0 引言

    LED憑借能源消耗低、發光效率高、環保、使用壽命長、安全可靠等眾多優勢在照明領域獲得一席之地，并有不斷擴大的趨勢，同樣LED 照明產業也帶來了十分顯著的經濟效益和社會效益。因此，LED照明的迅速普及也帶動了LED驅動芯片產業的蓬勃發展，使得LED驅動芯片已成為電源管理電路市場的重要組成部分^[1-5]。由于LED照明的光亮度與其導通電流的強度密切相關，恒流驅動是最理想的選擇，本文設計了一款輸入電壓范圍寬，輸入電流精度高，PWM數字調光，可驅動大功率的LED恒流驅動芯片。

1 芯片的總體設計及應用

1.1 芯片結構及工作原理

    本款芯片是DC/DC降壓型LED恒流驅動芯片，其輸入電壓范圍寬，達到6 V至45 V，輸出正向電流最高可達1.5 A，可以滿足大部分直流應用，能使流過不超過最高輸出電壓的串聯LED的電流穩定。采用遲滯控制模式，利用Buck電路中電感電流的不可突變性，通過采樣電阻的反饋電壓與芯片內部的參考電壓進行比較，通過內部MOSFET開關控制輸出電壓導通關閉，從而實現恒流的目的，對LED進行恒流驅動。該芯片同時具有參考電壓低、瞬態響應極快、數字(PWM)調光、UVLO欠壓保護、過熱保護的特點，主要包括帶隙基準源(REF）模塊、LDO模塊、偏置電流產生模塊、數字調光模塊、過溫保護(TSD)模塊、邏輯控制(logical control)模塊、Driver模塊^[6-7]。總體結構示意圖如圖1所示。

    當輸入電壓V_IN接通后，電壓調節器高壓LDO開始工作，為模擬控制電路部分提供5 V的電源V_OUT。當欠壓鎖存單元(UVLO)監測到LDO的輸出達到4 V時，會向偏置電路模塊、過熱保護電路模塊、邏輯控制電路模塊和驅動電路模塊發出使能信號(EN)，此時芯片整個系統開始工作，內置NLDMOS功率器件M1導通，電感L的電流開始上升，由于采樣電阻R_SNS上的電流等于電感L上的電流，該電流流過反饋電阻R_SNS后，產生一個反饋電壓V_SNS，V_SNS會通過V_fb引腳反饋到芯片內部，而V_fb引腳內會產生一個由芯片內部基準產生的參考電壓V_ref(本文設計芯片為200 mV)，此時芯片中的比較器會將反饋電壓V_SNS和參考電壓V_ref進行比較，如果反饋電壓V_SNS低于參考電壓V_ref，那么芯片會使內部的NLDMOS導通，導通的時間T_ON是由與clt引腳相連的電阻R_ON和輸入電壓V_IN所決定的。導通時間T_ON結束后，NLDMOS會關斷一個時間，我們把這個時間稱之為最小關斷時間T_OFF-MIN(本文設計的芯片最小關斷時間為200 ns)。最小關斷時間T_OFF-MIN結束以后，芯片對V_SNS和參考電壓V_ref進行比較，如果V_SNS小于V_ref，M1導通，開始下一次的循環工作，再次比較反饋電壓V_SNS和參考電壓V_ref之間的大小。另外，當NLDMOS導通時，如果外部元件如電阻R_ON和電感L的取值不恰當，例如電阻R_ON過大或者電感L過小，從而導致V_fb上的電壓降超過300 mV，此時連接在V_fb端的另外一個比較器的輸出信號狀態會翻轉，強制NLDMOS關斷，芯片停止工作。其典型應用電路如圖2所示。

1.2 芯片的改進驅動方案

    上文對本款芯片做了整體的描述，并通過芯片的典型應用圖對其工作原理做了具體分析，但是具體在研究分析過程中發現芯片的典型應用方案對輸入電壓變化幅度要求較高，一般不超過±10%，如果輸入電壓變化幅度超過這個范圍，輸出電流精度誤差將顯著增加，所以在此芯片的基礎上設計一種新型的LED恒流驅動電路，并構建了實驗電路。實驗結果表明：該電路解決了之前芯片典型應用方案輸出電流隨輸入電壓變化的問題，使得輸出電流精度誤差小于1%，從外部電路增強了該芯片的功能，從而也拓寬了其應用范圍。新型LED驅動方案如圖3所示。

    比較圖2與圖3可以看出，圖3提出的新型驅動方案的電路在V_IN端口與V_jb端口分別添加了R₁與R₂電阻，其中R₁為大電阻，設計阻值應該較大，R₂為小電阻，設計阻值應該較小，下面就對這樣改進的具體原理進行分析。

