一种基于OTA的降压型LED恒流电路

摘要：设计了一种LED恒流驱动电路，芯片内部电路由误差放大模块和PWM波形产生模块组成，外部电路为一个BUCK型恒流电路。误差放大模块中采用了一个跨导放大器，将采样电压与基准电压做比较，产生误差电流，反馈电容作为跨导放大器的负载，产生了误差电压信号。误差信号与锯齿波相比较产生PWM信号，控制外部BUCK电路的开关管对LED电流进行平衡。采用CSMC 0．5μm的标准CMOS工艺库进行电路仿真，结果表明本电路电流平衡的稳定度较高，满足中小功率的LED串并联的驱动。
关键词：LED驱动；跨导放大器；降压；恒流

    近年来，白光LED光源以其长寿命、高亮度、低功耗等诸多优点，迅速的占领了广场、办公、路灯、医疗等各个领域的照明市场。LED光源就是半导体发光材料技术高速发展及绿色照明逐渐深入人心的产物。
    半导体发光材料的光强度与通过它的电流呈线性关系，传统的LED驱动是用恒压驱动的方式，由于流过半导体的电流与加在上面的电压呈指数关系，所以即便是恒压驱动，当负载由于温度或者其他原因变化的时候，其上面的电流变动很大，严重的影响LED的发光亮度。
    现行市场上流行的LED恒流驱动是通过上面改进而来，是由一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路的LED供电，如果其中一路LED故障，并不会影响其他路LED的工作，但是成本很高。还有就是恒流LED串联应用电路，但是如果其中某个LED故障，就会影响整个电路的工作。
    本文设计的这种LED驱动电路，是工作在恒流驱动模式下的，此路的恒流电流可以驱动一个LED串联电路，多个驱动电路并联，就可以灵活的组成各种LED串并联电路，而且流过LED的电流可以通过外部采样电阻来调节，实现每一路电流都不相同的应用。

1 基于OTA的恒流电路原理分析
1．1 整体电路架构
    恒流电路芯片内部由误差放大模块和PWM产生模块组成，外部是一个BUCK型的恒流驱动电路，如图1所示。

    误差放大模块将Rs上的采样电压VSEN反馈回芯片内部，误差放大器将VSEN电压与基准电压作比较，产生误差电压值VERR。误差电压值VERR和锯齿波进行比较，产生了能够控制外部MOS管的PWM波形。外部电路是一个BUCK型的恒流电路，在GATE端的PWM波控制开关管的开启关闭，在VIN端和NET0端之间的负载上产生电流。因为最终的VSEN采样均值被误差放大器稳定在VREF处，且开关管导通时LED上流过的电流与采样电阻电流相同，所以负载上的电流均值是恒定的。
1．2 误差放大模块
    误差放大模块是将外部的采样电压VSEN转换为误差信号的电路，由采样电路、误差放大电路和缓冲输出电路组成，如图2所示。

    MN1和MN2为两个n管，组成了一个采样电路。在PWM输出端GATE为高电平时，采样电压VSEN有效，MN2导通，MN1截止，VSEN端的电压传输到误差放大电路中；当GATE为低电平时，采样的电压无效，MN2截止，MN1导通，将基准电压VREF传输到了误差放大电路中，使误差放大器的正负输入端电压相等，输入差模信号为0。
    整体电路中的X1是一种单端输出的跨导型放大器。第一级差分输入端P390和P391完成了电压信号到电流信号的转换；第二级N381是一个共栅极的放大组态，其漏端对源端的电流增益为1。计算P390的跨导的公式如下：
   
    εsio2=3．9，从仿真库中查到P管的tox=1．37x10-8。
    根据计算得到， Cox=2．52fF／μm2，gm=138．76μS。
    应用半电路分析法，得到差分输入级的跨导Gm1=gm，又因为放大器是单端输出的，所以整个放大器的跨导为差分级跨导的一半，即
   
