《电子技术应用》

一款应用于LED驱动的过温保护电路

2017年电子技术应用第6期
崔晶晶,曾以成,夏俊雅
(湘潭大学 微电子科学与工程系,湖南 湘潭411105)
摘要: 设计了一款电压随温度自适应变化,从而使驱动电流随温度自适应变化的过温保护电路。应用于LED驱动电路,具有滞回关断的特点,在恒流输出中增加温度自适应模块,设计简单而且比较稳定。基于0.5 μm CMOS工艺,使用Cadence Spectre对电路进行仿真。仿真结果表明,基准电压精度高,温漂低,温度系数为1.6×10-5/℃;LED电路在0~65 ℃,恒定输出350 mA,输出变化范围小于0.285%;在65~108 ℃范围内变化时,电流输出自适应范围为85 mA;在温度达到110 ℃时,关断信号为高电平,电路关断输出,直到温度下降到60 ℃时,电路重新开启。
中图分类号: TN432
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.010
中文引用格式: 崔晶晶,曾以成,夏俊雅. 一款应用于LED驱动的过温保护电路[J].电子技术应用,2017,43(6):41-44.
英文引用格式: Cui Jingjing,Zeng Yicheng,Xia Junya. Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):41-44.

Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver

Cui Jingjing,Zeng Yicheng,Xia Junya
(Department of Microelectronics Science and Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)
Abstract: An overtemperature protection circuit is designed whose driving current changes with the voltage of temperature self-adaptive changes. Circuit has the characteristic of hysteresis thermal-shutdown and adds the temperature self-adaptive in the constant-current output. Circuit is simple and stable relatively.Based on 0.5 μm standard CMOS technology,the circuit is simulated by Cadence Spectre. The result shows that the reference voltage with high precision,low temperature drift,and temperature coefficient is 1.6×10-5/℃. The LED driver circuit current outputs 350 mA in 0~65 ℃ and its changeable range is under 0.285%. The variation range of temperature self-adaptive current is 85 mA when the temperature changes from 65 ℃ to 108 ℃. The signal for hysteresis thermal-shutdown would be high level and the output circuit would turn off when the temperature rises up to 110 ℃. The circuit wouldn′t restart until the temperature down to 60 ℃.

0 引言

    LED是半导体发光二极管,作为发光源光效高、耗电少、寿命长、环保,是新一代绿色节能光源,因而被广泛推广使用[1]。LED的正常工作需要合适的驱动电源,目前LED的缺陷往往是驱动电源的寿命不够长,原因基本上是驱动芯片过热导致其受损。虽然高质量的驱动电路要全面考虑各种保护措施及其有效性,但过温保护是最基本的。过温保护LED驱动电路主要有以下几种:(1)过温即关断的方式[2],电路频繁关断导通,容易发生热振荡,如LED用于道路照明,易引发事故;(2)滞回关断过温保护的LED驱动电路[3-4],这种方案设计的电路没有温度自适应模块,容易使温度持续升高,影响电路工作寿命;(3)带自适应的过温保护电路[5-6],这种电路比较适合照明,但是该电路没有过温滞回关断电路,若有不可控因素使温度过高,则不能保护电路;(4)文献[7]设计的电路比较新颖,能够有效避免上述3种传统电路的缺点,但是其自适应调控电路设计较为复杂,而且PTAT电流电路的M7、M8管两端源极电压在实际应用中由于晶体管之间的不匹配,并不能保持理想的等式。

    基于以上分析,设计一款应用于LED驱动的新型温度自适应滞回关断过温保护电路,电路在恒流输出中增加温度自适应模块,抑制温升,防止温度过高,即使有不可控因素使温度过高,亦能保护电路,防止电路发生热振荡,电路设计相对简单,而且稳定可靠。

1 LED驱动电路设计及原理分析

1.1 LED驱动电路设计

    LED驱动电路如图1所示。正常温度时,电路恒流输出;当温度升高到温度调控点时,自适应调控电路发挥作用,LED驱动电流随着自适应电压的减少而减少,从而减少功率,热量产生减缓,达到温度负反馈的效果;当不可控因素使得温度过高,即达到预设的过温点时,电路立即关断,保护电路。恒流输出中增加温度自适应模块,有效抑制温升,采用电流镜输出,提高驱动效率。

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    过温保护电路如图2所示,LED驱动电路中Vad、Vthermal即为过温保护电路中的温度自适应调控模块和滞回关断模块。

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1.2 原理

    利用自适应电压和R7确定温度自适应电流Iad,通过调节M27、M28的宽长比,进而调节LED驱动电流ILED。根据运放的钳位作用,V+和V-相等,那么自适应电流为:

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    关断机制模块产生的Vthermal电压接在M25的栅极,控制LED驱动电路的通断。

    在温度小于自适应调控温度时,自适应调控电压等于基准电压,电流恒定输出为350 mA;当温度大于自适应调控温度小于过温保护温度时,自适应调控电压小于基准电压,温度自适应调控模块发挥作用,电流逐渐减小的同时抑制温升;当温度达到过温保护点时,M25导通,M26栅压拉低,M26关断,LED电路不工作,从而达到保护LED灯的作用;当温度降回到温度滞回点时,电路重新开启。

