CN111601429B

CN111601429B - 一种恒流驱动电路

Info

Publication number: CN111601429B
Application number: CN202010493511.7A
Authority: CN
Inventors: 汤玉玲; 吉博
Original assignee: Xi'an Zhongying Electronic Co ltd
Current assignee: Xi'an Zhongying Electronic Co ltd
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2040-06-03
Also published as: CN111601429A

Abstract

本发明提供了一种恒流驱动电路，该电路不需要采用P型场效应晶体管进行电流输出，所述恒流驱动电路包括：电压基准源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运算放大器、第一N型场效应晶体管、第二N型场效应晶体管、第三N型场效应晶体管、第四N型场效应晶体管、反馈电阻、温补电流源。本发明的电路产生的恒流源使用NMOS功率管输出，大负载电流下芯片设计面积较小。此外，本发明电路中的温补电流源的设计，抵消了集成电阻的温度效应对输出电流的影响，此恒流源的输出电流基本不受温度影响。

Description

一种恒流驱动电路

技术领域

本发明涉及恒流控制技术领域，尤其涉及LED驱动电路。

背景技术

LED以其体积小、寿命长、转换效率高等优势，在照明市场中发展迅速，其应用领域也越来越宽。由于LED为电流型器件，其关键参数均同工作电流相关，依LED特性：较小的工作电压变化会引起指数形式变化的工作电流，所以LED均采用恒流驱动方式。随着技术的发展和应用需求的变化，恒流驱动正朝着低压、高精度、高集成度的方向发展。

传统的恒流驱动电路如图1A所示：包括基准电压源、高增益运算放大器OP1、反馈电阻R0、PMOS镜像单元构成，电流输出端Iout连接LED负载串。基准电压源连接到高增益运算放大器OP1的反向端，反馈电阻R0以及PO3的漏端接入高增益运算放大器OP1的正向端，高增益运算放大器OP1的输出端接PO1的栅极。VREF、OP1、PO1、PO3、R0构成电压电流转换网络；PO1/PO2构成电流镜像单元，PO1/PO3、PO2/PO4均为cascode结构，增大电流源的输出阻抗为：Rout＝[1+(g_m4+g_mb4)·r_o4]·r_o2+r_o4，PO2/PO4构成的cascode对PO2起到屏蔽作用，减弱输出电压对PO2漏端电压的影响，其屏蔽效果为：ΔVD2≈ΔVSEG/[(g_m4+g_mb4)·r_o4]，进而保证输出电流不受输出电压影响，提高恒流源精度。

但图1A的结构存在以下问题：(a)当输出电压VSEG变大时，PO4管的Vds变小，PO4易进入线性区，PO4对PO2的屏蔽效果变差，VD2易受VSEG电压变化，导致输出电流随输出电压变化，恒流源精度降低；(b)SEG上负载电流较大，一旦PO4进入线性区，PO4的尺寸会比较大，增加芯片面积；(c)输出功率管PO2为PMOS管，较NMOS驱动能力弱，同等驱动能力下，面积较NMOS大，d)R0一般为集成电阻，随温度变化较大，导致恒流源输出的温度效应差。

为了解决图1A中PMOS管作为功率管驱动能力弱、大负载电流下芯片面积大的问题，图1B采用NMOS作镜像单元为负载提供恒流输出。电压基准VREF、高增益运放OP1、MN0、PO1、PO3构成电压电流转换网络；PO1、PO2构成电流镜像单元，PO1、PO3、PO、PO4构成cascode结构，PO2、PO4的作用为将基准电流由PMOS电流镜折入NMOS电流镜，最终由功率管NO2输出负载电流。此架构NMOS作为功率管，由于其驱动能力强、所需管子尺寸较小，大负载电流下节约芯片面积，解决了图1A中的(c)的问题。但相比于图1A多了一级镜像结构，额外引入一级失配，且图1A的(a)、(b)、(d)问题依然存在。

发明内容

针对传统LED恒流驱动电路存在的上述问题，本发明提供了一种不受负载电压、温度等变化且芯片面积较小的高精度恒流源电路。

本发明提供了一种恒流驱动电路，所述恒流驱动电路不采用P型场效应晶体管进行电流输出，所述恒流驱动电路包括：

电压基准源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运算放大器、第一N型场效应晶体管、第二N型场效应晶体管、第三N型场效应晶体管、第四N型场效应晶体管、反馈电阻、温补电流源；

