0 引言

    LED是半導(dǎo)體發(fā)光二極管，作為發(fā)光源光效高、耗電少、壽命長、環(huán)保，是新一代綠色節(jié)能光源，因而被廣泛推廣使用^[1]。LED的正常工作需要合適的驅(qū)動電源，目前LED的缺陷往往是驅(qū)動電源的壽命不夠長，原因基本上是驅(qū)動芯片過熱導(dǎo)致其受損。雖然高質(zhì)量的驅(qū)動電路要全面考慮各種保護(hù)措施及其有效性，但過溫保護(hù)是最基本的。過溫保護(hù)LED驅(qū)動電路主要有以下幾種：(1)過溫即關(guān)斷的方式^[2]，電路頻繁關(guān)斷導(dǎo)通，容易發(fā)生熱振蕩，如LED用于道路照明，易引發(fā)事故；(2)滯回關(guān)斷過溫保護(hù)的LED驅(qū)動電路^[3-4]，這種方案設(shè)計(jì)的電路沒有溫度自適應(yīng)模塊，容易使溫度持續(xù)升高，影響電路工作壽命；(3)帶自適應(yīng)的過溫保護(hù)電路^[5-6]，這種電路比較適合照明，但是該電路沒有過溫滯回關(guān)斷電路，若有不可控因素使溫度過高，則不能保護(hù)電路；(4)文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的電路比較新穎，能夠有效避免上述3種傳統(tǒng)電路的缺點(diǎn)，但是其自適應(yīng)調(diào)控電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且PTAT電流電路的M7、M8管兩端源極電壓在實(shí)際應(yīng)用中由于晶體管之間的不匹配，并不能保持理想的等式。

    基于以上分析，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于LED驅(qū)動的新型溫度自適應(yīng)滯回關(guān)斷過溫保護(hù)電路，電路在恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊，抑制溫升，防止溫度過高，即使有不可控因素使溫度過高，亦能保護(hù)電路，防止電路發(fā)生熱振蕩，電路設(shè)計(jì)相對簡單，而且穩(wěn)定可靠。

1 LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及原理分析

1.1 LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

    LED驅(qū)動電路如圖1所示。正常溫度時，電路恒流輸出；當(dāng)溫度升高到溫度調(diào)控點(diǎn)時，自適應(yīng)調(diào)控電路發(fā)揮作用，LED驅(qū)動電流隨著自適應(yīng)電壓的減少而減少，從而減少功率，熱量產(chǎn)生減緩，達(dá)到溫度負(fù)反饋的效果；當(dāng)不可控因素使得溫度過高，即達(dá)到預(yù)設(shè)的過溫點(diǎn)時，電路立即關(guān)斷，保護(hù)電路。恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊，有效抑制溫升，采用電流鏡輸出，提高驅(qū)動效率。

    過溫保護(hù)電路如圖2所示，LED驅(qū)動電路中V_ad、V_thermal即為過溫保護(hù)電路中的溫度自適應(yīng)調(diào)控模塊和滯回關(guān)斷模塊。

1.2 原理

    利用自適應(yīng)電壓和R7確定溫度自適應(yīng)電流I_ad，通過調(diào)節(jié)M27、M28的寬長比，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流I_LED。根據(jù)運(yùn)放的鉗位作用，V₊和V_-相等，那么自適應(yīng)電流為：

    關(guān)斷機(jī)制模塊產(chǎn)生的V_thermal電壓接在M25的柵極，控制LED驅(qū)動電路的通斷。

    在溫度小于自適應(yīng)調(diào)控溫度時，自適應(yīng)調(diào)控電壓等于基準(zhǔn)電壓，電流恒定輸出為350 mA；當(dāng)溫度大于自適應(yīng)調(diào)控溫度小于過溫保護(hù)溫度時，自適應(yīng)調(diào)控電壓小于基準(zhǔn)電壓，溫度自適應(yīng)調(diào)控模塊發(fā)揮作用，電流逐漸減小的同時抑制溫升；當(dāng)溫度達(dá)到過溫保護(hù)點(diǎn)時，M25導(dǎo)通，M26柵壓拉低，M26關(guān)斷，LED電路不工作，從而達(dá)到保護(hù)LED燈的作用；當(dāng)溫度降回到溫度滯回點(diǎn)時，電路重新開啟。

2 過溫保護(hù)電路各模塊設(shè)計(jì)

    過溫保護(hù)電路各模塊電路圖如圖2所示，主要包括以下幾個部分：PTAT電流源及電壓基準(zhǔn)電路、電壓隨溫度自適應(yīng)調(diào)控電路、溫度判決及滯回關(guān)斷電路。

2.1 電壓基準(zhǔn)電路及PTAT電流源

    圖2中，由M0～M7、R₀～R₂、Q0構(gòu)成PTAT電流源及電壓基準(zhǔn)電路模塊。MOS管M0～M5的電路結(jié)構(gòu)形成了V_a→V_b→V_c→V_a負(fù)反饋環(huán)路，從而提高PSRR，減小電源電壓變化對電流源的影響。

    由于M5和M1工作在亞閾值區(qū)，M5與M1的寬長比之比為K，根據(jù)亞閾值區(qū)MOS管源漏極電流表達(dá)式可以推導(dǎo)出：

2.2 電壓隨溫度自適應(yīng)調(diào)控電路

    電壓隨溫度自適應(yīng)電路由圖2中鏡像基準(zhǔn)電壓、M9、M10、R₄、R₅組成。M9與M0構(gòu)成電流鏡，M9與M0的寬長比之比為r，其M9漏極電流大小為：