    改進前電路如圖2中反饋到V_fb端口的反饋電壓V_CS1是由采樣電阻R_SNS所決定的，滿足式(1)：

    式(6)中，V_IN表示輸入電壓；I_LED是流過LED的電流；V_CS2是改進后新型驅動方案的反饋電壓。

    通過對整理分析后的反饋電壓V_CS2的新表達式(6)進行分析可以看出，當輸入電壓V_IN增加時反饋電壓V_CS2也隨之增加，這將起著抵消輸出電流隨輸入電壓增加而增加的作用，所以只要大電阻R₁與小電阻R₂選取合適，通過分子上R₂和分母上的R₁之間的數學關系可以看出輸出電流I_F與輸入電壓V_IN的關系就變得微乎其微，甚至可以忽略不計。這個新型LED驅動方案就解決了芯片典型應用的驅動電路輸入電壓變化幅度只能限制在±10%的問題，使輸入電壓變化幅度可以達到±50%甚至更多，大幅度提升了該芯片的功能，進一步拓寬了該芯片應用范圍。

2 版圖布局與芯片仿真結果

2.1 整體版圖布局

    版圖設計是集成電路設計中一個非常重要的環節，直接決定芯片的成本和性能。本文主要從引線布局和模塊布局來分析芯片整體布局設計。

2.1.1 管腳布局設計

    本文設計芯片共有8個管腳，重要的管腳有輸入腳V_IN、開關腳SW、功率NLDMOS的驅動模塊浮動電源腳V_CC以及接地腳V_SS。在芯片應用中電源腳V_CC和開關腳SW之間要連接一個電容，因此，把電源腳V_CC的焊盤放置在靠近開關腳SW的地方。此外芯片周圍都是接地線，對接地腳V_SS焊盤放置的設計主要考慮到接地腳V_SS需要靠近電壓參考源模塊，其他管腳焊盤的放置主要從節省芯片面積來考慮。

2.1.2 功能模塊布局設計

    功能模塊布局重點考慮模擬和數字信號干擾問題、熱效應和散熱問題等。在布局上主要是把模擬電路部分放置在遠離功率器件的地方以減少功率器件發熱對模擬電路的影響。數字控制模塊放在芯片的中部，功率器件驅動模塊緊靠功率器件放置，功率器件放置在芯片的最上方^[8-9]。

2.1.3 實際整體版圖設計

    根據上述的版圖布局設計考慮，對芯片版圖進行整體布局和設計優化，如圖4所示，最終版圖面積為1 680 μm×1 210 μm。在版圖設計好后，對版圖進行了DRC和LVS檢查驗證，并把GDS數據傳送到VIS進行MPW流片制造。

2.2 整體電路仿真結果

    總體電路應用仿真連接圖如圖5所示。

    在對控制芯片實際應用進行模擬分析時，為了更接近于實際情況，在芯片的每個管腳和相關的連接線上加入1 nH寄生電感和20 MΩ的寄生電阻。模擬中的參數選取如下：R_ON=100 kΩ，C_boot=10 nF，C_ldo=220 nF，L=47 μH。電容CO是并聯在LED兩端的電容，電容C_O的取值大小對LED電流紋波有影響，當電容C_O取較大值時，LED上的電流紋波會比較小，但是會對系統調光有一定的影響，當電容C_O取較小值時，有利于系統調光，但是LED上的電流紋波會輕微增大。

    圖6所示是輸入電壓、調光控制信號、以及電感電流和LED電流波形。隨PWM調光控制信號V_adj從邏輯“0”向邏輯“1”變化，電感L和LED上的電流也從0增加至其額定值，這樣可以看出，只要改變PWM調光控制信號V_adj的占空比，就可以實現調光。從圖6不難看出電感L和LED上的電流隨輸入電壓V_IN增加有微小增加。為了解決這一問題，在電路設計中提出了增加兩個電阻和一個高壓NLDMOS器件的改進方案，如圖7所示，其中電阻R₁=500 kΩ，R₂=500 Ω。這樣，LED上的電流不再隨輸入電壓V_IN的增加而增加。圖8得到的結果驗證了這一點：盡管電感L和LED上電流的紋波隨輸入電壓V_IN的增加而稍微增加，但平均電流基本一致，不隨輸入電壓而變化。

4 測試結果

    選取電阻R₁=500 kΩ，R₂=500 Ω，采樣電阻R_SNS=0.3 Ω，電感L=10 μH，C_O=220 nF，R_on=300 kΩ；負載為8個功率為1 W的LED燈珠串聯。

    測試結果如圖9所示，其中V_IN代表輸入電壓，I_F為輸出電流。從圖9可以清楚看出，當輸入電壓從20 V逐漸增加到40 V時，原芯片驅動電路中輸出電流I_F從756 mA增加到804 mA，變化幅度6.35%，對芯片內部結構改進后，其驅動電路中電流從699 mA下降到692 mA，變化幅度僅為0.86%，到達輸出電流基本不隨輸入電壓變化，從而使輸出電流的紋波非常小，解決了輸入電壓變化幅度只能在10%的問題。

    測試結果表明當輸入電壓變化一倍時，輸出電流精度誤差小于1%，進一步提高了輸出電流精度，進一步增強了芯片的功能，擴大了芯片的應用范圍。

5 結論

    本文設計了一種降壓型恒流LED驅動芯片，其輸出電流精度極高，可低于1%。芯片采用控制導通時間的控制方式，并具有PWM調光功能。芯片內部具有多種保護功能并對其重要模塊進行了分析。針對其對輸入電壓紋波要求較高，對芯片的內部結構進行改進，減小了輸入電壓波動對輸出電流的影響，實現低紋波恒流驅動，具有很高的實用價值。

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