劉　巖，馮勇建，夏榮菲

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建廈門361005)

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一種用于大電流LED驅(qū)動的高側(cè)電流檢測電路

劉巖，馮勇建*，夏榮菲

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建廈門361005)

摘要：針對LED驅(qū)動中寬輸入電壓范圍和高精度檢測的要求，提出了一種高側(cè)電流檢測電路.采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件作為放大器，通過檢測串聯(lián)在電路中的采樣電阻兩端電壓差的大小，用滯回控制方法控制電流回路的通斷，能精確控制0.5～5 A的輸出電流，在5～40 V電壓下達(dá)到了3%的檢測精度.該電路結(jié)構(gòu)簡單，通過0.6 μm 5～40 V CMOS-雙重擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(CDMOS)工藝流片驗證，芯片測試結(jié)果表明電路工作良好，能滿足要求.

關(guān)鍵詞：高側(cè)電流檢測；高精度；LED驅(qū)動

LED被稱為第四代照明光源，其具有高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長的優(yōu)點[1]，從而被越來越廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)裝飾照明、交通信號燈、汽車照明，甚至園藝照明等領(lǐng)域[2-3].LED是一種半導(dǎo)體器件，其正向電流與正向電壓的關(guān)系遵循二極管的特性，很小的電壓變化就能引起很大的電流變化.因此，照明系統(tǒng)中LED驅(qū)動方式多采用恒流方式，主要有：線性恒流型和開關(guān)電源型[4].其中開關(guān)電源型又包含降壓型、升壓型以及升降壓型.不論采用何種控制方式，都需要對流過LED的電流進(jìn)行精確檢測.

在電路中串聯(lián)一個電阻，當(dāng)有電流流過時，該電阻上會有一個壓降，通過放大這個電壓值，可以得到與線路中電流成比例的信號，從而達(dá)到檢測線路中電流的目的.該檢測方式是目前使用最廣泛,也最靈活的方法[5]，它的限制在于功耗與測量精度之間的折中：考慮到功耗要求，檢測電壓應(yīng)盡可能??；而要保證足夠的檢測精度，則希望檢測壓足夠大，以便后續(xù)電路處理.但是，不同的應(yīng)用環(huán)境和檢測電阻的位置，給設(shè)計這種感測放大器帶來了困難，例如：如果感應(yīng)電阻串接在負(fù)載與地之間，所產(chǎn)生的電壓降可以使用一個普通的運算放大器進(jìn)行放大,這種結(jié)構(gòu)被稱為低側(cè)電流檢測，它的檢測電路為單端輸入，被測信號是檢測電阻上對地的壓降，因而來自地的干擾會嚴(yán)重影響檢測精度，更大負(fù)載電流意味著更大的干擾；此外，這種結(jié)構(gòu)的檢測電阻容易被短路，從而導(dǎo)致無法正確感應(yīng)到線路中的電流，造成線路中電流持續(xù)增大而燒毀.

對于感應(yīng)電阻串接在電源及負(fù)載之間，其共模信號接近電源電壓,這種結(jié)構(gòu)被稱為高側(cè)電流檢測.相比低側(cè)電流檢測電路，這種連接法能有效地避免地信號的干擾.文獻(xiàn)[6]介紹了一種寬范圍高側(cè)電流檢測電路，它采用雙極-互補(bǔ)金屬氧化物-雙重擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(bipolar-CMOS-DMOS，BCD)工藝以及高壓三極管作為輸入級.本文中提出的電路全部采用CMOS器件，在常用的CMOS工藝下實現(xiàn)了5～40 V寬共模輸入，且具有較高的檢測精度.

1普通高側(cè)電流檢測放大器

對于普通電源(5 V)的低壓應(yīng)用，高側(cè)檢測放大器只需是一個共模信號接近電源的運算放大器就可實現(xiàn)功能.當(dāng)電源電壓超過5 V時，則需要先通過電阻分壓來降低高邊檢測的共模電壓，讓其落入放大器允許的共模輸入信號范圍之內(nèi).

圖1　高側(cè)檢測電路Fig.1High-side current sense

如圖1所示的檢測電路中，被測信號先被電阻分壓，然后經(jīng)減法器電路得到差分信號，再被放大器OP2放大后輸出.CMOS運算放大器的共模輸入電壓范圍一般不超過5 V，要實現(xiàn)輸入電壓5～40 V的工作范圍，分壓要取到它的1/8以下.