所述第一电阻的第一端与电源电压耦接，其第二端与所述运算放大器的反向输入端耦接，同时还与第二电阻的第一端耦接；第二电阻的第二端与地耦接；

所述第三电阻的第一端与所述电压基准源耦接，其第二端与所述运算放大器的同向输入端以及第四电阻的第一端耦接；所述反馈电阻的第一端与所述电源电压耦接；

所述第一N型场效应晶体管的源极与第二N型场效应晶体管的漏极耦接，栅极与第三N型场效应晶体管的栅极耦接，漏极与所述反馈电阻的第二端以及第四电阻的第二端耦接；

所述第二N型场效应晶体管的源极与地耦接，栅极与所述运算放大器的输出端耦接，漏极与第一N型场效应晶体管的源极耦接；

所述第三N型场效应晶体管的源极与第四N型场效应晶体管的漏极耦接，栅极与第一N型场效应晶体管的栅极耦接，漏极与自己的栅极耦接，且漏极还与所述温补电流源耦接；

所述第四N型场效应晶体管的源极与地耦接，栅极与第二N型场效应晶体管的栅极耦接，且该栅极还与所述运算放大器的输出端耦接，第四N型场效应晶体管的漏极与第三N型场效应晶体管的源极耦接，且该漏极与所述恒流驱动电路的电流输出端口耦接；

所述温补电流源与第三N型场效应晶体管的漏极耦接。

在一个实施例中，所述第一N型场效应晶体管既用于将基准电压转换成基准电流，又用于反馈电流输出端的电压。

在一个实施例中，在所述第一电阻和第二电阻的阻值相同且所述第三电阻和第四电阻的阻值相同的情况下，流入第一N型场效应晶体管的基准电流IREF＝VREF/R0-(VDD-2VREF)/(2*R2)，其中，VREF为基准电压源的电压，R0为反馈电阻的阻值，VDD为电源电压，R2为第三和第四电阻的阻值。

在一个实施例中，在R2>>R0的情况下，所述基准电流IREF≈VREF/R0。

在一个实施例中，所述温补电流源生成同所述参考电流的温度变化趋势相同但斜率为所述参考电流的斜率的N+1倍的电流源，以抵消所述反馈电阻随温度变化而导致的恒流源变化。

在一个实施例中，所述电流输出端口的输出电流不随温度而变化。

在一个实施例中，所述第一N型场效应晶体管的源极电压与所述恒流驱动电路的输出端的电压保持相同。

在一个实施例中，所述恒流驱动电路用于为LED提供电流源。

本发明的恒流驱动电路具有以下的有益技术效果：

(1)本发明的恒流驱动电路所产生的恒流源不需要采用PMOS功率管输出，而使用NMOS功率管输出，驱动能力强，大负载电流下芯片设计面积较小。

(2)本发明的恒流驱动电路中的温补电流源的设计，抵消了集成电阻的温度效应对输出电流的影响，此恒流源的输出电流基本不受温度影响。

(3)本发明的输出电流受温度、输出电压的影响较小，电流精度高。

(4)本发明的电压电流转换网络使基准电流直接流入NMOS镜像单元，驱动能力强，芯片面积小。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1A示出现有技术中的一种LED恒流驱动电路原理图；

图1B示出现有技术中的另一种LED恒流驱动电路原理图；

图2示出根据本发明一实施例的恒流驱动电路原理图；

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

针对传统LED恒流驱动电路存在的上述问题，本发明专利旨在提供一种不受负载电压、温度等变化且芯片面积较小的高精度恒流源电路。

图2示出根据本发明一实施例的恒流驱动电路原理图。如图2所示，不同于传统LED恒流驱动电路，此架构中电压电流转换电路产生的基准电流直接通过N型场效应晶体管(NMOS)镜像网络给负载提供驱动电流，不需要中间一级P型场效应晶体管(PMOS)镜像网络，且NMOS驱动能力强，大负载电流下芯片面积小；输出电压反馈网络使恒流源输出基本不随负载电压变化；温补电流源部分减小了集成电阻温漂对恒流源的影响，使恒流源的输出电流基本不受温度变化。

在一个实施例中，本发明的恒流驱动电路包括：电压基准源、第一电阻R1、第二电阻R1’、第三电阻R2、第四电阻R2’、运算放大器OP1、第一N型场效应晶体管NC1、第二N型场效应晶体管NO1、第三N型场效应晶体管NC2、第四N型场效应晶体管NO2、反馈电阻R0、温补电流源I0。

第一电阻R1的第一端与VDD耦接，其第二端与运算放大器的反向输入端VN耦接，同时还与第二电阻R1’的第一端耦接；第二电阻R1’的第二端与地耦接。

第三电阻R2的第一端与电压基准源VREF耦接，其第二端与运算放大器的同向输入端VP耦接，同时还与第四电阻R2’的第一端耦接；第四电阻R2’的第二端与第一N型场效应晶体管NC1的漏极耦接，同时还与反馈电阻R0的第二端耦接。

反馈电阻R0的第一端与VDD耦接，其第二端与第一N型场效应晶体管NC1的漏极耦接。

第一N型场效应晶体管NC1的源极与第二N型场效应晶体管NO1的漏极耦接，栅极与第三N型场效应晶体管NC2的栅极耦接，耦接与与反馈电阻R0的第二端以及第四电阻R2’的第二端耦接。

第二N型场效应晶体管NO1的源极与地耦接，栅极VG与运算放大器OP1的输出端耦接，漏极VD与第一N型场效应晶体管NC1的源极耦接。

第三N型场效应晶体管NC2的源极与第四N型场效应晶体管NO2的漏极耦接，栅极与第一N型场效应晶体管NC1的栅极耦接，漏极与自己的栅极耦接，且漏极还与温补电流源I0耦接。

