CN102811536B - 一种恒流控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路设计领域，尤其涉及一种恒流控制电路。本发明实施例提供的恒流控制电路，利用简单的电路结构，跟踪每路输出电路的电流变化，然后整体对所有输出电路的电流进行调节，使得每路电流的变化幅值非常小、电流调节更迅速和精确；每路输出电路只需一套对管、两组电流镜、两个电阻、一个运算放大器和一个功率管，相比同类电路，省去了大量的数字逻辑和复杂的比较器。

Description

一种恒流控制电路
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，尤其涉及一种恒流控制电路。
背景技术
LED作为一种低功耗的绿色光源，广泛应用于照明、背光显示等领域，其发光的特殊性，要求流过LED芯片的电流相对恒定，发光才能稳定。特别是作为显示屏的背光源，更是要求流过每路LED芯片电流的大小尽可能相等，才能达到理想的显示效果。也就是说，恒流控制电路是LED光源的必需模块。
现今商用的恒流控制电路，一般都需要利用功率管(包括NMOS、PMOS、NPN和PNP功率管)调整每路功率管相关的压降，以调整电流、达到使流经每路LED芯片的电流相等的目的。如果功率管内置，将会增加芯片面积、同时增加了芯片成本；此外，功率管的散热问题也不易解决。所以，现今通用的解决方案是将功率管外置。
发明内容
本发明的目的在于改进功率管内置的恒流控制电路的芯片面积大、成本高的缺点，利用外置的功率管，提供一种可以实现自调节、并且控制精度高的恒流控制电路。
为了实现上述目的，本发明是这样实现的：
一种恒流控制电路，包括一个电流源输出模块和两路以上输出电路，所述的每路输出电路均包括一个恒流自动调节模块、一个功率管驱动控制模块以及由一个或多个LED灯组成的负载模块；
所述每个恒流自动调节模块的输入端接所述电流源输出模块的输出端，所述每个功率管驱动控制模块分别接所述恒流自动调节模块的两个输出端，所述负载模块的第一端接第二直流电源PVDD、第二端接所述功率管驱动控制模块的输出端；
所述电流源输出模块包括一个基准电流源IBIAS和由PMOS管M1、PMOS管M2组成的总线电流镜，所述PMOS管M1、PMOS管M2的源极都接直流电源VDD，所述PMOS管M1的栅极和漏极共接后与所述PMOS管M2的栅极相连，所述基准电流源IBIAS接在所述PMOS管M1的漏极与地之间，所述PMOS管M2的漏极为所述电流源输出模块的输出端；
其中，所述每个恒流自动调节模块包括一个由PMOS管Mn1和PMOS管Mn2构成的对管、一个由NMOS管Mn3和NMOS管Mn4构成的第一电流镜、一个由PMOS管Mn5和PMOS管Mn6构成的第二电流镜、电流探测电阻Rn1和电流探测电阻Rn2；
所述PMOS管Mn1的栅极和PMOS管Mn2的栅极连接在一起，所述PMOS管Mn1栅极和PMOS管Mn2栅极的公共连接端为所述恒流自动调节模块的第一输出端，所述电流探测电阻Rn1连接在所述第一输出端与地之间，所述PMOS管Mn1的源极和PMOS管Mn2的源极同时接所述PMOS管M2的漏极，所述PMOS管Mn1的漏极和PMOS管Mn2的漏极同时接所述NMOS管Mn3的漏极，所述NMOS管Mn3的漏极和栅极共接后与所述NMOS管Mn4的栅极相连，所述NMOS管Mn3的源极和NMOS管Mn4的源极接地，所述NMOS管Mn4的漏极接所述PMOS管Mn5的漏极，所述PMOS管Mn5的栅极和漏极共接后与所述PMOS管Mn6的栅极相连，所述PMOS管Mn5的源极和PMOS管Mn6的源极都接直流电源VDD，所述电流探测电阻Rn2连接在所述PMOS管Mn6的漏极与地之间，所述PMOS管Mn6的漏极与电流探测电阻Rn2的公共连接端为所述恒流自动调节模块的第二输出端。
本发明实施例提供的恒流控制电路，利用简单的电路结构，跟踪每路输出电路的电流变化，然后从整体上对所有支路的电流进行调节，使电流变大的支路电流减小，同时使电流变小的其他支路电流增大，所有支路共同维持一个稳定的电流值，整个系统始终处于一种动态平衡中，使得每路电流的变化幅值非常小，电流调节也更快、更精准。
附图说明
图1是本发明实施例提供的恒流控制电路的结构框图；
图2是本发明实施例提供的恒流控制电路中包括三路输出电路的示例电子元器件图；