設(shè)Rsense上壓降為ΔV,則理論計算的輸出電壓為:

(1)

其中,β為電阻分壓之比,k為后一級放大倍數(shù)．圖中取β=1/10,k=250．

假設(shè)放大器OP1的輸入失調(diào)電壓為Vos,改寫式(1)得實際輸出電壓:

(2)

由式(2)可知,放大器OP1的輸入失調(diào)電壓被無衰減地傳輸?shù)狡漭敵龆?同時被OP2放大．電路的檢測精度為:

(3)

可見放大器輸入失調(diào)電壓相當(dāng)于被放大了1/β倍．且β越小,電流檢測的誤差越大,這樣的檢測精度是不能滿足要求的．

2本文中采用的高側(cè)電流檢測電路

根據(jù)上述分析，前級分壓線路嚴(yán)重影響了檢測電路的精度.因此，本文中提出了一種直接放大被測信號的電路.不僅可以檢測共模電壓較高的信號，也有很高的檢測精度，如圖2所示.

Vcc接5 V，高壓N型絕緣柵場效應(yīng)管(NMOS)用作隔離高壓.VIN和SNS端分別接Rsense的兩端，若Rsense中有電流，則VIN和SNS Pin腳之間會有電壓差.通過M1～M4組成的環(huán)路，可使得A、B兩點電壓相等，則流過R1、R2的電流有差別.又M3、M4組成的電流鏡結(jié)構(gòu)使I1=I2，R1中多余的電流將從M5流走.設(shè)計R1=R2，流過R1、R2、R3的電流為

圖2　電流檢測電路Fig.2Current sense circuit

IR1=(VVIN-VA)/R1，

(4)

IR2=(VSNS-VB)/R2，

(5)

IR3=IR1-I1.

(6)

電路中M2與M3組成1∶ 1的電流鏡，故有IR2=I1=I2；又VA=VB,R1=R2，聯(lián)立式(4)～(6)可得

Vsense=IR3R3=[(VVIN-VA)/R1-

(VSNS-VB)/R1]×R3=R3/R1ΔV,

(7)

其中ΔV=VVIN-VSNS.

3誤差分析及仿真

上述電路中，輸出的誤差主要來源：1) 低壓MOS管M3、M4在版圖設(shè)計中結(jié)構(gòu)失配造成電流I1與I2不嚴(yán)格相等，則誤差電流ΔI會全部流經(jīng)R3；2) 實際生產(chǎn)的高壓MOS管 M1、M2、M5的閾值電壓VT不完全相等造成的A、B兩點的電壓差ΔVAB；3)R1、R2、R3之間的失配，設(shè)不匹配系數(shù)為k，根據(jù)誤差來源，將式(7)改寫為：

Vsense=IR3R3=

(VB-VA)]+ΔIR3，

(8)

(9)

誤差系數(shù):

(10)

式中，第1項是電阻匹配誤差，其值取決于版圖設(shè)計的好壞.采用長度相等的方塊電阻，用電阻個數(shù)的比值來替代其阻值的比值進(jìn)行匹配，并在芯片版圖中做成交叉、中心對稱的圖形，可以做到很高的匹配精度[7-8]；第2項是VT的不同造成的，主要受到制造工藝的影響，有一定的隨機(jī)性，只能通過參數(shù)微調(diào)技術(shù)[9](流片后，通過燒斷電路中預(yù)設(shè)的保險絲來改變電路中的某些參數(shù)，通常是電阻的比例)等進(jìn)行技術(shù)修正，另外，增大檢測電壓ΔV的值對提高精度有好處；第3項也可以表示為ΔI/I3=(ΔI/I1)×(I1/I3)，可從兩方面采取措施減小誤差：1) 提高電流鏡的匹配精度ΔI/I1，引入共源共柵結(jié)構(gòu)(如圖3)，能將輸入電阻增大gmrds倍(gm是晶體管的跨導(dǎo)，rds是晶體管漏端看進(jìn)去的輸入阻抗)，從而將電流誤差縮小相同的倍數(shù)[10-11]；2) 增大I3，I3=ΔV/R1，由此可知，適當(dāng)減小R1或者增大檢測電壓ΔV都能提高精度.

