《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 作者:崔晶晶,曾以成,夏俊雅
2017/7/5 10:34:00

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。

    关键词: 恒流输出;温度自适应;滞回关断;LED驱动;过温保护

    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.

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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