2 过温保护电路各模块设计

    过温保护电路各模块电路图如图2所示,主要包括以下几个部分:PTAT电流源及电压基准电路、电压随温度自适应调控电路、温度判决及滞回关断电路。

2.1 电压基准电路及PTAT电流源

    图2中,由M0~M7、R0~R2、Q0构成PTAT电流源及电压基准电路模块。MOS管M0~M5的电路结构形成了Va→Vb→Vc→Va负反馈环路,从而提高PSRR,减小电源电压变化对电流源的影响。

    由于M5和M1工作在亚阈值区,M5与M1的宽长比之比为K,根据亚阈值区MOS管源漏极电流表达式可以推导出:

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2.2 电压随温度自适应调控电路

    电压随温度自适应电路由图2中镜像基准电压、M9、M10、R4、R5组成。M9与M0构成电流镜,M9与M0的宽长比之比为r,其M9漏极电流大小为:

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    由式(5)可知VR4为PTAT电压。当VR4没有达到M10阈值电压时,M10不导通,其电阻视为无穷大,Vad=Vref;当VR4达到M10阈值电压时,M10开始导通,此时Vad=Vref-VR5,又VR4为M10的栅极电压,则ID10为PTAT电流,使Vad为CTAT电压,是随温度逐渐减小的电压,利用自适应电路降低功率,抑制温升,从而保护电路。

2.3 温度判决及滞回关断过温保护电路

    温度判决及滞回关断模块电路如图2中所示,通过PTAT电压与基准电压Vref相比较,输出经过三级反相器得到Vthermal,输出端接在M12的栅极。由Vthermal控制M12的工作,当有不可控因素使得温度过高时,M12导通,只有当温度降回到比过热温度还低的情况下电路才能重新开始工作,从而产生滞回关断的作用,避免产生热振荡的现象。利用MOS管M11、M12实现温度滞回特性,通过调节M11的宽长比可以调节温度滞回区间大小。

    当温度达到过温关断点时有关系式:

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    当温度降到滞回点时有关系式:

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其中n6、n7、n11分别为M6、M7、M11与M0的宽长比之比。

    由式(7)、式(9)可得温度滞回区间大小即为ΔT=TH-TL

3 仿真与结果分析

    电路基于CSMC 0.5 μm工艺,在标准芯片驱动电压VDD=5 V,LED供电电压VCC=10 V的情况下,利用Cadence Spectre对设计电路进行仿真验证。

    图3所示为Vref基准电压随温度变化的特性曲线,从图中曲线可以看出,当温度从0 ℃变化到120 ℃,基准电压保持恒定输出为1.25 V,温度系数为1.6×10-5/℃,因此电路具有良好的抑制温漂能力。

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    图4所示为电压随温度自适应变化的曲线。当温度小于64.9 ℃,Vad的电压等于Vref的电压,即为1.25 V;当温度大于64.9 ℃,电压随温度自适应变化,电压逐渐减小,从而减少功耗,抑制温升。图中可以看出,电路具有很好的电压自适应特性。

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    图5所示为Vref基准电压与VPTAT电压的仿真特性图。图中标记为×的曲线为Vref温度特性曲线,实线为温度升高时VPTAT电压随温度变化曲线,虚线为温度下降时VPTAT随温度的变化曲线。

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    图6所示为滞回关断过温保护电路随温度变化的曲线图。从图中可以看出,在110 ℃时滞回输出电路从低电平跳变为高电平;当温度降回60 ℃时,滞回输出从高电平跳变回低电平。关断温度与开启温度之间有50 ℃的迟滞温差,可以保证良好的温度滞回特性。

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    图7所示为LED驱动电流随温度变化的仿真曲线图。当温度在0~64.2 ℃时,电流恒定输出。当温度在64.2~108 ℃区间变化时,电流的变化范围为350~265 mA,恒流输出中增加温度自适应模块,降低功率,达到抑制温升的目的。当温度超过108 ℃时,电流突然下降,几乎为零,实现关断电路的目的。当温度重新降为60 ℃时,恢复正常工作,实现很好的温度滞回关断特性,避免电路产生热振荡。

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4 结束语

    应用于LED驱动电路的温度自适应过温保护电路利用基准电压与VPTAT电压相比较,产生滞回关断过温保护电路,并且设计了电压随温度升高而减小的自适应电路,在恒流输出中增加自适应,有效抑制温度上升,有一定的温度自适应范围。整个电路稳定可靠,灵敏度高,设计简单,为防止温度过高,设置温度滞回区间,避免发生热振荡,可以避免发生不必要的事故,由此可见,该电路的应用前景广阔,具有较强的实用性。

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崔晶晶,曾以成,夏俊雅

(湘潭大学 微电子科学与工程系,湖南 湘潭411105)

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