1 引 言

LED以其功耗低、發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在照明、背光等領(lǐng)域取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。LED的亮度與工作電流成正比，為了維持亮度的穩(wěn)定，需要一個(gè)穩(wěn)定的恒流電源為其供電。在電源管理方面，DC/DC變換器具有體積小、功耗低、效率高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用十分廣泛。基于DC/DC升壓變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路也成為一種比較經(jīng)典的LED驅(qū)動(dòng)方式。DC/DC變換器有多種控制方式，其中峰值電流模式由于具有較快的響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)界獲得廣泛的應(yīng)用。但是，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，電路容易發(fā)生次諧波振蕩，需要引入斜坡補(bǔ)償電路進(jìn)行消除。

2 電路設(shè)計(jì)與分析

圖1所示為本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路，由四部分組成：斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路、電流采樣與疊加電路、誤差放大器、PWM 比較器。

圖1 基于DC/DC變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路

2.1 斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路

圖2所示為斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路，其中，OP為箝位運(yùn)算放大器。可以看出，基準(zhǔn)電壓VREF經(jīng)過(guò)電阻R10與R11分壓后，再經(jīng)運(yùn)算放大器的電壓箝位后作用于可調(diào)電阻RL上，產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流。電流經(jīng)過(guò)MP1~MP4四個(gè)MOS管的鏡像后，成為對(duì)電容進(jìn)行充電的恒定電流信號(hào)。由電路結(jié)構(gòu)可以算出此電流的大小為：

由于基準(zhǔn)電壓為恒定電壓，電阻R10與R11相互匹配，電阻RL為正溫度系數(shù)的多晶電阻與負(fù)溫度系數(shù)的阱電阻串聯(lián)形成的近似零溫度的電阻，所以，此電流近似為一個(gè)基準(zhǔn)電流。電流作用于電容上，通過(guò)方波信號(hào)對(duì)電容充放電的控制，便可產(chǎn)生鋸齒波電壓信號(hào)，且鋸齒波的斜率m0為：

鋸齒波電壓被抬高VEB1后，輸入到信號(hào)疊加模塊。VSLOPE端電壓為一個(gè)鋸齒波電壓，因此，圖2中，電流鏡采用一種自偏置結(jié)構(gòu)。相對(duì)于普通的共源共柵電流鏡，這種電流鏡具有更大的輸出電壓擺幅，可滿足VSLOPE端電壓變化范圍寬的要求。

圖2 斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路。

2.2 電流采樣與疊加電路

相比于電壓模式，電流模式具有更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度。不過(guò)，在占空比大于50%時(shí)，電路易發(fā)生次諧波振蕩，需要額外添加斜坡補(bǔ)償電路來(lái)克服。

本文采用采樣電路輸出信號(hào)與斜坡補(bǔ)償信號(hào)相疊加的補(bǔ)償方式。

電流采樣與疊加電路如圖3所示。電流采樣電路實(shí)際上為一個(gè)二級(jí)運(yùn)放，MN3與MN4為運(yùn)放的第一級(jí)，組成共柵極的差分對(duì)結(jié)構(gòu)，并以電流鏡MP14與MP15作為有源負(fù)載。MN5為運(yùn)放的第二級(jí)，為一個(gè)共源極結(jié)構(gòu)，且以MP12作為有源負(fù)載。

圖3 電流采樣與疊加電路。

MP1的作用是為第二級(jí)提供一個(gè)靜態(tài)電流，使得當(dāng)CS端為零時(shí)，第二級(jí)仍能有一個(gè)靜態(tài)電流，保持第二級(jí)的開(kāi)啟。具體原理為：MP14與MP15的尺寸相同，則電流I5與I6相等；同時(shí)，MN3與MN4的尺寸相同，它們的柵源電壓也應(yīng)相同。從圖3可以看出，MN3與MN4的柵電位相同，這就決定了它們的源極電壓也應(yīng)相同，即電阻R4與R5上的壓降相同，從而電流I7與I8相等。由于I7=I4+I5,I8=I3+I6,結(jié)合前面的分析I5=I6,便可以得到I3=I4.通過(guò)上面的分析可知，運(yùn)放第二級(jí)的電流由MP13設(shè)定，通過(guò)改變MP13與MP16的電流鏡像比例，調(diào)節(jié)第二級(jí)靜態(tài)電流的大小。

