0 引言

    LED(Light Emitting Diode)驅(qū)動(dòng)電源是LED照明燈具的核心部件，分為外部應(yīng)用電源和內(nèi)部電源^[1]。外部應(yīng)用電源為芯片外部電路和LED燈珠提供工作電源，輸出為高壓；而內(nèi)部電源則是為芯片內(nèi)部各個(gè)低壓模塊(如帶隙基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器、比較器等)提供工作電源，輸出為低壓，一般有1.8 V、3.3 V和5 V幾種電壓。內(nèi)部電壓是由外部應(yīng)用電壓經(jīng)過(guò)降壓而得。傳統(tǒng)降壓電路有BUCK型DC-DC變換電路^[2]，這種電路雖然效率較高，但輸出紋波電壓較大、線性調(diào)整率較差、且需要電感元件，不利于集成化。文獻(xiàn)[3]報(bào)道了一種預(yù)降壓電路結(jié)構(gòu)，可在由高壓管HVMN構(gòu)成的源極跟隨器源端產(chǎn)生預(yù)降壓電壓，但電路需要較多的高壓管，芯片面積較大，且易受工藝條件限制。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了另一種降壓電路，采用高壓管作為輸入管對(duì)電容充電，輸出電壓經(jīng)過(guò)電平位移電路結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定輸出電壓。電路中的高壓?jiǎn)?dòng)電路不工作時(shí)，需要低摻雜的高阻值電阻來(lái)承受高壓，嚴(yán)重影響可靠性，且電平位移電路輸出電壓帶負(fù)載能力有限。

    本文設(shè)計(jì)的高壓穩(wěn)壓電路利用高壓管LDMOS構(gòu)成電流源電路對(duì)RC電路充電，并引進(jìn)前置基準(zhǔn)和遲滯檢測(cè)模塊，電容兩端的輸出電壓經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后給芯片提供穩(wěn)定的低壓電源，穩(wěn)壓之后的輸出電壓穩(wěn)定性高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，電路只需外置電容，其余部分可以集成在一塊芯片上。理論分析和仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該高壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)正確，且各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均滿足預(yù)期要求。

1 LED驅(qū)動(dòng)芯片中的高壓穩(wěn)壓電路

    高壓穩(wěn)壓電路是LED分段式恒流驅(qū)動(dòng)電源的核心模塊，圖1所示為本文設(shè)計(jì)的LED分段式恒流電路框圖。市電經(jīng)過(guò)整流橋后得到脈動(dòng)高壓直流電壓，該電壓既要為L(zhǎng)ED燈珠供電，也需為芯片內(nèi)部的相關(guān)模塊提供電源。芯片內(nèi)部模塊的工作電壓為低壓，所以需要一個(gè)高壓穩(wěn)壓電路將高壓脈動(dòng)直流電壓穩(wěn)定到低壓模塊所需的直流值。該高壓模塊的輸出直接影響到芯片內(nèi)部模塊的穩(wěn)定性，對(duì)LED燈具的性能和質(zhì)量起著決定性的作用。

    為解決LED驅(qū)動(dòng)芯片中高壓穩(wěn)壓電路占用芯片面積大、對(duì)工藝敏感性強(qiáng)、帶負(fù)載能力差等問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)的高壓穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。電路主要分為高壓?jiǎn)?dòng)模塊、遲滯檢測(cè)模塊、前置基準(zhǔn)模塊Pre-BAG和LDO穩(wěn)壓模塊4部分。高壓?jiǎn)?dòng)模塊由高壓LDMOS器件構(gòu)成RC充電和高壓放電兩條支路，可在電容兩端得到一定值的電壓（V_CC）。遲滯檢測(cè)模塊具有兩個(gè)門限電壓，主要用于檢測(cè)電容電壓V_CC，輸出信號(hào)用于控制RC充電和高壓放電支路。電路引進(jìn)前置基準(zhǔn)模塊，在V_CC上升到一定值時(shí)能產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓并為L(zhǎng)DO穩(wěn)壓模塊提供參考電壓。由于V_CC不是穩(wěn)定值，故電路引進(jìn)LDO穩(wěn)壓模塊，V_CC經(jīng)LDO穩(wěn)壓之后得到的輸出電壓（V_DD）具有穩(wěn)定性高、帶負(fù)載能力強(qiáng)，可以作為芯片內(nèi)部低壓模塊的工作電源。

    電路采用D-S耐壓為700 V的LDMOS器件構(gòu)成RC充電和高壓放電兩條支路，解決了利用低摻雜大電阻承受高壓所帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，利用LDO穩(wěn)壓之后可以提高輸出電壓的穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

    高壓?jiǎn)?dòng)模塊由RC充電和高壓放電兩條支路構(gòu)成，如圖2，支路一的LDMOS1為RC電路提供充電電流，在電容兩端得到一定值的電壓；支路二由LDMOS2和電阻R0構(gòu)成對(duì)地支路，當(dāng)充電支路一關(guān)閉時(shí)，支路二可作為高壓放電回路。LDMOS2的柵極由遲滯檢測(cè)模塊的輸出電平信號(hào)控制，可處于導(dǎo)通或截止兩種工作狀態(tài)。電容兩端電壓V_CC作為檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)為后續(xù)模塊提供電源。當(dāng)電路上電時(shí)，支路一導(dǎo)通，電容兩端電壓V_CC上升，遲滯檢測(cè)模塊輸出低電平，使LDMOS2處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，遲滯檢測(cè)模塊輸出高電平，使LDMOS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，關(guān)斷支路一，充電結(jié)束。當(dāng)由于后續(xù)模塊消耗使電容兩端電壓低于一定值后， LDMOS2再度截止，此時(shí)LDMOS1導(dǎo)通，充電支路一也再度被激活，對(duì)RC電路進(jìn)行充電。LDMOS1、LDMOS2的D-S耐壓為700 V，支路二LDMOS2的引入可以有效改善文獻(xiàn)[4]所報(bào)道的方案中低摻雜大電阻易受高壓影響的弊端。