    X1输出的电流为：
    Ie=Gm (amp)×(VREF-VSEN)
    当采样电压VSEN小于基准电压值VREF时，跨导放大器电流输出为正，对电容C1充电，使得X1的输出端电压升高；当采样电压VSEN大于基准电压值时，跨导放大器电流输出为负，电容C1对跨导放大器放电，使得X1的输出端电压降低。
    X2为缓冲输出电路，由一个两级的差分运放构成，运放开环时，低频增益为45dB，-3dB带宽为3．5kHz。因为运放的带宽较小，所以能够有效滤除误差电压信号上叠加的高频分量，保证了误差信号的直流特性。将此运放连接为单位增益的方式，构成电压跟随电路，保证了误差电压信号对后级电路的驱动能力，也将X1输出的误差电压信号与后级电路隔离开，不受后级电路的高频耦合影响。
1．3 PWM波形产生模块
    PWM模块是将误差信号与基准电压做比较，输出PWM波形，驱动外部开关管。
    X3是一个比较器，将峰值为1V震荡锯齿波VSLOPE与0～1V之间的误差信号直流电平VERR做比较，产生占空比与误差信号直流电平VERR成正比的PWM方波，此方波信号经过一个或非门X4和一个RS触发器X5，或非门和RS触发器的另一端输入为震荡频率的方波信号，保证此PWM方波与震荡频率同步。X6为一个由4级大宽长比的反相器构成的驱动缓冲电路，其中每一级的反相器宽长比都比前一级大一倍。驱动缓冲电路将PWM方波信号驱动能力增强，才能保证外部开关管有效的导通和截止，使外部电路正常工作。
1．4 外部应用电路
    外部应用电路是一个BUCK型的PWM控制的恒流电路。VIN是外部电压，MOSFET是开关管，D1是肖特基二极管，L1是储能电感，C2为滤波电容，电阻Rs是采样电阻，VSEN是采样电压反馈，GATE是PWM输出，负载LED接在VIN和NET0之间。
    当GATE为高电平时，MOSFET开关管开启，VIN电压加在负载LED上，电流从VIN到NET0，经过L1和MOSFET以及采样电阻Rs，D1反偏不导通，同时VIN为电容C2充电；当GATE为低电平时，MOSFET管关闭，从MOSFET的漏极到地没有电流通路，而且电感上的电流不能突变，还是从NET0到NET1的电流，此时电感左边的节点NET1电压瞬间升高，高于VIN+VD，其中VD为肖特基二极管的正向压降，肖特基二极管导通，电流从电感的右边节点NET0到左边NET1，然后顺着二极管的正向开启方向，流入负载LED中，同时C2为负载放电，保持电流稳定，如果电感L1和电容C2中的储存能量消耗完之前，GATE变为高电平的话，VIN又能对电感冲入能量，维持连续的工作模式，如果电感L1和电容C2中的储存能量消耗完，但是MOSFET还没有开启的话，二极管关断，LED上没有电流通路，此时就工作在了不连续模式。

2 电路仿真
    本文设计的电路采用CSMC 0．51μm的标准CMOS工艺库，利用HSPICE软件进行仿真验证(见图3)。

2．1 跨导放大器仿真
    将跨导放大器的输出端连接一个电容负载，尾电流为9μA，负输入端接0．25V直流电平，正输入端加入一个正弦波，其直流偏置为0．25V，峰峰值为0．05V，频率为1MHz的交流小信号，观察各节点电压电流。
    由图可以看出，在正端电压比负端电压大0．05V的时候，输出到负载的电流为3．5μA。根据此仿真结果，3．5μA／0．05V=70μs，与计算得到的跨导结果一致。
2．2 全电路仿真
    将误差放大器模块、PWM波形产生模块，以及外部应用电路连接在一起，构成一个闭合的反馈环路(见图4)。整体电路中，加入控制信号和基准电压250mV，观察负载电流和采样电压与GATE占空比的关系。

    由仿真结果可得，GATE端的占空比为48％，流过LED的等效电流为247mA。等效电流基本上等于基准电压除以采样电阻，电流精度高，稳定性好。

3 结束语
    本文设计的LED驱动电路是基于OTA的BUCK型恒流驱动电路。误差放大模块对采样电压与基准电压差进行放大，输出的误差电压信号控制外部开关管的PWM的占空比，最后由外部应用电路实现LED的恒流功能，并将采样电压反馈回芯片内部。本文电路基于CSMC 0．5μm的工艺库做了仿真，结果显示本电路能够稳定LED上面的电流，可以满足对电流稳定度要求较高的LED驱动。而且本文设计的驱动电路，电路实现性好，
可以多个支路并联应用，增加电路灵活性，适合家庭及办公场所照明应用。