图3是本发明另一实施例提供的恒流控制电路中包括三路输出电路的示例电子元器件图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种自调节的恒流控制电路，能为迅速发展的集成电路设计业提供一种全新的恒流控制电路结构。利用简单的电路结构，跟踪每路输出电路的电流变化，然后从整体上对所有支路的电流进行调节，所有支路共同维持一个稳定的电流值，使整个系统始终处于一种动态平衡中。
图1示出了本发明实施例提供的恒流控制电路的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图所示：
一种恒流控制电路，包括一个电流源输出模块100和两路以上输出电路200，每路输出电路均包括一个恒流自动调节模块201、一个功率管驱动控制模块202以及由一个或多个LED灯组成的负载模块203；每个恒流自动调节模块201的输入端接电流源输出模块100的输出端，每个功率管驱动控制模块202分别接恒流自动调节模块201的两个输出端，负载模块203的第一端接直流电源PVDD、第二端接功率管驱动控制模块202的输出端。
作为本发明的一个实施例，所述电流源输出模块100包括一个基准电流源IBIAS和由PMOS管M1、PMOS管M2组成的总线电流镜，PMOS管M1、PMOS管M2的源极都接直流电源VDD，PMOS管M1的栅极和漏极共接后与PMOS管M2的栅极相连，基准电流源IBIAS接在PMOS管M1的漏极与地之间，PMOS管M2的漏极为电流源输出模块100的输出端。
作为本发明的一个实施例，所述每个恒流自动调节模块201包括一个由PMOS管Mn1和PMOS管Mn2构成的对管、一个由NMOS管Mn3和NMOS管Mn4构成的第一电流镜、一个由PMOS管Mn5和PMOS管Mn6构成的第二电流镜、电流探测电阻Rn1和电流探测电阻Rn2；其中，PMOS管Mn1的栅极和PMOS管Mn2的栅极连接在一起，PMOS管Mn1栅极和PMOS管Mn2栅极的公共连接端为恒流自动调节模块201的第一输出端，电流探测电阻Rn1连接在该第一输出端与地之间，PMOS管Mn1的源极和PMOS管Mn2的源极同时接PMOS管M2的漏极，PMOS管Mn1的漏极和PMOS管Mn2的漏极同时接NMOS管Mn3的漏极，NMOS管Mn3的漏极和栅极共接后与NMOS管Mn4的栅极相连，NMOS管Mn3的源极和NMOS管Mn4的源极接地，NMOS管Mn4的漏极接PMOS管Mn5的漏极，PMOS管Mn5的栅极和漏极共接后与PMOS管Mn6的栅极相连，PMOS管Mn5的源极和PMOS管Mn6的源极都接直流电源VDD，电流探测电阻Rn2连接在PMOS管Mn6的漏极与地之间，PMOS管Mn6的漏极与电流探测电阻Rn2的公共连接端为恒流自动调节模块201的第二输出端。这里的n是大于或等于2的自然数，为多路输出电路包括的支路数目。
作为本发明的一个实施例，所述每个功率管驱动控制模块202包括一个运算放大器OPn1和一个PNP型三极管Qn1；运算放大器OPn1的正相输入端接参考电压源VREF、负相输入端接恒流自动调节模块201的第二输出端，运算放大器OPn1的输出端接PNP型三极管Qn1的基极，PNP型三极管Qn1的集电极接恒流自动调节模块201的第一输出端，PNP型三极管Qn1的发射极为功率管驱动控制模块202的输出端、接负载模块203的第二端。相对应的，这里的n是大于或等于2的自然数，为多路输出电路包括的支路数目。
作为本发明的另一个实施例，所述每个功率管驱动控制模块202包括一个运算放大器OPn1和一个NMOS管Mn7；运算放大器OPn1的负相输入端接参考电压源VREF、正相输入端接恒流自动调节模块201的第二输出端，运算放大器OPn1的输出端接NMOS管Mn7的栅极，NMOS管Mn7的源极接恒流自动调节模块201的第一输出端，NMOS管Mn7的漏极为功率管驱动控制模块202的输出端、接负载模块203的第二端。同样的，这里的n是大于或等于2的自然数，为多路输出电路包括的支路数目。
图2所示是本发明一个实施例提供的恒流控制电路中包括三路输出电路的示例电子元器件图。下面以该实施例提供的恒流控制电路为例，对其电子元器件的连接关系和工作原理作具体说明。如图2所示：
