CN102843817A - 高精度可编程恒流驱动白光led芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高精度可编程横流驱动白光LED芯片。内部电路采用自动调零技术减小了运算放大器的失调电压，极大的提高了输出电流精度。调节外接电阻的大小，可提供不同的恒定驱动电流，最大驱动电流可达1A。当驱动电流从200mA变化到800mA时，ILED/ISET的变化小于213％，电源电压跳变10％的情况下，驱动电流变化小于0.146％。

Description

高精度可编程恒流驱动白光LED芯片

背景技术

本发明提供一种高精度可编程横流驱动白光LED芯片。

技术领域

目前，白光LED已成为一种通用的照明源。用白色LED为显示器或其他照明设备做背光源时，需要提供给LED正向导通的高压和恒流驱动，以减小电池电压变化时所引起的亮度变化和不同LED之间的亮度不匹配。恒流驱动有两种方式，串联和并联驱动LED。串联方式保持固有的匹配特性，但需要更高的供电电压。常用的并联方式驱动结构驱动能力小，且未考虑制造工艺中每一道工序的不确定性和MOS器件的阈值电压的失配等对电流精度影响。而这些因素在增大负载电流时，电流匹配性及电流精度将受到很大的影响。因此为了提高输出驱动能力，并且保证高的电流精度，设计的恒流源结构考虑了器件的失配，采用自动调零技术消除放大器的失调以提高电流输出精度。为了避免驱动电流超出最大额定值，使LED管受损，增加了过流和过温保护电路。

发明内容

本发明了提供了高精度可编程横流驱动白光LED芯片，使用自动调零技术在内部集成了自动调零运算放大器，并采用外接电阻和使能设计控制恒定LED驱动电流，可在219V到414V的工作电压范围内提供3个不同的恒定驱动电流，最大驱动电流可达1A。

一种高精度可编程横流驱动白光LED芯片，包括带隙基准电压源、可编程控制电流电路、8个相同的内部含有自动调零电路的恒流输出和保护电路。

其中，可编程控制电流电路由运算放大器和跟随器，外接电阻以及使能信号控制的两个管子组成。

其中，自动调零电路的恒流输出由运算放大器和功率管构成的跟随器、功率管及开关以及两个电阻构成。

本发明的具体实施方式请见后文所述。

附图说明

图1是设计的恒流驱动结构图；

图2是AZT放大器基本原理图；

图3是低失调运算放大器的电路图；

图4是不同的温度输出电流ILED与ILED/ISET的图；

图5是不同模型参数下输出电流ILED与ILED/ISET的结果；

图6是外接电阻控制输出电流图；

图7是输出电流随电源电压的变化图；

图8是恒流驱动电路芯片照片；

图9是输出电流ILED与ILED/ISET的测试结果图。

具体实施方式

下面给出本发明的较佳的实施例，这些实施例并非限制本发明的内容。

实施例1

本发明提供的一种高精度可编程横流驱动白光LED芯片的结构如图1所示。整个芯片可以分为4个部分：带隙基准电压源、可编程控制电流电路、8个相同的内部含有自动调零电路的恒流输出和保护电路。可编程控制电流电路由运算放大器A1和M1管构成的跟随器，外接电阻RSET1，RSET2以及使能信号EN1，EN2控制的两个管子组成。8个含有自动调零电路的恒流输出由A2和功率管M3构成的跟随器、M2及开关S1，S2和S3以及两个电阻R1和R2构成。通过设置不同的RSET1和RSET2值产生不同的电流。从结构图上容易看出，流过LED的电流ILED为

$I_{\mathrm{LED}}=8\frac{V_A+V_{\mathrm{OS}}}{R_2}=8\frac{{\mathrm{NI}}_{\mathrm{SET}}{R}_1+V_{\mathrm{OS}}}{R_2}=$

$8(N\frac{V_{\mathrm{REF}}}{R_{\mathrm{SEIX}}}\frac{R_1}{R_2}+\frac{V_{\mathrm{OS}}}{R_2}),---\left(1\right)$

式中，VA是A点的电压，VOS是运算放大器A2的失调电压。VREF是内部基准电压。从式(1)不难看出，驱动电流ILED大小和M2与M1镜像比例N、基准电压VREF，R1和R2的比值、RSETX以及运算放大器的失调电压有关。因此，要保证输出电流的精度，不仅要考虑基准电压的稳定性和电阻的匹配性，也要考虑运算放大器的失调电压。

自动调零技术(AZT)是一种采样技术，通过对低频噪声和失调进行采样，然后在运算放大器的输入或输出端，将它们从输出信号的瞬时值中减去，实现对失调和1/f噪声的降低。由于其对宽带白噪声是一种欠采样过程，会造成白噪声的混叠，即在降低1/f噪声的同时又会增大低频端的白噪声，因此AZT更适用于开关电容等离散信号电路。AZT包括两个阶段：失调采样阶段和输入信号处理阶段。在失调采样阶段，放大器和输入信号断开。失调被测量并存储在电容中。在输入信号处理阶段，放大器放大输入信号并从输出信号中减去前一阶段存储的失调电压。AZT放大器基本原理图如图2所示。它包括基本放大器Gm1，补偿放大器Gm2，第二级放大器A4和反馈放大器A3，电容Ch，和两个开关S1，S2。Ro是Gm1和Gm2的输出阻抗(1)在失调采样阶段，开关S2和b点相连，使得Gm1的输入端短接并与输入信号断开，因此Gm1在输入端只有失调电压VOS1。失调电压产生的失调电流I1为

I1＝Gm1Vos1.(2)

