现上电复位功能。
- 快速上电复位过程
如果电源开启太快，电容器C就会进行充电，的漏极电压迅速上升，POR的电压变高。当启动电路开始工作时，节点D上的电压逐渐上升，导致POR电压下降，从而完成了快速上电过程。
2.2.4 过热保护电路（OTP）
OTP电路在高温时会产生关断信号以关闭输出通道，当温度降低到安全水平之后，输出通道将再次自动打开。
OTP电路通过比较二极管和电阻器产生的电压来保护芯片，该设计中的OTP电路原理图如图6所示。当电路正常工作时，低于，此时的不足以打开，因此OTP保持低电平。当温度上升到时，则高于，因此增加并且导通，同时下拉至地，OTP变为高电平以关闭输出通道。当温度降低时，也会下降，之前已被下拉至地，因此在反向恢复过程中，要求温度较低，以使关闭，同时OTP返回到低电平，形成一个温度滞后的过程。
3 仿真结果
该驱动器采用TSMC 0.6mu;m 2P3M CMOS工艺实现，在、环境温度为27℃的条件下，不同工艺角下的各个通道输出电流如表I所示。
从表I可以看出，仿真后的测试数据表明单通道的最大输出电流高于70mA，每个通道之间的输出电流误差小于3％，不同的技术角之间的电流误差不超过 6％。
如图7所示，通道输出电流根据外部电阻的线性调整而变化，图中的电阻调节范围是，输出电流范围为75.4mA~9.9mA。
如图8所示，在和的条件下，当环境温度从-40℃到125℃变化时，通道输出电流在37.4mA和38.2mA之间波动，这表明该芯片在很宽的温度范围内具有良好的恒定电流特性。
如图9所示，在和环境温度为27℃的条件下，当电源从3V线性增加到5.5V时，通道输出电流在0.9mA范围内保持良好的恒流输出特性。
图10显示了OTP电路的温度特性，仿真结果表明OTP信号在161.6℃处上升、在132.4℃处下降。这种温度滞后的特性可保护功率MOSFET免于烧毁。
图11显示了POR电路的上电特性，慢速和快速上电复位的过程分别在10us和30us时显示。在20us时，显示电压滞后，当电源持续下降时，这种滞后可防止电路发生振荡。
芯片的布局（如图12所示）由CadenceVirtuoso完成。芯片的整个面积仅为1.2mmtimes;1.2mm，这有助于提高集成度并降低生产成本。
4 结论
本文中的16位恒流LED驱动器是采用TSMC 0.6mu;m 2P3M CMOS工艺实现。恒流输出的实现由一个外部电阻进行编程控制，每个通道的输出电流高达70mA，它能正常工作在-40℃至125℃的温度范围内，并且提供3V至5.5V的电压。此外，驱动器还包含上电复位和过热保护电路，可保护芯片免受逻辑错误和烧毁。仿真结果表明，每个位之间的电流误差为3％，每个技术角之间的电流误差小于6％。本文实现了芯片的布局和后期仿真，所提出的LED驱动器适用于大面积LED显示屏。
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一种具有高电能质量和零待机功能的
大范围恒流LED驱动器
摘要：本文提出了一种应用于大范围输入电压（90V-300VAC）的高功率因数低THD（总谐波失真）恒流LED（发光二极管）驱动器。LED驱动器可调节大范围LED串电压（60V-150V）并提供恒定LED电流（0.7A），适用于整个负载和路线周期。该设计适用于户外路灯照明系统50W-90W的LED驱动器，其功率因数和THD符合IEC61000-3-2C类照明规范，整体能源转换效率、待机功能和空载损耗符合ENERGYSTAR规范。该方案适用于大范围电压LED路灯的智能城市应用，其电路板设计尺寸紧凑，适应了LED路灯的现有市售LED挤压件。另外本文在电路中设计了保护电路，使得不同状态如LED开路和短路时，电路均得到保护。
关键词：LED路灯，LED驱动器，功率因数校正，电能质量，准谐振转换器，零待机功率，智能城市，能源效率。
1 引言
最初，大功率LED对于通用照明特别是户外路灯系统是十分昂贵的。随着科技的进步以及凭借LED自身高效、长寿命的优点，其总体成本不再使人望而却步，使得如今家用和户外的照明系统中LED灯已变得十分常见。由于LED输入电源是交流电且负载对供电有一定的要求，因此LED驱动电源中的转换器必须遵循适用于照明负载的IEC61000-3-2C类规范。
驱动器中需要设置源功率因数校正装置（PFC）以满足电能质量标准。成本和效率是LED驱动器市场的主要关注点，为解决这些问题，一些学者提出了在准谐振有源开关模式（QRASM）中使用单级单开关的设计方案：单级单开关AC-DC电源转换器使用单个有源开关，首选金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）用于PFC以及恒流控制，QRASM模式通过使用一个低成本控制系统来降低开关损耗，从而提高电源转换器的效率。文献[8]中人们进行了关于单相PFC变换器的综合研究，LED静态和动态特性表明了电压的微小变化会产生很大的电流变化；文献[1-5]、[8-12]中提出了许多提高了电能质量的驱动器用于驱动大功率LED；文献[9]中提出了两阶段方法用于大范围控制，但效率有所降低，因此采用了两级LED驱动器升压和谐振DC-DC变换器以提高效率，其中DC-DC阶段的转换效率是94%，在整合PFC级效率（考虑相同的94％）后，整体LED驱动器效率将接近80％。
在分析各文献的基础上，本文提出了一种针对60V到150V的大范围输出电压LED驱动器，使得即使在较高LED串电压的操作下也可获得更高的流明。此前为了满足以上需求，人们将级联LED驱动器投入市场使用，图1就显示了一种可获得更高的流明、功率高达90W的传统级联LED驱动器。然而随着驱动器级数的增加，系统成本也不断增加，整体效率受到了影响；除此之外，目前智能照明LED系统的首要要求是增加智能功能，这无疑成为了另一个主要的难点。本设计仅利用了单个驱动器，其能够通过诸如远程控制的智能功能来驱动大范围的LED，经开发和测试后，可适用于50W至90W的功率输出，不会影响高功率因数（HPF）、低谐波失真（THD）、高效率良好的电流调节（CR）和低电流纹波；此外，此驱动板还实现了调光功能和ENERGYSTAR的首要要求，即待机功耗小于0.5W，还可在其中增加智能功能，如智能调光和可进行远程控制LED路灯的OFF-ON开关。
本文详细地论述了驱动器的设计、参数计算的过程、结果的测试以及最终结论。
2 设计过程
本文所提出的设计方案基于恒流模式单级单开关，包括输入滤波器的选择设计、磁性设计、QRASM控制系统设计和智能功能设计，图2-图4为LED驱动器的完整原理图。
2.1 输入滤波器的选择
图3为线路滤波器的电路图，其中桥式转换器的小电容C4用于分担总线电压；金属氧化物变阻器（MOV）用于输入电压浪涌保护——在高压浪涌
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资料编号：[1232]
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