0 引言

LED凭借能源消耗低、发光效率高、环保、使用寿命长、安全可靠等众多优势在照明领域获得一席之地，并有不断扩大的趋势，同样LED 照明产业也带来了十分显著的经济效益和社会效益。因此，LED照明的迅速普及也带动了LED驱动芯片产业的蓬勃发展，使得LED驱动芯片已成为电源管理电路市场的重要组成部分^[1-5]。由于LED照明的光亮度与其导通电流的强度密切相关，恒流驱动是最理想的选择，本文设计了一款输入电压范围宽，输入电流精度高，PWM数字调光，可驱动大功率的LED恒流驱动芯片。

1 芯片的总体设计及应用

1.1 芯片结构及工作原理

本款芯片是DC/DC降压型LED恒流驱动芯片，其输入电压范围宽，达到6 V至45 V，输出正向电流最高可达1.5 A，可以满足大部分直流应用，能使流过不超过最高输出电压的串联LED的电流稳定。采用迟滞控制模式，利用Buck电路中电感电流的不可突变性，通过采样电阻的反馈电压与芯片内部的参考电压进行比较，通过内部MOSFET开关控制输出电压导通关闭，从而实现恒流的目的，对LED进行恒流驱动。该芯片同时具有参考电压低、瞬态响应极快、数字(PWM)调光、UVLO欠压保护、过热保护的特点，主要包括带隙基准源(REF）模块、LDO模块、偏置电流产生模块、数字调光模块、过温保护(TSD)模块、逻辑控制(logical control)模块、Driver模块^[6-7]。总体结构示意图如图1所示。

当输入电压V_IN接通后，电压调节器高压LDO开始工作，为模拟控制电路部分提供5 V的电源V_OUT。当欠压锁存单元(UVLO)监测到LDO的输出达到4 V时，会向偏置电路模块、过热保护电路模块、逻辑控制电路模块和驱动电路模块发出使能信号(EN)，此时芯片整个系统开始工作，内置NLDMOS功率器件M1导通，电感L的电流开始上升，由于采样电阻R_SNS上的电流等于电感L上的电流，该电流流过反馈电阻R_SNS后，产生一个反馈电压V_SNS，V_SNS会通过V_fb引脚反馈到芯片内部，而V_fb引脚内会产生一个由芯片内部基准产生的参考电压V_ref(本文设计芯片为200 mV)，此时芯片中的比较器会将反馈电压V_SNS和参考电压V_ref进行比较，如果反馈电压V_SNS低于参考电压V_ref，那么芯片会使内部的NLDMOS导通，导通的时间T_ON是由与clt引脚相连的电阻R_ON和输入电压V_IN所决定的。导通时间T_ON结束后，NLDMOS会关断一个时间，我们把这个时间称之为最小关断时间T_OFF-MIN(本文设计的芯片最小关断时间为200 ns)。最小关断时间T_OFF-MIN结束以后，芯片对V_SNS和参考电压V_ref进行比较，如果V_SNS小于V_ref，M1导通，开始下一次的循环工作，再次比较反馈电压V_SNS和参考电压V_ref之间的大小。另外，当NLDMOS导通时，如果外部元件如电阻R_ON和电感L的取值不恰当，例如电阻R_ON过大或者电感L过小，从而导致V_fb上的电压降超过300 mV，此时连接在V_fb端的另外一个比较器的输出信号状态会翻转，强制NLDMOS关断，芯片停止工作。其典型应用电路如图2所示。

1.2 芯片的改进驱动方案

上文对本款芯片做了整体的描述，并通过芯片的典型应用图对其工作原理做了具体分析，但是具体在研究分析过程中发现芯片的典型应用方案对输入电压变化幅度要求较高，一般不超过±10%，如果输入电压变化幅度超过这个范围，输出电流精度误差将显著增加，所以在此芯片的基础上设计一种新型的LED恒流驱动电路，并构建了实验电路。实验结果表明：该电路解决了之前芯片典型应用方案输出电流随输入电压变化的问题，使得输出电流精度误差小于1%，从外部电路增强了该芯片的功能，从而也拓宽了其应用范围。新型LED驱动方案如图3所示。

比较图2与图3可以看出，图3提出的新型驱动方案的电路在V_IN端口与V_jb端口分别添加了R₁与R₂电阻，其中R₁为大电阻，设计阻值应该较大，R₂为小电阻，设计阻值应该较小，下面就对这样改进的具体原理进行分析。

改进前电路如图2中反馈到V_fb端口的反馈电压V_CS1是由采样电阻R_SNS所决定的，满足式(1)：

式(6)中，V_IN表示输入电压；I_LED是流过LED的电流；V_CS2是改进后新型驱动方案的反馈电压。

通过对整理分析后的反馈电压V_CS2的新表达式(6)进行分析可以看出，当输入电压V_IN增加时反馈电压V_CS2也随之增加，这将起着抵消输出电流随输入电压增加而增加的作用，所以只要大电阻R₁与小电阻R₂选取合适，通过分子上R₂和分母上的R₁之间的数学关系可以看出输出电流I_F与输入电压V_IN的关系就变得微乎其微，甚至可以忽略不计。这个新型LED驱动方案就解决了芯片典型应用的驱动电路输入电压变化幅度只能限制在±10%的问题，使输入电压变化幅度可以达到±50%甚至更多，大幅度提升了该芯片的功能，进一步拓宽了该芯片应用范围。