开关S1闭合，放大器A3反馈输出电压到Gm2的反相端。Gm2输出电流I2为

I2＝-Gm2(A3Vo-Vos2)，(3)

Vo＝Ro(I1+I2)A4，(4)

Vos2是Gm2的输入失调电压，Vo为输出电压。I2为电流补偿基本放大器Gm1的失调电流，它和输出失调电压方向相反并且成比例。将式(2)和式(3)代入式(4)中，可解得补偿电压VC

$\mathrm{Vc}=A_3{V}_o=A_3{A}_4\frac{G_{m1}{R}_o{V}_{\mathrm{os}1}+G_{m2}{R}_o{V}_{\mathrm{os}2}}{1+A_4{A}_3{R}_o{G}_{m2}}.---\left(5\right)$

(2)在输入信号处理阶段，开关S2和a点相连，使得Gm1的输入端和输入信号相连，反馈回路被断开(S1关断)，这时VC电压存储在Ch中。由于CMOS电路中开关用MOS管实现，在输入信号处理阶段，AZT剩余的失调电压分析必须考虑开关转换时沟道电荷注入效应。当开关S1关断时，沟道电荷部分注入到节点VC，改变了Ch存储的电压。电压变化为

$Vc＝qinj/Ch.(6)

在输入信号处理阶段输出电压为

$V_o=G_{m1}{R}_o{A}_4{V}_i+A_4\frac{G_{m1}{R}_o{V}_{\mathrm{os}1}+G_{m2}{R}_o{V}_{\mathrm{os}2}}{1+G_{m2}{R}_o{A}_3{A}_4}-A_4{G}_{m2}{R}_o\frac{q_{\mathrm{mj}}}{C_h},---\left(7\right)$

Vi是输入信号。剩余的失调电压VOSres为差分输入信号为零时输出的电压。

$V_{\mathrm{OSres}}=\frac{V_o|v_i=0}{C_{m1}{R}_o{A}_4}=\frac{V_{\mathrm{OS}1}}{G_{m2}{R}_o{A}_3{A}_4}+\frac{V_{\mathrm{OS}2}}{G_{m1}{R}_o{A}_3{A}_4}-\frac{G_{m2}}{G_{m1}}\frac{q_{\mathrm{mj}}}{C_h}.---\left(8\right)$

从式(8)中可见，Gm1失调电压减小到1/(Gm1RoA3A4)，Gm2放大器的失调电压减小到1/(Gm2RoA3A4)。

发明人提出的低失调运算放大器的电路图如图3所示。2级跨导Gm1和Gm2分别由2个差分对构成，Gm1由MP1和MP2实现，Gm2由折叠式共源共栅对MP3，MP4和MN3，MN4构成。输入信号通过第二级MN5和MN6放大输出。失调电压再经过第三级MN7和MN8放大，通过跟随器MN9存储在Ch1电容上。Gm2的正相端MP4的栅没有接地，使得正相端和反相端有同样的共模信号。偏置电路由管子MP5～MP16构成，VB1和VB2是外接的偏置信号。R1和C1构成米勒补偿电路。为了进一步减小电荷注入，所有的开关可以用传输门来实现。

基于Hynix 0.16Lm CMOS工艺。图4是电源电压为316V，设计的恒流源N＝2，R1＝6128，R2＝38，VREF＝1122V，不同温度下输出电流ILED与ILED/ISET的仿真结果。图5是温度为室温时在不同的模型参数下输出电流ILED与ILED/ISET的结果。图4中ILED/ISET的最大值是3273，最小值是3245；图5中最大值是3271，最小值是3242。在不同的温度和不同的模型参数下变化了16％。电流精度为0.1049％。

图6是通过外接电阻RSET1，RSET2控制供给LED的电流，最大输出电流可达1A。

图7是输出电流随电源电压变化的仿真结果。当电源电压在219V和417V之间变化时，输出电流从798mA到80117mA变化，变化了317mA，相对变化小于0.146％。

图8是芯片的照片。由于输出驱动电流较大，而每个压焊点金丝承受电流应力有限，用了8路恒流驱动电路并联，每路提供最大电流为125mA。图8中实线围住的部分是其中1路含有自动调零电路的恒流驱动电路，它含有自动调零运算放大器和1个功率MOSFET。

25个样片输出电流ILED与ILED/ISET的测试结果如图9。ILED/ISET的值在3314与3165之间。电流精度为21.3％。测量值大于仿真值，是因为基准电压变化较大，最小值11205V，最大值11255V。

表1是对样片和ILED有关参数的测试结果。ILED漏失电压随着驱动电流的增加而增大，驱动电流200mA时，漏失电压115mV。过流检测电流ISET不能超过330LA，大于330LA时，过流保护电路使得驱动输出电流ILED为0。

表1测试结果(V_IN＝316V，T_a＝25e，LED外接5V电压)

本发明提出一种高精度可编程横流驱动白光LED芯片。内部电路采用自动调零技术减小了运算放大器的失调电压，极大的提高了输出电流精度。调节外接电阻的大小，可提供不同的恒定驱动电流，最大驱动电流可达1A。当驱动电流从200mA变化到800mA时，ILED/ISET的变化小于213％；电源电压跳变10％的情况下，驱动电流变化小于0.146％。

Claims (3)

1.一种高精度可编程横流驱动白光LED芯片，包括带隙基准电压源、可编程控制电流电路、8个相同的内部含有自动调零电路的恒流输出和保护电路。

2.如权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，可编程控制电流电路由运算放大器和跟随器，外接电阻以及使能信号控制的两个管子组成。

3.如权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，自动调零电路的恒流输出由运算放大器和功率管构成的跟随器、功率管及开关以及两个电阻构成。

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