《电子技术应用》

智能化分段线性恒流LED驱动电源设计

2017年电子技术应用第11期
苏艺俊1,马 奎1,2,胡 锐3,杨发顺1,2
(1.贵州大学 电子科学系,贵州 贵阳550025;2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心,贵州 贵阳550025; 3.贵州振华风光半导体有限公司,贵州 贵阳550018)
摘要: 传统的开关型LED驱动电源中含有大电解电容和高频变压器,导致LED驱动电源的体积庞大且使用寿命较短。分段式线性恒流驱动电源可以避免使用大电解电容和高频变压器。设计了一种新型的分段线性恒流LED驱动电源,利用整流之后的高压脉动直流电压的变化,自适应地控制LED灯珠分阶段恒流工作。除整流桥和采样电阻外,整个驱动电路可实现单芯片集成,有效缩小了体积、延长了寿命。电路中还设计了智能拓展端口,可实现智能化控制。基于华虹宏力0.5 μm 700 V BCD工艺对电路进行了仿真验证,在0~311 V周期脉动高电压输入条件下,驱动芯片分四阶段恒流工作,输出最大恒定电流可达97.17 mA,在恒流阶段,电流的瞬态精度误差仅为0.031%。仿真结果表明,该LED驱动电路各指标参数均满足预期要求。
中图分类号: TN402
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171740
中文引用格式: 苏艺俊,马奎,胡锐,等. 智能化分段线性恒流LED驱动电源设计[J].电子技术应用,2017,43(11):38-42.
英文引用格式: Su Yijun,Ma Kui,Hu Rui,et al. Design of an intelligent segmented linear constant current LED driver[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):38-42.

Design of an intelligent segmented linear constant current LED driver

Su Yijun1,Ma Kui1,2,Hu Rui3,Yang Fashun1,2
(1.Department of electronics,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2.Engineering Research Center of the Reliability of Semiconductor Power Device of Ministry of Education,Guiyang 550025,China; 3.Guizhou Zhenhua Feng Gang Semiconductor Co.Ltd.,Guiyang 550018,China)
Abstract: There are electrolytic capacitors with large value and high frequency transformers in traditional switch-mode LED drivers. They will result in large size and short life of a LED driver. A novel segmented linear constant current LED driver which avoids using electrolytic capacitors and high frequency transformers was proposed. It adapts to automatically control LED working with constant current in stages that high voltage pulsating DC voltage after rectification. The LED driver circuit with smaller volume and longer service life can be integrated in a monolithic chip except the rectifier bridge and the sampling resistor. In addition, this driver will achieve intelligent control through an extended pin. The circuit of this LED driver was designed and simulated based on HG 0.5 μm 700 V BCD process. Simulated results show that the driver circuit works in four stages under the condition of high pulse input voltage of 0~311 V cycle, the maximum constant output current is 97.17 mA and the current transient precision error is only about 0.031%. These simulated results indicate that all parameters of this high-voltage regulator are validated.

0 引言

    LED(Light emitting diode)照明是一种新兴的照明技术,是典型的绿色照明光源[1]。在LED照明技术当中,驱动电源的性能至关重要,涉及到了LED整灯的各项电气性能以及可靠性。LED驱动电源大致发展为开关电源和线性电源[2],开关电源具有效率高、功耗小的优点,但存在较严重的电磁干扰问题;而线性电源的电磁干扰问题较小,输出电流电压纹波小,但效率较开关电源低[3]。在LED照明中,要求驱动电源的使用寿命高于LED光源的使用寿命,才能保证LED整灯的使用寿命。但由于电路中使用了电解电容,易受工作温度的影响,发生电解液挥发,电容容量下降等问题,使用寿命大大降低,影响了驱动电源的使用寿命,进而降低LED整灯的使用寿命[4-6]

    本文设计了一种去电容化的智能化分段线性恒流LED驱动电源,整个驱动电源无电解电容、变压器、电感等大体积的元器件。电路采用分段工作方式,可以实现对输入电压的自适应分段工作,提高了功率因数(Power Factor,PF)。电路内部集成了四段高压功率MOSFET,除整流桥和采样电阻外,驱动电源的其余部分可集成在单颗芯片上。芯片电路中设置了使能扩展控制端,可接受外部感应信号,控制LED输出电流的变化,实现智能化控制。理论分析和仿真验证结果表明,电路的设计正确,且各项性能指标均满足预期要求。