第四N型场效应晶体管NO2的源极与地耦接，栅极与第二N型场效应晶体管NO1的栅极耦接，且该栅极还与运算放大器OP1的输出端耦接，第四N型场效应晶体管NO2的漏极与第三N型场效应晶体管NC2的源极耦接，且该漏极与恒流驱动电路的电流输出端口IOUT耦接。

温补电流源I0与第三N型场效应晶体管NC2的漏极耦接。

电流输出端IOUT耦接负载。在一个实施例中，负载可以是LED。

本发明的恒流驱动电路工作原理如下：

本发明的电压基准源、第一电阻R1、第二电阻R1’、第三电阻R2、第四电阻R2’、运算放大器OP1、第一N型场效应晶体管NC1、第二N型场效应晶体管NO1、反馈电阻R0构成电压电流转换网络，其中串联的第一电阻R1、第二电阻R1’对电源分压后，两者的公共端接入运算放大器的反向端，运放放大器的同向端接第三电阻R2、第四电阻R2’的公共端，运算放大器的输出端接NO1以及NO2的栅极，NO1的漏极接NC1的源极，NC1的漏端接第四电阻R2’的第二端及反馈电阻R0的一端，R0的另一端接电源电压VDD，第三电阻R2另一端接电压基准源。NO1、NO2构成电流镜单元，NO2漏极接NC2源极及负载(例如，LED串)，NC2的栅极、漏极短接并同NC1栅极及温补电流源I0相连。

在一个实施例中，本发明的第一电阻R1和第二电阻R1’可以具有相同的阻值R1，第三电阻R2和第四电阻R2’可以具有相同的阻值R2。根据高增益运放OP1正向输入端和反向输入端的‘虚短’的特性，VP＝VN＝VDD/2，V1点的电压为：V1＝VDD-VREF，流经R0的电流：I1＝VREF/R0，流经R2的电流：I2＝(VDD-2VREF)/(2*R2)，流入NO1的基准电流为：IREF＝I1-I2＝VREF/R0-(VDD-2VREF)/(2*R2)，假设R2>>R0，IREF≈VREF/R0；此基准电流可直接经过NMOS镜像网络给负载提供电流驱动，负载电流较大时，采用NMOS作功率管芯片面积较小，且无图1B中间一级PMOS镜像网络引入的失调误差。

在本发明中，NC1、NC2、温补电流源I0可构成输出电压反馈网络，其中，NC1为源极跟随器，使VD＝VOUT，其中VOUT为恒流驱动电路输出端的电压。镜像单元NO1、NO2无论工作在饱和区还是线性区，NO2均可精准复制Iref电流，即恒流源的输出电流基本不受输出电压变化。

值得注意的是，第一N型场效应晶体管NC1是本发明的恒流驱动电路中非常重要的部件，它既起到将基准电压转换成基准电流的作用，又能起到反馈输出电压的作用，其对于实现本发明的技术效果起着重要的作用。

此外，由于反馈电阻R0(集成电阻)具有一定的温度系数，导致基准电流Iref会随着温度而变化。本发明的温补电流源被配置成生成同Iref温度变化趋势相同但斜率为Iref斜率N+1倍的电流源，抵消反馈电阻R0(集成电阻)随温度变化导致的恒流源变化，减弱温度效应对恒流源的影响，从而解决了传统LED恒流驱动电路存在的输出电流随温度变化的问题。

本发明的恒流驱动电路具有以下的有益技术效果：

(1)本发明的恒流驱动电路所产生的恒流源不采用PMOS功率管输出，而使用NMOS功率管输出，驱动能力强，大负载电流下芯片设计面积较小。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种恒流驱动电路，其特征在于，所述恒流驱动电路中不采用P型场效应晶体管进行电流输出，所述恒流驱动电路包括：

所述温补电流源与第三N型场效应晶体管的漏极耦接，所述温补电流源生成同基准电流的温度变化趋势相同但斜率为所述基准电流的斜率的N+1倍的电流源，以抵消所述反馈电阻随温度变化而导致的恒流源变化。

2.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述第一N型场效应晶体管既用于将基准电压转换成所述基准电流，又用于反馈电流输出端的电压。

3.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，在所述第一电阻和第二电阻的阻值相同且所述第三电阻和第四电阻的阻值相同的情况下，流入第一N型场效应晶体管的所述基准电流IREF＝VREF/R0-(VDD-2VREF)/(2*R2)，其中，VREF为基准电压源的电压，R0为反馈电阻的阻值，VDD为电源电压，R2为第三和第四电阻的阻值。

4.如权利要求3所述的恒流驱动电路，其特征在于，在R2>>R0的情况下，所述基准电流IREF≈VREF/R0。

5.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述电流输出端口的输出电流不随温度而变化。

6.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述第一N型场效应晶体管的源极电压与所述恒流驱动电路的输出端的电压保持相同。

7.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述恒流驱动电路用于为LED提供电流源。