2 版图布局与芯片仿真结果

2.1 整体版图布局

版图设计是集成电路设计中一个非常重要的环节，直接决定芯片的成本和性能。本文主要从引线布局和模块布局来分析芯片整体布局设计。

2.1.1 管脚布局设计

本文设计芯片共有8个管脚，重要的管脚有输入脚V_IN、开关脚SW、功率NLDMOS的驱动模块浮动电源脚V_CC以及接地脚V_SS。在芯片应用中电源脚V_CC和开关脚SW之间要连接一个电容，因此，把电源脚V_CC的焊盘放置在靠近开关脚SW的地方。此外芯片周围都是接地线，对接地脚V_SS焊盘放置的设计主要考虑到接地脚V_SS需要靠近电压参考源模块，其他管脚焊盘的放置主要从节省芯片面积来考虑。

2.1.2 功能模块布局设计

功能模块布局重点考虑模拟和数字信号干扰问题、热效应和散热问题等。在布局上主要是把模拟电路部分放置在远离功率器件的地方以减少功率器件发热对模拟电路的影响。数字控制模块放在芯片的中部，功率器件驱动模块紧靠功率器件放置，功率器件放置在芯片的最上方^[8-9]。

2.1.3 实际整体版图设计

根据上述的版图布局设计考虑，对芯片版图进行整体布局和设计优化，如图4所示，最终版图面积为1 680 μm×1 210 μm。在版图设计好后，对版图进行了DRC和LVS检查验证，并把GDS数据传送到VIS进行MPW流片制造。

2.2 整体电路仿真结果

总体电路应用仿真连接图如图5所示。

在对控制芯片实际应用进行模拟分析时，为了更接近于实际情况，在芯片的每个管脚和相关的连接线上加入1 nH寄生电感和20 MΩ的寄生电阻。模拟中的参数选取如下：R_ON=100 kΩ，C_boot=10 nF，C_ldo=220 nF，L=47 μH。电容CO是并联在LED两端的电容，电容C_O的取值大小对LED电流纹波有影响，当电容C_O取较大值时，LED上的电流纹波会比较小，但是会对系统调光有一定的影响，当电容C_O取较小值时，有利于系统调光，但是LED上的电流纹波会轻微增大。

图6所示是输入电压、调光控制信号、以及电感电流和LED电流波形。随PWM调光控制信号V_adj从逻辑“0”向逻辑“1”变化，电感L和LED上的电流也从0增加至其额定值，这样可以看出，只要改变PWM调光控制信号V_adj的占空比，就可以实现调光。从图6不难看出电感L和LED上的电流随输入电压V_IN增加有微小增加。为了解决这一问题，在电路设计中提出了增加两个电阻和一个高压NLDMOS器件的改进方案，如图7所示，其中电阻R₁=500 kΩ，R₂=500 Ω。这样，LED上的电流不再随输入电压V_IN的增加而增加。图8得到的结果验证了这一点：尽管电感L和LED上电流的纹波随输入电压V_IN的增加而稍微增加，但平均电流基本一致，不随输入电压而变化。

4 测试结果

选取电阻R₁=500 kΩ，R₂=500 Ω，采样电阻R_SNS=0.3 Ω，电感L=10 μH，C_O=220 nF，R_on=300 kΩ；负载为8个功率为1 W的LED灯珠串联。

测试结果如图9所示，其中V_IN代表输入电压，I_F为输出电流。从图9可以清楚看出，当输入电压从20 V逐渐增加到40 V时，原芯片驱动电路中输出电流I_F从756 mA增加到804 mA，变化幅度6.35%，对芯片内部结构改进后，其驱动电路中电流从699 mA下降到692 mA，变化幅度仅为0.86%，到达输出电流基本不随输入电压变化，从而使输出电流的纹波非常小，解决了输入电压变化幅度只能在10%的问题。

测试结果表明当输入电压变化一倍时，输出电流精度误差小于1%，进一步提高了输出电流精度，进一步增强了芯片的功能，扩大了芯片的应用范围。

5 结论

本文设计了一种降压型恒流LED驱动芯片，其输出电流精度极高，可低于1%。芯片采用控制导通时间的控制方式，并具有PWM调光功能。芯片内部具有多种保护功能并对其重要模块进行了分析。针对其对输入电压纹波要求较高，对芯片的内部结构进行改进，减小了输入电压波动对输出电流的影响，实现低纹波恒流驱动，具有很高的实用价值。

参考文献

[1] 杨卫丽，赵野，黑勇.用于LED驱动芯片的高低边电流检测电路[J].微电子学与计算机，2013，30(1)：94-96，99.

[2] 张彦科，鲍嘉明．一种基于升压DC-DC变换器的白光LED驱动芯片[J]．微电子学，2011，41(4)：525-527，535．

[3] 李科举，陈迪平，陈思园，等．一种非隔离型LED照明恒流驱动芯片设计[J]．固体电子学研究与进展，2013，33(2)：189-193．

[4] 刘晓亮，黄飞，梅当民，等.一种基于固定关断时间的LED驱动芯片设计[J]．微电子学，2013，43(5)：633-636．

[5] 叶益迭，何乐年.高可靠、高效率的白光led高压驱动芯片[J].电路与系统学报，2013，18(2)：12-19.

[6] 陈晓飞，邹雪城，林双喜．数字调光PWM升压LED驱动芯片设计[J]．开云棋牌官网在线客服光电，2008，29(4)：617-620．

[7] 马晓玉，邓婉玲，黎永健，等．一种彩色LED显示屏16位恒流驱动专业芯片的设计[J]．电子技术应用，2010，36(12)：55-57．

[8] 吴嘉士，黄继伟，张荣晶，等.一种宽电压输入范围电流可调型LED恒流驱动芯片设计[J].中国集成电路，2015，Z1：39-43，83.

[9] 凌朝东，梁爱梅，刘一平．大功率白光LED恒流驱动芯片的设计研究[J]．电子技术应用，2009，12(8)：67-70．