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集成PWM调光功能大功率白光LED驱动芯片的设计
半导体照明正在逐步取代白炽灯照明，由于其独特的属性如高效率、低污染、寿命长，因此加快了对LED的研究。LED器件已经解决了硅基材的生产，现在已经提出LED器件是基于CMOS工艺或是BiCMOS工艺的标准。LED的结温度是LED器件性能的关键，已经有新技术可以使LED的结温度下降。随着LED的发展趋势，LED器件的驱动芯片和硅基材的结合形成所谓的“智能照明芯片”。这就意味着在芯片的集成度和外部设备复杂性有更高的要求的LED驱动芯片。然而，在市场上的白光LED驱动芯片没有跟上进度。传统的电压型与外部直流/直流转换器脉冲宽度调制信号(图1所示),仍然使用在许多LED照明系统中而不是特定的驱动芯片，在芯片整个传动系统至少包含两个芯片和外部电路电容和电感等是不容易制作的。因此有必要设计一个驱动芯片来满足调光的需求，此外,为了满足“智能照明芯片”的要求使用任何外部电容器或电感是不可接受的。注意这两点，一个创新的完全集成的白色发光二极管(LED)驱动芯片在本文已经实现。在我们的设计中，所有的电源装置，调光控制电路，恒流电路和反馈单元制造芯片。
图1 一个外部PWM输入信号和传统的板级电路解决方案
该驱动芯片的原理解决。该驱动系统与芯片调光在第三节中进行了详细描述。第四节介绍了从模拟得到的实验结果，最后结论在第五节。
2.   驱动器芯片的基本原理
A. 脉冲宽度调制调光模式
[1] LED的调光的光通量控制基本上和平均电流成正比，但由于LED的发光机制是内部电子的转移，避免了LED 色彩偏移，LED的瞬态电流必须保持恒定。所以白光LED照明调光方法用于普通照明是不合适的。在LED驱动器中有脉冲调制的调光方法，脉冲宽度调制（PWM）模式是本文中使用，其中通过改变脉冲宽度的频率控制脉冲常数和平均电流控制。vramp振荡器通过误差电压VEA相比产生三角波，一个具有一定占空比的方波VSwitch通过控制开启和关闭功率晶体管得到一定的平均电流，不同占空因数的误差电压VEA将导致所产生的不同的方波得到不同平均电流。
图2 脉冲宽度调制调光控制模式
B.恒流驱动
在电源管理领域是LDO稳压器，稳压器转换器两种产品引领市场。但任何的DC-DC转换器必须包含大容量电容和电感器，所以LDO稳压器是实现完全集成的LED驱动芯片唯一的选择。
在我们的设计中，一个使用无电容LDO稳压器如图3所示。在结构补偿网络建立了稳定的系统，以改善系统的暂态响应。主反馈回路，确定无电容器LDO的增益带宽产品，是其主要作用机制补充能量的输出电容，恢复正确的输出稳态水平的电压。补偿网络内部负反馈回路具有非常高的带宽，比总体增益大得多带宽积。补偿网络检测任何负载电流的变化。镜像并放大该信号后，网络将其发送回功率晶体管的栅极。这些都是低电容的LDO稳压器的基本原理，在第三部分将整个电路进行详细的描述。
 图3 无电容LDO的基本概念
3 系统的设计
该系统已被分为三个模块，如图4所示。
第一个模块是一个带隙基准。它广泛应用于各种混合信号电路产生一个稳定的单位电压。在我们的设计中，它是由两级电路组成。在这种方式中，芯片的输入范围已经大大超出了40V。带隙基准产生3.3V电压的内部电路的电源。在这个方案中有两个好处。一方面，高电压VDD与带隙参考连接。因此，外部VDD的波动不会影响内部电路。该芯片的稳定性有所提高。另一方面，内部电路是由一个3.3V供电电压。低电源能保证较高的效率。带隙基准电路也产生一些恒定电压作为内部参考。
图4 所提出的LED驱动系统方案