一种恒流控制电路，包括一个电流源输出模块和三路输出电路，每路输出电路均包括一个恒流自动调节模块、一个功率管驱动控制模块以及由多个LED灯串联组成的负载模块；电流源输出模块包括一个基准电流源IBIAS和由PMOS管M1、PMOS管M2组成的总线电流镜，PMOS管M1、PMOS管M2的源极都接直流电源VDD，PMOS管M1的栅极和漏极共接后与PMOS管M2的栅极相连，基准电流源IBIAS接在PMOS管M1的漏极与地之间，PMOS管M2的漏极为电流源输出模块的输出端；
输出电路一的恒流自动调节模块包括一个由PMOS管M11和PMOS管M12构成的对管、一个由NMOS管M13和NMOS管M14构成的第一电流镜、一个由PMOS管M15和PMOS管M16构成的第二电流镜、电流探测电阻R11和电流探测电阻R12；其中，PMOS管M11的栅极和PMOS管M12的栅极连接在一起，PMOS管M11栅极和PMOS管M12栅极的公共连接端为恒流自动调节模块的第一输出端，电流探测电阻R11连接在该第一输出端与地之间，PMOS管M11的源极和PMOS管M12的源极同时接PMOS管M2的漏极，PMOS管M11的漏极和PMOS管M12的漏极同时接NMOS管M13的漏极，NMOS管M13的漏极和栅极共接后与NMOS管M14的栅极相连，NMOS管M13的源极和NMOS管M14的源极接地，NMOS管M14的漏极接PMOS管M15的漏极，PMOS管M15的栅极和漏极共接后与PMOS管M16的栅极相连，PMOS管M15的源极和PMOS管M16的源极都接直流电源VDD，电流探测电阻R12连接在PMOS管M16的漏极与地之间，PMOS管M16的漏极与电流探测电阻R12的公共连接端为恒流自动调节模块的第二输出端；
在本实施例中，输出电路一的功率管驱动控制模块的功率管选用三极管，即功率管驱动控制模块包括一个运算放大器OP11和一个PNP型三极管Q11；运算放大器OP11的正相输入端接参考电压源VREF、负相输入端接恒流自动调节模块的第二输出端，运算放大器OP11的输出端接PNP型三极管Q11的基极，PNP型三极管Q11的集电极接恒流自动调节模块的第一输出端，PNP型三极管Q11的发射极为功率管驱动控制模块的输出端、接负载模块的第二端；
进一步地，在本实施例中，输出电路一的负载模块包括发光二极管D1A和发光二极管D1B，发光二极管D1A的正极接直流电源PVDD、负极接发光二极管D1B的正极，发光二极管D1B的负极接PNP型三极管Q11的发射极。
相应地，输出电路二的恒流自动调节模块包括一个由PMOS管M21和PMOS管M22构成的对管、一个由NMOS管M23和NMOS管M24构成的第一电流镜、一个由PMOS管M25和PMOS管M26构成的第二电流镜、电流探测电阻R21和电流探测电阻R22；其中，PMOS管M21的栅极和PMOS管M22的栅极连接在一起，PMOS管M21栅极和PMOS管M22栅极的公共连接端为恒流自动调节模块的第一输出端，电流探测电阻R21连接在该第一输出端与地之间，PMOS管M21的源极和PMOS管M22的源极同时接PMOS管M2的漏极，PMOS管M21的漏极和PMOS管M22的漏极同时接NMOS管M23的漏极，NMOS管M23的漏极和栅极共接后与NMOS管M24的栅极相连，NMOS管M23的源极和NMOS管M24的源极接地，NMOS管M24的漏极接PMOS管M25的漏极，PMOS管M25的栅极和漏极共接后与PMOS管M26的栅极相连，PMOS管M25的源极和PMOS管M26的源极都接直流电源VDD，电流探测电阻R22连接在PMOS管M26的漏极与地之间，PMOS管M26的漏极与电流探测电阻R22的公共连接端为该输出电路二的恒流自动调节模块的第二输出端；
输出电路二的功率管驱动控制模块包括一个运算放大器OP21和一个PNP型三极管Q21；运算放大器OP21的正相输入端接参考电压源VREF、负相输入端接恒流自动调节模块的第二输出端，运算放大器OP21的输出端接PNP型三极管Q21的基极，PNP型三极管Q21的集电极接恒流自动调节模块的第一输出端，PNP型三极管Q21的发射极为功率管驱动控制模块的输出端、接负载模块的第二端；
输出电路二的负载模块包括发光二极管D2A和发光二极管D2B，发光二极管D2A的正极接直流电源PVDD、负极接发光二极管D2B的正极，发光二极管D2B的负极接PNP型三极管Q21的发射极。