    由式(5)可知V_R4為PTAT電壓。當(dāng)V_R4沒有達(dá)到M10閾值電壓時，M10不導(dǎo)通，其電阻視為無窮大，V_ad=V_ref；當(dāng)V_R4達(dá)到M10閾值電壓時，M10開始導(dǎo)通，此時V_ad=V_ref-V_R5，又V_R4為M10的柵極電壓，則I_D10為PTAT電流，使V_ad為CTAT電壓，是隨溫度逐漸減小的電壓，利用自適應(yīng)電路降低功率，抑制溫升，從而保護(hù)電路。

2.3 溫度判決及滯回關(guān)斷過溫保護(hù)電路

    溫度判決及滯回關(guān)斷模塊電路如圖2中所示，通過PTAT電壓與基準(zhǔn)電壓V_ref相比較，輸出經(jīng)過三級反相器得到V_thermal，輸出端接在M12的柵極。由V_thermal控制M12的工作，當(dāng)有不可控因素使得溫度過高時，M12導(dǎo)通，只有當(dāng)溫度降回到比過熱溫度還低的情況下電路才能重新開始工作，從而產(chǎn)生滯回關(guān)斷的作用，避免產(chǎn)生熱振蕩的現(xiàn)象。利用MOS管M11、M12實(shí)現(xiàn)溫度滯回特性，通過調(diào)節(jié)M11的寬長比可以調(diào)節(jié)溫度滯回區(qū)間大小。

    當(dāng)溫度達(dá)到過溫關(guān)斷點(diǎn)時有關(guān)系式：

    當(dāng)溫度降到滯回點(diǎn)時有關(guān)系式：

其中n₆、n₇、n₁₁分別為M6、M7、M11與M0的寬長比之比。

    由式(7)、式(9)可得溫度滯回區(qū)間大小即為ΔT=T_H-T_L。

3 仿真與結(jié)果分析

    電路基于CSMC 0.5 μm工藝，在標(biāo)準(zhǔn)芯片驅(qū)動電壓V_DD=5 V，LED供電電壓V_CC=10 V的情況下，利用Cadence Spectre對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

    圖3所示為V_ref基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的特性曲線，從圖中曲線可以看出，當(dāng)溫度從0 ℃變化到120 ℃，基準(zhǔn)電壓保持恒定輸出為1.25 V，溫度系數(shù)為1.6×10^-5/℃，因此電路具有良好的抑制溫漂能力。

    圖4所示為電壓隨溫度自適應(yīng)變化的曲線。當(dāng)溫度小于64.9 ℃，V_ad的電壓等于V_ref的電壓，即為1.25 V；當(dāng)溫度大于64.9 ℃，電壓隨溫度自適應(yīng)變化，電壓逐漸減小，從而減少功耗，抑制溫升。圖中可以看出，電路具有很好的電壓自適應(yīng)特性。

    圖5所示為V_ref基準(zhǔn)電壓與V_PTAT電壓的仿真特性圖。圖中標(biāo)記為×的曲線為V_ref溫度特性曲線，實(shí)線為溫度升高時V_PTAT電壓隨溫度變化曲線，虛線為溫度下降時V_PTAT隨溫度的變化曲線。

    圖6所示為滯回關(guān)斷過溫保護(hù)電路隨溫度變化的曲線圖。從圖中可以看出，在110 ℃時滯回輸出電路從低電平跳變?yōu)楦唠娖?；?dāng)溫度降回60 ℃時，滯回輸出從高電平跳變回低電平。關(guān)斷溫度與開啟溫度之間有50 ℃的遲滯溫差，可以保證良好的溫度滯回特性。

    圖7所示為LED驅(qū)動電流隨溫度變化的仿真曲線圖。當(dāng)溫度在0～64.2 ℃時，電流恒定輸出。當(dāng)溫度在64.2～108 ℃區(qū)間變化時，電流的變化范圍為350～265 mA，恒流輸出中增加溫度自適應(yīng)模塊，降低功率，達(dá)到抑制溫升的目的。當(dāng)溫度超過108 ℃時，電流突然下降，幾乎為零，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電路的目的。當(dāng)溫度重新降為60 ℃時，恢復(fù)正常工作，實(shí)現(xiàn)很好的溫度滯回關(guān)斷特性，避免電路產(chǎn)生熱振蕩。

4 結(jié)束語

    應(yīng)用于LED驅(qū)動電路的溫度自適應(yīng)過溫保護(hù)電路利用基準(zhǔn)電壓與V_PTAT電壓相比較，產(chǎn)生滯回關(guān)斷過溫保護(hù)電路，并且設(shè)計(jì)了電壓隨溫度升高而減小的自適應(yīng)電路，在恒流輸出中增加自適應(yīng)，有效抑制溫度上升，有一定的溫度自適應(yīng)范圍。整個電路穩(wěn)定可靠，靈敏度高，設(shè)計(jì)簡單，為防止溫度過高，設(shè)置溫度滯回區(qū)間，避免發(fā)生熱振蕩，可以避免發(fā)生不必要的事故，由此可見，該電路的應(yīng)用前景廣闊，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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作者信息：

崔晶晶，曾以成，夏俊雅

（湘潭大學(xué) 微電子科學(xué)與工程系，湖南 湘潭411105）