1 驱动电源电路设计

    传统的开关型LED驱动电源中一般含有大电解电容和高频变压器,导致LED驱动电源的体积庞大且使用寿命较短。图1所示为市电工作的传统的开关型LED驱动电源的系统框图。图中滤波电路主要目的是将整流后的电压波形变成平滑的直流电,输出整流可以对电压整形滤波,保持输出电流的一致性,电路需要采用电解电容和电感等储能元件[7]。变压器采用反激工作方式,反复的接通和断开使变压器实现电-磁-电的变换。可见传统的开关型LED驱动电源在电路结构上采用了大体积的变压器和电解电容、电感等,电路具有体积庞大和使用寿命较短等问题[8]。分段线性恒流LED驱动电源可以有效地解决以上问题。

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    图2所示为本文设计的智能化的分段线性恒流LED驱动电源的系统框图。驱动电路可以避免使用大电解电容和高频变压器,根据整流之后的电压变化,自适应地控制LED灯串分段恒流工作。图中模块1整流桥可对正弦电压波形进行全波整流,LED灯串N1~LED灯串N4采用N个LED灯珠串联形式,Rsen采用外置精确电阻。输入电压经高压稳压降压电路输出VDD,作为芯片工作电压;多值输出参考电路可以得到4路参考电压,为4组线性恒流电路提供参考电压;4组线性恒流控制LED灯串处于恒流工作状态;电平转换模块可以将外部感应信号电平转换为芯片可识别的电平,并控制多值输出参考电路,控制多值输出参考电路的输出值;内部集成多种保护电路,可防止芯片过温、过压、过流等极限情况,确保电路正常工作。

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    电路的基本工作原理分析如下:输入市电为220 V/50 Hz的交流电经整流桥整流之后,可以在整流桥的两个输出端口得到脉动直流高压,该电压峰值电压为311 V、时间周期为10 ms的正弦半波脉动电压。该电压既为高压稳压降压电路提供工作电压,也作为LED光源的输入电压Vin。高压稳压降压电路可在第一串灯珠正向导通前稳定输出芯片的工作电压,保证芯片正常工作。多值输出参考电压电路输出(V1<V2<V3<V4)4路电压分别作为4组线性恒流电路的参考电压。

    在输入电压上升阶段,当输入电压上升到LED灯串N1的正向导通电压后,第一组线性恒流电路中的LDMOS1处于导通状态,LED灯串N1点亮,电流受第一组线性恒流电路控制,电流值为V1/Rsen。当输入电压达到灯串N1和LED灯串N2的正向导通电压后,由于支路的电流增大,反馈电压变大,使得第一组线性恒流电路的运放输出为低电平,从而关断了第一组的LDMOS1,LED灯串N1、LED灯串N2和LDMOS2构成一条支路,电流受第二组线性恒流电路控制,电流值为V2/Rsen。依次工作原理,点亮LED灯串N3和LED灯串N4。在输入电压下降阶段,4组线性恒流电路工作次序与输入电压上升阶段相反。

    外部感应信号可通过电平转换电路控制多值输出参考电压电路,从而改变输出电流。分段线性恒流LED驱动电路可工作在两种工作电流模式下,如表1所示。LED分4个阶段依次点亮,表中V11/V1=V22/V2=V33/V3=V44/V4=2,Rsen为外置采样电阻。

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2 电路设计

    图3为智能化分段线性恒流LED驱动电源的电路设计结构。

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    电路中整流桥1,选用全波整流桥。其中每一桥臂上二极管的反向耐压在700 V以上,正向电流容量在300 mA以上。

    高压稳压降压电路2,由高压管LDMOS0和电容C0构成RC充电支路,并通过稳压值为5.8 V的齐纳二极管Zener1稳压,供前置基准电压源和线性稳压器工作。前置基准电压源产生Vref1作为线性稳压器的参考电压,OPA0根据电阻反馈网络中电阻R8上的压降变化调节Mp40的栅压,使得输出电压VDD稳定,VDD可以用式(1)计算:

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式中μpCox为功率管的工艺参数,W/L为宽长比,Vod为过驱动电压。当额定负载电流为10 mA,Mp40的宽长比W/L可取4 000/2,使得VDD具有一定的带负载能力,并作为芯片的低压模块的工作电压。

    多值输出参考电压电路3,主要由基准电压源、缓冲器和电阻分压网络3部分构成。基准电压源利用具有相反的温度系数电压的权重以合适的比例相加得到具有零温度系数的基准电压[9]。运放OPA5输出与反向端相连构成缓冲器,基准电压经过缓冲器后可以得到Vref2,经电阻按比例分压后可得到多个参考电压,缓冲器保证了参考电压的特性跟基准电压特性一样。电阻分压网络加入一个开关管Mn13,可以根据使能信号EN控制Mn13的导通与截止,从而改变电阻分压网络的比例,使得输出参考电压发生变化。电路中Vref2=1.2 V,R13=40 kΩ,R14=7  kΩ,R15=6.4  kΩ,R16=6.6  kΩ,R17=20  kΩ,当使能无效时,参考电路输出V1=0.3 V,V2=0.4 V,V3=0.5 V,V4=0.6 V;当使能有效时,电路输出V11=0.6 V,V22=0.8 V,V33=1 V,V44=1.2 V。电路受使能信号控制,输出两组不同的参考电压。