同样的，输出电路三的恒流自动调节模块包括一个由PMOS管M31和PMOS管M32构成的对管、一个由NMOS管M33和NMOS管M34构成的第一电流镜、一个由PMOS管M35和PMOS管M36构成的第二电流镜、电流探测电阻R31和电流探测电阻R32；其中，PMOS管M31的栅极和PMOS管M32的栅极连接在一起，PMOS管M31栅极和PMOS管M32栅极的公共连接端为恒流自动调节模块的第一输出端，电流探测电阻R31连接在该第一输出端与地之间，PMOS管M31的源极和PMOS管M32的源极同时接PMOS管M2的漏极，PMOS管M31的漏极和PMOS管M32的漏极同时接NMOS管M33的漏极，NMOS管M33的漏极和栅极共接后与NMOS管M34的栅极相连，NMOS管M33的源极和NMOS管M34的源极接地，NMOS管M34的漏极接PMOS管M35的漏极，PMOS管M35的栅极和漏极共接后与PMOS管M36的栅极相连，PMOS管M35的源极和PMOS管M36的源极都接直流电源VDD，电流探测电阻R32连接在PMOS管M36的漏极与地之间，PMOS管M36的漏极与电流探测电阻R32的公共连接端为该输出电路三的恒流自动调节模块的第二输出端；
输出电路三的功率管驱动控制模块包括一个运算放大器OP31和一个PNP型三极管Q31；运算放大器OP31的正相输入端接参考电压源VREF、负相输入端接恒流自动调节模块的第二输出端，运算放大器OP31的输出端接PNP型三极管Q31的基极，PNP型三极管Q31的集电极接恒流自动调节模块的第一输出端，PNP型三极管Q31的发射极为功率管驱动控制模块的输出端、接负载模块的第二端；
输出电路三的负载模块包括发光二极管D3A和发光二极管D3B，发光二极管D3A的正极接直流电源PVDD、负极接发光二极管D3B的正极，发光二极管D2B的负极接PNP型三极管Q31的发射极。
图2所示的上述恒流控制电路的工作原理如下：在正常稳定状态下， I D 9 = I D 11 = I D 13 = I 3 , V S 1 = V S 2 = V S 3 , 并且ID9+ID11+ID13＝I＝constant。
假设第一路LED负载模块的电流I1突然增大，那么节点S1的电压VS1升高， I DS = 1 2 C OX · μ p · W L · ( V GS ↓ - V th ) 2 · ( 1 + λ · V DS ) , 所以ID9电流值减小。因为ID9+ID11+ID13＝I＝constant，则电流ID11、ID13增大。由此电流ID16减小，电流ID18、ID20增大；电压值V4减小，电压值V5、V6增大。经过运算放大器OP11、OP21和OP31的处理，节点OUT1的电压VOUT1增大，节点OUT2、OUT3的电压VOUT2、VOUT3减小。因为每路电流值与PNP功率管射极电流值基本相等，即为所以第一路电流值减小，第二路与第三路的电流值增大；当各路电流相等时，即VS1＝VS2＝VS3，整个恒流系统回到正常稳定状态。
假设第一路LED发光芯片的电流I1突然减小，那么节点S1的电压VS1减小， I DS = 1 2 C OX · μ p · W L · ( V GS ↓ - V th ) 2 · ( 1 + λ · V DS ) , 所以ID9电流值增大。因为ID9+ID11+ID13＝I＝constant，则电流ID11、ID13减小。由此电流ID16增大，电流ID18、ID20减小；电压值V4增大，电压值V5、V6减小。经过运算放大器OP11、OP21和OP31的处理，节点OUT1的电压VOUT1减小，节点OUT2、OUT3的电压VOUT2、VOUT3增大。因为每路电流值与PNP功率管射极电流值基本相等，即有所以第一路电流值增大，第二路与第三路的电流值减小；当各路电流相等时，即VS1＝VS2＝VS3，整个恒流系统回到正常稳定状态。
整个恒流控制电路使电流变大的支路电流减小，同时使电流变小的其他支路电流增大，所有支路共同维持一个稳定的电流值，所以整个系统始终处于一种动态平衡中。
图3是本发明另一实施例提供的恒流控制电路中包括三路输出电路的示例电子元器件图。与图2所示的恒流控制电路不同的是，三路输出电路中的功率管驱动控制模块的功率管选用NMOS管，每个功率管驱动控制模块包括一个运算放大器OPn1和一个NMOS管Mn7；运算放大器OPn1的负相输入端接参考电压源VREF、正相输入端接恒流自动调节模块的第二输出端，运算放大器OPn1的输出端接NMOS管Mn7的栅极，NMOS管Mn7的源极接恒流自动调节模块的第一输出端，NMOS管Mn7的漏极为功率管驱动控制模块的输出端、接所述负载模块的第二端。这里的n分别取1、2和3，表示三路不同的输出电路，而其他模块的连接关系同图2所示实施例一样，故不再累述。