    遲滯檢測(cè)模塊由雙門限比較器構(gòu)成，電路具有遲滯回環(huán)傳輸特性。利用正反饋使比較器的門限電壓隨輸出電壓的改變而改變，對(duì)輸入端的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力^[5]。電路中的運(yùn)算放大器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為差分運(yùn)算放大器，第二級(jí)為PMOS管為負(fù)載的共源放大器。兩級(jí)之間采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)消除次級(jí)點(diǎn)對(duì)低頻單位增益帶寬、相位裕度的影響，保證運(yùn)算放大器的工作穩(wěn)定性^[6-7]。

    前置基準(zhǔn)模塊Pre-BAG選用帶隙電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)，主要由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)核心電路和偏置電路構(gòu)成。啟動(dòng)電路保證了在上電以后，前置基準(zhǔn)模塊能正常工作，該模塊主要是為L(zhǎng)DO穩(wěn)壓電路提供參考電壓。

    LDO穩(wěn)壓模塊主要由功率調(diào)整管、誤差放大器和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。由前置基準(zhǔn)模塊為誤差放大器提供參考電壓，輸出電壓V_out經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)取樣后與參考電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果控制調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)^[9]，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。V_out的計(jì)算公式如式(1)：

    電路設(shè)計(jì)的V_out為5 V，V_ref為1.19 V，調(diào)整電阻R4、R5、R6的比值可以得到所需的輸出電壓值。

    該輸出電壓較穩(wěn)定。負(fù)載調(diào)整率是衡量負(fù)載大小變化對(duì)穩(wěn)壓電路輸出電壓的影響程度。該電壓需具有相應(yīng)的帶負(fù)載能力，才能提供作為芯片低壓模塊的工作電源^[10]。本文設(shè)計(jì)的高壓穩(wěn)壓電路如圖3所示。

3 電路仿真與結(jié)果分析

    基于華虹宏力0.5 μm 700 V BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝，在典型工藝角條件下，采用Cadence平臺(tái)下的 spectre仿真器對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖4所示為前置基準(zhǔn)電路的啟動(dòng)工作電壓仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在輸入電源電壓為1.8 V～6 V時(shí)，前置基準(zhǔn)電路穩(wěn)定輸出1.19 V。

    圖5所示為高壓穩(wěn)壓電路的整體仿真結(jié)果。從圖中可看出，在輸入電壓為0～311 V的脈動(dòng)電壓條件下，電容兩端電壓V_CC=5.73 V，V_CC經(jīng)LDO穩(wěn)壓器可以得到V_out=4.97 V。

    經(jīng)計(jì)算，圖5所示系統(tǒng)中的欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、振蕩電路等模塊所需的供電電流約為7.5 mA，考慮到余量，設(shè)定高壓穩(wěn)壓電路的負(fù)載電流為10 mA。圖6所示為輸出電壓的帶負(fù)載能力仿真結(jié)果。從圖中可以看出，負(fù)載電流I_o從0變化至10 mA時(shí)，輸出電壓波動(dòng)為ΔV_out=0.116 V，變化率為2.32%，負(fù)載調(diào)整率為ΔV_out/ΔI_o=11.6 mV/mA，負(fù)載特性較好。

    圖7所示為輸出電壓的溫度特性仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在-40 ℃～130 ℃范圍內(nèi)，輸出電壓的溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃。

    表1為本文設(shè)計(jì)電路的性能參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比，在不同工藝下，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的輸入電壓均為恒壓，本文的輸入電壓為0~311 V的非恒壓；電路的溫漂系數(shù)為27.2 ppm/℃，可以滿足系統(tǒng)要求；輸出電壓V_DD的變化率為2.32%，相較于文獻(xiàn)[4]有所提高，且文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的負(fù)載電流分別為5 mA和1.5 mA，而本文的負(fù)載電流為10 mA，輸出電壓V_out的變化率仍小于3%，負(fù)載特性相對(duì)較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

    LED照明已越發(fā)普及，高壓穩(wěn)壓電路是LED分段恒流驅(qū)動(dòng)芯片的核心模塊，集成化和高壓工藝的限制一直是實(shí)現(xiàn)這一模塊的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的高壓降壓穩(wěn)壓電路，由高壓LDMOS電流源對(duì)RC電路進(jìn)行充電得到預(yù)工作電壓，通過(guò)遲滯檢測(cè)模塊控制充電過(guò)程，引進(jìn)前置基準(zhǔn)模塊降低了溫度和電源波動(dòng)的影響，最后利用線性穩(wěn)壓器使模塊的輸出電壓穩(wěn)定在一定值。仿真驗(yàn)證得到，在0～311 V的周期脈動(dòng)高電壓輸入條件下，電路能穩(wěn)定輸出4.97 V；負(fù)載電流在0～10 mA范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓變化率為2.32%，負(fù)載調(diào)整率為11.6 mV/mA；在-40 ℃～130 ℃溫度范圍內(nèi)，輸出電壓溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃。該電路具有易于集成、穩(wěn)定性好、帶負(fù)載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)LED分段恒流驅(qū)動(dòng)電路的單片集成。

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作者信息:

蘇藝俊1，2，馬  奎1，2，胡  銳3，陳  瀟3，楊發(fā)順1，2

（1.貴州大學(xué) 電子科學(xué)系，貴州 貴陽(yáng)550025；2.貴州省微納電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)550025；

3.貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司，貴州 貴陽(yáng)550018）