    线性恒流电路4,主要由运放OPA1、高压LDMOS1和采样电阻Rsen构成。当输入电压上升到第一串LED灯N1的正向压降后,LDMOS1的漏源电流开始增加,采样电阻上的压降也逐渐上升且反馈到运放的反相端,OPA1通过输入端电压的变化,调节LDMOS1使得输出电流稳定[10],使LED灯串N1恒流工作,此时输出电流可以用式(3)计算:

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    其中I1为第一组线性恒流电路控制的LED输出电流,V1为多值输出参考电路的一路参考电压,Rsen为外置采样电阻。线性恒流电路4、5、6、7工作原理相同。

    电平转换电路8,外部感应的信号EN_Vin通过电平转换电路后可以将外部感应信号EN_Vin调整为与芯片工作电压电平一致,得到输出使能信号EN。信号EN通过控制多值输出参考电路的使能端,使多值输出参考电路输出两组不同的参考电压,可切换LED处于两种不同的工作状态。

    保护电路9,由过温保护电路、过压保护电路和过流保护电路构成。

3 仿真与结果分析

    基于华虹宏力0.5 μm 700 V BCD工艺,选用Cadence平台下的 spectre仿真器对电路进行了仿真验证。仿真时电路中的LED灯串采用电阻与多个二极管串联的方式进行模拟。

    图4所示为LED输出电流随输入电压变化的仿真结果。从仿真结果可以看出在输入电压周期内,将使能信号接VDD时,随着输入电压上升,LED输出电流分4段依次增加,每一阶段都是恒流状态;随着输入电压的下降,LED输出电流也分4阶段依次减小,电路实现了分段恒流工作功能。

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    图5所示为LED输出电流工作在第4段功率管作用时的瞬态电流变化仿真结果。从仿真结果可以看出在恒流阶段,输出电流最大值为97.19 mA,最小值为97.16 mA,电流波动为0.03 mA,电路的瞬态精度误差仅为0.031%。

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    图6为多值输出参考电路的仿真结果,电路在5 ms的时候启用使能信号EN_Vin。从仿真结果可以看出多值输出参考电压从V1:V2:V3:V4变化为V11:V22:V33:V44,实现了对多值输出参考电压的控制。

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    图7所示为开启使能信号后的LED输出电流与输入电压的变化仿真结果。电路在5 ms的时候启用使能信号EN_Vin,从仿真结果可以看出在前0~5 ms阶段,输出电流受V1:V2:V3:V4控制,在后5~10 ms阶段,输出电流受V11:V22:V33:V44控制,每个恒流阶段的输出变流都变大了一倍,电路可实现了智能化控制。

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4 结束语

    在LED照明技术当中,驱动电源是至关重要的,提高驱动电源的性能有利于推动LED照明技术的发展。本文所设计的智能化分段线性恒流LED驱动电源芯片,无需大电解电容和变压器,有效提高了驱动电源的使用寿命、缩小了体积。该芯片可以随着输入电压的变化,自适应地分阶段恒流工作,内部集成了完善的保护电路,确保电路稳定性和可靠性。驱动芯片电路中还设计了智能拓展功能,可支持LED智能照明扩展控制。仿真结果表明,在0~311 V周期脉动高电压输入条件下,芯片输出可分4阶段恒流工作,最大恒定电流可达97.17 mA,在恒流阶段,电流的瞬态精度误差仅为0.031%。电路可接受外部感应信号,从而控制电路处于两种不同的输出电流状态。该驱动芯片具有小体积、易集成、可扩展智能控制等优点,有利于提高LED驱动电源的性能。

参考文献

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[9] 张龙,冯全源,王丹.一种带曲率补偿的高精度带隙基准源设计[J].微电子学,2015,45(2):222-224.

[10] 叶文峰,杨志豪,陈凯,等.LED照明用分段线性恒流驱动电源设计[J].中国照明电器,2015(2):16-18.



作者信息:

苏艺俊1,马  奎1,2,胡  锐3,杨发顺1,2

(1.贵州大学 电子科学系,贵州 贵阳550025;2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心,贵州 贵阳550025;

3.贵州振华风光半导体有限公司,贵州 贵阳550018)

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