當(dāng)CS端有一個(gè)大小為VCS的值時(shí)，則應(yīng)該使運(yùn)放第一級(jí)的輸出增加，從而使電流I3增大。具體分析為，由于I4與I5大小一定，則電阻R4上的壓降一定，CS端電壓增加了VCS后，R4上的電壓也增加VCS,R5上的電壓也應(yīng)該增加VCS.這就要求R5上的電流增加VCS/R5,由于I6保持不變，則應(yīng)該使I3增加VCS/R5.VCS為電感電流作用于一個(gè)小的采樣電阻上產(chǎn)生的壓降，VCS的變化情況反映了電感電流的變化情況，且VCS變化大小完全正比于電感電流的變化大小。假設(shè)采樣電阻為RS,電感電流的斜率為K,則I3的斜率為KRS/R5.設(shè)電感電流的上升斜率和下降斜率分別為K1與K2,對(duì)應(yīng)的I3的斜率分別為K1RS/R5和K2RS/R5.電流疊加模塊由MP10、MP11、R3和Q3組成。從圖2可以看出，VSLOPE比電容C1上的電壓高一個(gè)VBE,而在圖3中又下降了一個(gè)VBE后作用于R2上，相當(dāng)于電容C1上的電壓直接作用于電阻R2上。結(jié)合（2）式，電流I2的斜率m1為：

電流通過(guò)鏡像又作用于電阻R3之上，即可得到補(bǔ)償?shù)男甭蕀:

MP11上的電流為采樣電路的采樣放大電流，此電流作用于電阻R3上，可得到此電壓的斜率m′：

電感電流的下降斜率經(jīng)過(guò)采樣電路后轉(zhuǎn)換為：

由文獻(xiàn)[3]~[4]可知，為保證電路不發(fā)生次諧波振蕩，應(yīng)使m >1/2m′2 ,即：

約去R3可得：

補(bǔ)償后的信號(hào)經(jīng)過(guò)Q3 抬升VBE之后，產(chǎn)生RAMP信號(hào)，輸入到PWM,與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較。

2.3 誤差放大器

誤差放大器的作用是采樣反饋電壓，輸出一個(gè)控制信號(hào)，然后輸入到PWM 比較器中控制電流峰值的大小。LED 工作時(shí)，由于工藝偏差，每一個(gè)LED上的正向壓降都不會(huì)相同，這樣每一路LED電壓采樣點(diǎn)的電壓大小都不會(huì)相同。為了保證每一路LED都能正常工作，電路應(yīng)采樣電壓最低的信號(hào)輸入到誤差放大器中，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。本文誤差放大器具有自選擇功能，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 誤差放大器。

由于輸入對(duì)管為PMOS管，偏置電流會(huì)流向柵壓最低的那一路，而柵壓相對(duì)較高的其他三路便會(huì)關(guān)斷，保證電路正常工作時(shí)誤差放大器的反相輸入端只有一個(gè)晶體管在工作。

從圖4可以看到，電路為單級(jí)折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有很高的輸出電阻，保證了電路的高電壓增益。結(jié)合模擬集成電路的基本知識(shí)，可得到電路的靜態(tài)增益：

其中，gm為輸入差分對(duì)管的跨導(dǎo)，//代表電阻并聯(lián)，gm14和gm35分別為晶體管MN14和MP35的跨導(dǎo)，ro1,ro14,ro35,ro30分別為差分輸入對(duì)管和MN14,MP35,MP30的輸出電阻。

