新型大功率LED恒流驱动芯片设计

傅　敏，嵇保健，黄胜明，夏晨阳

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816）



新型大功率LED恒流驱动芯片设计

傅敏，嵇保健，黄胜明，夏晨阳

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816）

设计了一款基于BUCK电路的大功率LED恒流驱动芯片，芯片集成了带隙基准源模块、LDO模块、偏置电流产生模块、数字调光模块、过温保护模块、逻辑控制模块和驱动模块等。对带隙参考源、高压LDO和过热保护3个子模块电路的设计做了重点研究，通过Cadence软件对子电路和系统的各项参数进行了模拟仿真和优化，对整体电路的版图进行了设计和验证，芯片面积为1 680 μm×1 210 μm。采用 VIS公司的0.35 μm 40 V BCD工艺进行了流片。测试结果表明，芯片基于控制导通时间的控制方式实现了高精度，且具有输入电压范围广、低电压参考源和PWM调光等功能，驱动电流可达到 1.5 A，且不用补偿就能够稳定工作。

LED；导通时间控制；恒流驱动；PWM调光；模块电路

中文引用格式：傅敏，嵇保健，黄胜明，等.新型大功率LED恒流驱动芯片设计［J］.电子技术应用，2016，42（7）：38-41.

英文引用格式：Fu Min，Ji Baojian，Huang Shengming，et al.Design of constant-current control chip for driving high-power LED［J］. Application of Electronic Technique，2016，42（7）：38-41.

0　引言

LED凭借能源消耗低、发光效率高、环保、使用寿命长、安全可靠等众多优势在照明领域获得一席之地，并有不断扩大的趋势，同样LED照明产业也带来了十分显著的经济效益和社会效益。因此，LED照明的迅速普及也带动了LED驱动芯片产业的蓬勃发展，使得LED驱动芯片已成为电源管理电路市场的重要组成部分［1-5］。由于LED照明的光亮度与其导通电流的强度密切相关，恒流驱动是最理想的选择，本文设计了一款输入电压范围宽，输入电流精度高，PWM数字调光，可驱动大功率的LED恒流驱动芯片。

1　芯片的总体设计及应用

1.1芯片结构及工作原理

本款芯片是 DC/DC降压型 LED恒流驱动芯片，其输入电压范围宽，达到 6 V至 45 V，输出正向电流最高可达1.5 A，可以满足大部分直流应用，能使流过不超过最高输出电压的串联LED的电流稳定。采用迟滞控制模式，利用Buck电路中电感电流的不可突变性，通过采样电阻的反馈电压与芯片内部的参考电压进行比较，通过内部MOSFET开关控制输出电压导通关闭，从而实现恒流的目的，对LED进行恒流驱动。该芯片同时具有参考电压低、瞬态响应极快、数字（PWM）调光、UVLO欠压保护、过热保护的特点，主要包括带隙基准源（REF）模块、LDO模块、偏置电流产生模块、数字调光模块、过温保护（TSD）模块、逻辑控制（logical control）模块、Driver模块［6-7］。总体结构示意图如图 1所示。

当输入电压VIN接通后，电压调节器高压LDO开始工作，为模拟控制电路部分提供5 V的电源 VOUT。当欠压锁存单元（UVLO）监测到LDO的输出达到4 V时，会向偏置电路模块、过热保护电路模块、逻辑控制电路模块和驱动电路模块发出使能信号（EN），此时芯片整个系统开始工作，内置 NLDMOS功率器件M1导通，电感L的电流开始上升，由于采样电阻 RSNS上的电流等于电感 L上的电流，该电流流过反馈电阻 RSNS后，产生一个反馈电压 VSNS，VSNS会通过 Vfb引脚反馈到芯片内部，而 Vfb引脚内会产生一个由芯片内部基准产生的参考电压Vref（本文设计芯片为200 mV），此时芯片中的比较器会将反馈电压 VSNS和参考电压 Vref进行比较，如果反馈电压 VSNS低于参考电压Vref，那么芯片会使内部的NLDMOS导通，导通的时间 TON是由与 clt引脚相连的电阻 RON和输入电压VIN所决定的。导通时间TON结束后，NLDMOS会关断一个时间，我们把这个时间称之为最小关断时间 TOFF-MIN（本文设计的芯片最小关断时间为 200 ns）。最小关断时间 TOFF-MIN结束以后，芯片对 VSNS和参考电压 Vref进行比较，如果 VSNS小于 Vref，M1导通，开始下一次的循环工作，再次比较反馈电压VSNS和参考电压 Vref之间的大小。另外，当NLDMOS导通时，如果外部元件如电阻RON和电感L的取值不恰当，例如电阻RON过大或者电感L过小，从而导致 Vfb上的电压降超过 300 mV，此时连接在Vfb端的另外一个比较器的输出信号状态会翻转，强制NLDMOS关断，芯片停止工作。其典型应用电路如图2所示。