本发明提供的恒流控制电路，利用简单的电路结构，跟踪每路输出电路的电流变化，然后整体对所有输出电路的电流进行调节，使得每路电流的变化幅值非常小、电流调节更迅速；每路输出电路只需一套对管、两组电流镜、两个电阻、一个运算放大器和一个功率管，相比同类电路，省去了大量的数字逻辑和复杂的比较器；另一方面，本发明提供的恒流控制电路的电流控制精度高，每路输出电路电流的精度主要取决外接的电流探测电阻，如果外接电阻的精度是±1％，那么每路电流的误差也基本是±1％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种恒流控制电路，包括一个电流源输出模块和两路以上输出电路，其特征在于，所述的每路输出电路均包括一个恒流自动调节模块、一个功率管驱动控制模块以及由一个或多个LED灯组成的负载模块；
所述每个恒流自动调节模块的输入端接所述电流源输出模块的输出端，所述每个功率管驱动控制模块分别接所述恒流自动调节模块的两个输出端，所述负载模块的第一端接直流电源PVDD、第二端接所述功率管驱动控制模块的输出端；
所述电流源输出模块包括一个基准电流源IBIAS和由PMOS管M1、PMOS管M2组成的总线电流镜，所述PMOS管M1、PMOS管M2的源极都接直流电源VDD，所述PMOS管M1的栅极和漏极共接后与所述PMOS管M2的栅极相连，所述基准电流源IBIAS接在所述PMOS管M1的漏极与地之间，所述PMOS管M2的漏极为所述电流源输出模块的输出端；
其中，所述每个恒流自动调节模块包括一个由PMOS管Mn1和PMOS管Mn2构成的对管、一个由NMOS管Mn3和NMOS管Mn4构成的第一电流镜、一个由PMOS管Mn5和PMOS管Mn6构成的第二电流镜、电流探测电阻Rn1和电流探测电阻Rn2；
所述PMOS管Mn1的栅极和PMOS管Mn2的栅极连接在一起，所述PMOS管Mn1栅极和PMOS管Mn2栅极的公共连接端为所述恒流自动调节模块的第一输出端，所述电流探测电阻Rn1连接在所述第一输出端与地之间，所述PMOS管Mn1的源极和PMOS管Mn2的源极同时接所述PMOS管M2的漏极，所述PMOS管Mn1的漏极和PMOS管Mn2的漏极同时接所述NMOS管Mn3的漏极，所述NMOS管Mn3的漏极和栅极共接后与所述NMOS管Mn4的栅极相连，所述NMOS管Mn3的源极和NMOS管Mn4的源极接地，所述NMOS管Mn4的漏极接所述PMOS管Mn5的漏极，所述PMOS管Mn5的栅极和漏极共接后与所述PMOS管Mn6的栅极相连，所述PMOS管Mn5的源极和PMOS管Mn6的源极都接直流电源VDD，所述电流探测电阻Rn2连接在所述PMOS管Mn6的漏极与地之间，所述PMOS管Mn6的漏极与电流探测电阻Rn2的公共连接端为所述恒流自动调节模块的第二输出端。
2.如权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述每个功率管驱动控制模块包括一个运算放大器OPn1和一个PNP型三极管Qn1；
所述运算放大器OPn1的正相输入端接参考电压源VREF、负相输入端接所述恒流自动调节模块的第二输出端，所述运算放大器OPn1的输出端接所述PNP型三极管Qn1的基极，所述PNP型三极管Qn1的集电极接所述恒流自动调节模块的第一输出端，所述PNP型三极管Qn1的发射极为所述功率管驱动控制模块的输出端、接所述负载模块的第二端。
3.如权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述每个功率管驱动控制模块包括一个运算放大器OPn1和一个NMOS管Mn7；
所述运算放大器OPn1的负相输入端接参考电压源VREF、正相输入端接所述恒流自动调节模块的第二输出端，所述运算放大器OPn1的输出端接所述NMOS管Mn7的栅极，所述NMOS管Mn7的源极接所述恒流自动调节模块的第一输出端，所述NMOS管Mn7的漏极为所述功率管驱动控制模块的输出端、接所述负载模块的第二端。
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