本文的誤差放大器只有一個(gè)主極點(diǎn)，在放大器的輸出端，它與輸出端的電阻以及電容大小有關(guān)，用p 表示其大小：

其中，C 為輸出端點(diǎn)的電容大小，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下主要為晶體管寄生電容。

2.4 PWM 比較器

PWM 比較器將經(jīng)斜坡補(bǔ)償后的電流采樣信號(hào)與誤差放大器輸出的控制信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流采樣電路輸出的峰值信號(hào)達(dá)到控制信號(hào)的值時(shí)，PWM信號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)很窄的脈沖信號(hào)，觸發(fā)功率管關(guān)斷。本文設(shè)計(jì)的PWM 比較器如圖5所示，相比于普通的比較器，差分對(duì)的左側(cè)多出一個(gè)晶體管MP47.

圖5 PWM 比較器。

電路啟動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)的輸出電壓很低，會(huì)使誤差放大器的輸出信號(hào)很高，導(dǎo)致柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比達(dá)到100%,造成DC/DC輸出產(chǎn)生一個(gè)很高的脈沖。增加SS端以后，在啟動(dòng)時(shí)，SS端的電壓信號(hào)會(huì)緩慢上升，屏蔽掉很高的Vea控制信號(hào)，使柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比慢慢上升，實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動(dòng)。當(dāng)軟啟動(dòng)成功以后，SS端的電壓也會(huì)上升到高于Vea,從而關(guān)斷MP47,電路進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。

3 仿真結(jié)果與分析
3.1 誤差放大器增益與相位曲線

圖6所示為誤差放大器的增益和相位曲線，其中，Gain和Phase分別代表開(kāi)環(huán)狀態(tài)下誤差放大器的增益與相位。從圖中可以看出，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，誤差放大器的靜態(tài)增益可以達(dá)到70dB,并且3dB帶寬可達(dá)到10kHz以上；還可以看出，電路只有一個(gè)主極點(diǎn)，所以可以有90°的相位余量。

圖6 誤差放大器的增益與相位。

3.2 整體電路的功能仿真

圖7所示為整體電路的功能仿真結(jié)果。圖中，OSC,SLOPE,CS,VEA,RAMP,PWM 分別表示振蕩器輸出信號(hào)、斜坡信號(hào)、電流采樣信號(hào)、誤差放大器輸出信號(hào)、采樣電路輸出與斜坡信號(hào)疊加后的輸出信號(hào)、PWM 比較器的輸出信號(hào)。

圖7 電路整體功能仿真結(jié)果。

從圖7可以看到，斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路在振蕩器信號(hào)的控制下輸出一個(gè)固定斜率的鋸齒波信號(hào)SLOPE,該信號(hào)與電流采樣電路輸出的信號(hào)進(jìn)行疊加，生成RAMP信號(hào)。電路穩(wěn)定時(shí)，誤差放大器輸出為一個(gè)恒定值，當(dāng)功率管開(kāi)通時(shí)，電感電流持續(xù)增加，CS端的采樣電流同步增加，RAMP信號(hào)也同步增加。當(dāng)RAMP信號(hào)的值達(dá)到Vea時(shí)，PWM 比較器便會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，關(guān)斷功率管。

然后，電感電流開(kāi)始下降，并且采樣點(diǎn)電流消失，直至下一個(gè)工作周期，振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)再次打開(kāi)功率管。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于DC/DC變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路，包括電感電流采樣電路、斜坡信號(hào)產(chǎn)生電路、誤差放大器和PWM 比較器。采樣電路采樣電感上的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后與斜坡補(bǔ)償信號(hào)疊加，然后輸出到PWM 比較器，并在誤差放大器輸出信號(hào)的控制下輸出一個(gè)電壓脈沖，控制功率管的關(guān)斷。

斜坡補(bǔ)償采用上斜坡補(bǔ)償方式，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。誤差放大器具有信號(hào)自動(dòng)選擇功能，不需要增加選擇器，可大大降低功耗與版圖面積。
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