图1　总体结构示意图

图2　芯片典型应用

1.2芯片的改进驱动方案

上文对本款芯片做了整体的描述，并通过芯片的典型应用图对其工作原理做了具体分析，但是具体在研究分析过程中发现芯片的典型应用方案对输入电压变化幅度要求较高，一般不超过±10%，如果输入电压变化幅度超过这个范围，输出电流精度误差将显著增加，所以在此芯片的基础上设计一种新型的LED恒流驱动电路，并构建了实验电路。实验结果表明：该电路解决了之前芯片典型应用方案输出电流随输入电压变化的问题，使得输出电流精度误差小于1%，从外部电路增强了该芯片的功能，从而也拓宽了其应用范围。新型LED驱动方案如图3所示。

图3　新型LED驱动方案

比较图2与图3可以看出，图3提出的新型驱动方案的电路在VIN端口与Vjb端口分别添加了R1与R2电阻，其中R1为大电阻，设计阻值应该较大，R2为小电阻，设计阻值应该较小，下面就对这样改进的具体原理进行分析。

改进前电路如图2中反馈到Vfb端口的反馈电压VCS1是由采样电阻 RSNS所决定的，满足式（1）：

改进后电路如图3中反馈到Vfb端口的反馈电压VCS2是由采样电阻 RSNS和 R2共同决定的，满足式（2）：

式（2）中的VR2

表示电阻R2两端的电压，VR2

又满足于式（3）：

式（3）中的IR1

表示流过电阻R1的电流，而IR1

是由输入电压VIN、反馈电压VCS2、电阻R1共同决定，满足于式（4）：

将式（3）和式（4）整理可以得到：

再将式（5）代入式（2）中，整理后可以得到反馈电压VCS2的新表达式：

式（6）中，VIN表示输入电压；ILED是流过LED的电流；VCS2是改进后新型驱动方案的反馈电压。

通过对整理分析后的反馈电压 VCS2的新表达式（6）进行分析可以看出，当输入电压VIN增加时反馈电压 VCS2也随之增加，这将起着抵消输出电流随输入电压增加而增加的作用，所以只要大电阻R1与小电阻R2选取合适，通过分子上R2和分母上的R1之间的数学关系可以看出输出电流 IF与输入电压VIN的关系就变得微乎其微，甚至可以忽略不计。这个新型LED驱动方案就解决了芯片典型应用的驱动电路输入电压变化幅度只能限制在±10%的问题，使输入电压变化幅度可以达到±50%甚至更多，大幅度提升了该芯片的功能，进一步拓宽了该芯片应用范围。

2　版图布局与芯片仿真结果

2.1整体版图布局

版图设计是集成电路设计中一个非常重要的环节，直接决定芯片的成本和性能。本文主要从引线布局和模块布局来分析芯片整体布局设计。

2.1.1管脚布局设计

本文设计芯片共有8个管脚，重要的管脚有输入脚VIN、开关脚 SW、功率 NLDMOS的驱动模块浮动电源脚VCC以及接地脚 VSS。在芯片应用中电源脚 VCC和开关脚SW之间要连接一个电容，因此，把电源脚 VCC的焊盘放置在靠近开关脚SW的地方。此外芯片周围都是接地线，对接地脚 VSS焊盘放置的设计主要考虑到接地脚VSS需要靠近电压参考源模块，其他管脚焊盘的放置主要从节省芯片面积来考虑。

2.1.2功能模块布局设计

功能模块布局重点考虑模拟和数字信号干扰问题、热效应和散热问题等。在布局上主要是把模拟电路部分放置在远离功率器件的地方以减少功率器件发热对模拟电路的影响。数字控制模块放在芯片的中部，功率器件驱动模块紧靠功率器件放置，功率器件放置在芯片的最上方［8-9］。

2.1.3实际整体版图设计

根据上述的版图布局设计考虑，对芯片版图进行整体布局和设计优化，如图4所示，最终版图面积为1 680 μm× 1 210 μm。在版图设计好后，对版图进行了DRC和LVS检查验证，并把GDS数据传送到VIS进行MPW流片制造。