第二模块是芯片上的调光模块。调整正向偏置电流可以很容易地改变正向电流。然而，因为正向电流的变化，色偏问题总是与这种方法相关联。脉冲宽度调制调光已被证明是一种有效的方法来避免这种影响，由于脉冲宽度调制调光只是反复的切换和关闭时LED，而电流保持恒定。
通常情况下，一个8级的亮度是足够的日常应用。所以我们的芯片上的调光模块可以使用一个3位的输入信号来控制调光。该数模转换单元将输入的数字信号到模拟参考电压，然后将其发送到比较器的正输入端口单元。另一方面，该振荡器产生一个25千赫的方波。我们选择这一频率，因为它不产生可听噪声和低频可以减少能源消耗。然后，方波传送到具有电容器的三角波产生单元。方波控制电路电容器的充电或放电。所以一个单元负输入端口可以获取和发送到比较器的三角波。两个输入信号在比较器单元放大后的差异非常小。在这种方式中，一个产生不同占空比的方波控制白光LED的调光。比较器单元的波如图5所以。
三模块被设计为产生恒定电流。它由保护电路，缓冲和无电容LDO组成。从芯片上的调光模块的控制脉冲不能直接送入LDO驱动它。因此，缓冲区是用来控制脉冲强到足以驱动LDO而不改变信号的任何更多的，也需要保护芯片过热，欠电压保护电路等。
图5该比较器单元的波型
电容LDO是由四部分组成，如图6所示。参考电压形成的带隙是由电流源的一部分转换为恒流。第二部分使用两级放大器，以确保高的增益。当放大器工作在深度负反馈时，其输出电压的稳定性提高。补偿网络的偏置电流是由M12提供。M14是用来提供M13偏置电压，并确保它工作在饱和区。M13和M15构成一个共源共栅结构。由于的共源共栅结构的特点，从M13漏极看到的特性，其电阻大约是，这是一个大的阻抗。因此，可以有效地防止前馈通路的形成，避免右半平面零点的出现。为了获得更大的阻抗，我们可以选择两个晶体管的一个较大的栅极长度，获得较大的。通过仔细地调整参数，我们可以引入一个左手平面零点到系统中。在这种方式中，补偿网络可以使系统稳定。M16和所述偏置电流源构成一个共源极放大器。与R1一起，他们转换C2上的电流为采样电压。和改善系统的动态响应。因此，瞬态响应的问题也已想出了通过利用补偿网络。
感应场效应管是功率MOSFET的最小单位。它具有相同的W / L与功率MOSFET的基本单元，并与电源装置制作在一起，因此它可以反映电源装置上的变化敏感。在我们的设计中，感- FET的面积是功率MOSFET的1/ 580。
四. 仿真数据和结果分析
白光LED驱动芯片的模拟与CSMC 0.5微米混合信号模型。
Bode图如图7所示。它可以从该系统工作在稳定状态图中可以看出。在启动时的仿真图8中所示,从图中我们可以看到，启动过程是平滑的，它拥有最小的过冲。
图6：晶体管级实现了电容器的LDO稳压器。
图7 电容器的LDO稳压器的开环交流响应
在不同的调光驱动器芯片的输出电流如图9所示。电流的占空比分别为18 ％，60％和85％。这三数字说明无论什么调光模式驱动芯片具有高稳定性的350mA的输出峰值电流。 
如图 系统启动的输出波形
t图9 在不同的调光时的输出波
图10是过热保护电路的输出，从输出的结果可以看出，当温度超过120℃的保护控制信号是有效的，当温度下降到低于电路105℃回到正常状态。
 
图10过热保护电路的输出波形。
图11是欠电压保护电路的输出波形，可以得出结论，该电路可以正确地进行lessvoltage保护。电压小于3.5V时，控制输出被设置为高，将关断芯片，当电压超过4.0V ，将更新。
图11 欠电压保护电路的输出波
5. 结论
一个完全集成到芯片上的调光白光LED驱动芯片已经被提出。它是由一个电容器的LDO稳压器的功率级和一个芯片组成的调光控制器。该电路拓扑结构， LED的色偏和输出电流的稳定性得到同时的改善。仿真结果表明，它具有一个占空比从0％到100％输出350mA电流 ，实现恒流控制照度。此外，完全集成的设计使“智能照明芯片”的良好基础。