2.2整体电路仿真结果

总体电路应用仿真连接图如图5所示。

图4　芯片的整体版图

图5　总体电路应用仿真连接图

在对控制芯片实际应用进行模拟分析时，为了更接近于实际情况，在芯片的每个管脚和相关的连接线上加入1 nH寄生电感和20 MΩ的寄生电阻。模拟中的参数选取如下：RON=100 kΩ，Cboot=10 nF，Cldo=220 nF，L=47 μH。电容CO是并联在LED两端的电容，电容CO的取值大小对LED电流纹波有影响，当电容CO取较大值时，LED上的电流纹波会比较小，但是会对系统调光有一定的影响，当电容CO取较小值时，有利于系统调光，但是 LED上的电流纹波会轻微增大。

图6　输入电压、调光控制信号、以及电感L和LED的电流波形（改进前的芯片）

图6所示是输入电压、调光控制信号、以及电感电流和LED电流波形。随PWM调光控制信号Vadj从逻辑“0”向逻辑“1”变化，电感L和 LED上的电流也从0增加至其额定值，这样可以看出，只要改变PWM调光控制信号 Vadj的占空比，就可以实现调光。从图 6不难看出电感L和LED上的电流随输入电压VIN增加有微小增加。为了解决这一问题，在电路设计中提出了增加两个电阻和一个高压NLDMOS器件的改进方案，如图7所示，其中电阻R1=500 kΩ，R2=500 Ω。这样，LED上的电流不再随输入电压VIN的增加而增加。图8得到的结果验证了这一点：尽管电感L和LED上电流的纹波随输入电压VIN的增加而稍微增加，但平均电流基本一致，不随输入电压而变化。

图7　芯片内部结构改进图

图8　输入电压、调光控制信号、以及电感L和LED的电流波形（改进后的芯片）

4　测试结果

选取电阻R1=500 kΩ，R2=500 Ω，采样电阻RSNS=0.3 Ω，电感 L=10 μH，CO=220 nF，Ron=300 kΩ；负载为 8个功率为1 W的LED灯珠串联。

测试结果如图 9所示，其中 VIN代表输入电压，IF为输出电流。从图9可以清楚看出，当输入电压从20 V逐渐增加到40 V时，原芯片驱动电路中输出电流IF从756 mA增加到804 mA，变化幅度6.35%，对芯片内部结构改进后，其驱动电路中电流从699 mA下降到 692 mA，变化幅度仅为0.86%，到达输出电流基本不随输入电压变化，从而使输出电流的纹波非常小，解决了输入电压变化幅度只能在10%的问题。

测试结果表明当输入电压变化一倍时，输出电流精度误差小于1%，进一步提高了输出电流精度，进一步增强了芯片的功能，扩大了芯片的应用范围。

图9　测试结果

5　结论

本文设计了一种降压型恒流LED驱动芯片，其输出电流精度极高，可低于1%。芯片采用控制导通时间的控制方式，并具有PWM调光功能。芯片内部具有多种保护功能并对其重要模块进行了分析。针对其对输入电压纹波要求较高，对芯片的内部结构进行改进，减小了输入电压波动对输出电流的影响，实现低纹波恒流驱动，具有很高的实用价值。

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Design of constant-current control chip for driving high-power LED

Fu Min，Ji Baojian，Huang Shengming，Xia Chenyang
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing TECH University，Nanjing 211816，China）

An IC chip which is based on BUCK and driven by power LED constant current is designed，the chip is integrated by the bandgap reference module，LDO module，bias current generating module，digital dimming module，over temperature protection module，logic control module and driver module.This journal focus on the design of circuit in the band gap reference source module，high voltage LDO module and overheat protection module.The layout of the whole circuit is simulated and optimized by Cadence software.And the layout of the whole circuit is designed and verified，area of the chip is 1 680 μm×1 210 μm.The chip was also manufactured by 0.35 μm 40 V BCD technology of VIS company.The test results show that the chip realizes high-precision based on the mode to control conducting time.It has functions conclude a wide range of input voltage，low voltage reference source and PWM dimming，and the current which used to drive this chip is up to 1.5 A.Furthermore，it can work without compensation very well.

LED；on-time control；constant current driving；PWM dimming；modular circuit

TN492

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.009

2016-01-10）

傅敏（1992-），通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与LED电源，E-mail：1973438027@qq.com。

嵇保健（1964-），男，讲师，主要研究方向：电力电子技术。

黄胜明（1964-），男，教授，主要研究方向：电力电子器件和系统应用、新能源并网技术和功率电源系统控制集成电路设计。