圖3　共源共柵增大輸入電阻Fig.3cascode current mirror ensures high gain

完整的電流檢測電路及控制回路如圖4所示.當(dāng)功率管M1打開時，電流經(jīng)檢測電阻Rsense、LED、電感及M1到地，且逐漸增大，檢測電阻上的壓降被放大為電壓Vsense，電流達(dá)到一定值時，Vsense超過基準(zhǔn)電壓Vref，滯回比較器翻轉(zhuǎn)，從而關(guān)斷功率管M1；此時，電感、肖特基二極管D1、檢測電阻和LED組成了電流回路.隨著電感的放電，回路中電流減小，Vsense電壓降低，直至低于滯回比較器的翻轉(zhuǎn)閾值，M1再次打開.如此循環(huán)，維持LED中電流恒定.

圖4　電流檢測整體電路Fig.4The whole circuit of current sense circuit

接入檢測電阻Rsense=1 Ω，對電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示.由圖5(a)和(b)可看出Vsense波形和VIN、SNS節(jié)點電壓之差的波形一致；由圖1(c)可知檢測電路輸出電壓Vsense與LED電流有很好的線性度.

圖5　電流檢測線路仿真波形Fig.5Simulation waveform of current sense

4實驗結(jié)果與分析

本線路已應(yīng)用在一款降壓型LED驅(qū)動芯片中，其版圖面積為0.038 mm2，僅占整體芯片的4%.

針對寬工作電壓(5～40 V)要求，本文中設(shè)計了一系列實驗，在不同的輸入輸出電壓以及不同的輸出電流情況下，對流片后的芯片進(jìn)行了測試，圖6是檢測電阻Rsense=0.22 Ω，輸入12 V，輸出2個LED串聯(lián)時回路中的電流波形.LED中平均電流為897 mA，比設(shè)定值0.2/0.22=909 mA小了1.32%；滯回(電流紋波系數(shù))大小±11%，比設(shè)計值±10%稍大.表1則列出了不同輸入電壓及檢測電阻情況下測得的LED電流值，可知本文中設(shè)計的電流檢測電路達(dá)到了設(shè)計要求，能精確檢測及控制輸出電流.

圖6　檢測電阻0.22 Ω時電流波形Fig.6LED current waveform when Rsense=0.22 Ω

輸入電壓VIN/V檢測電阻Rsense/Ω實測輸出電流ILED/A目標(biāo)電流值Iout/A偏差/%50.400.4970.500-0.60120.220.8970.909-1.32240.012.0102.050-1.95360.053.9004.000-2.50400.044.8505.000-3.00

5結(jié)論

電流檢測電路是LED驅(qū)動不可或缺的功能模塊，其性能直接影響驅(qū)動芯片的精確性和可靠性.本研究提出的高側(cè)電流檢測電路輸入級采用CMOS器件，有著較好的工藝兼容性；利用電阻比值進(jìn)行匹配，提高了檢測精度.該電路結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)流片驗證安全可靠，且在5～40 V寬范圍輸入電壓、0.5～5 A輸出電流范圍下達(dá)到了3%的檢測精度，在大電流LED驅(qū)動照明領(lǐng)域具有很高的實用價值.

參考文獻(xiàn)：

[1]宋賢杰,屠其非,周偉,等.高亮度發(fā)光二極管及其在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體光電,2002,23(5)：356-360.

[2]方志烈.發(fā)光二極管材料與器件的歷史、現(xiàn)狀和展望[J].物理,2003,32(5):295-301.

[3]MORROW R C.LED lighting in horticulture[J].Hortscience,2008,43(7):1947-1950.

[4]林方盛,蔣曉波,江磊,等.LED 驅(qū)動電源綜述[J].照明工程學(xué)報,2012,23(增刊1):96-101.

[5]FORGHANI-ZADEH H P,RINCON-MORA G A.Current-sensing techniques for DC-DC converters[C]∥ MWSCAS-2002.The 2002 45th Midwest Symposium on Circuits and Systems.Tulsa： IEEE,2002,577-580.

[6]LIN J,CHENG H,XING J.A high side current sensing circuit with high PSRR based on BCD process[C]∥2011 IEEE International Conference on Anti-counterfeiting,Security and Identification(ASID).Xiamen：IEEE,2011:177-179.

[7]呂江平.集成電路(IC)中電阻的設(shè)計[J].集成電路通訊,2005,23(3):18-22.

[8]LIN Y,CHEN D,GEIGER R.Yield enhancement with optimal area allocation for ratio-critical analog circuits[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅰ:Regular Papers,2006,53(3):534-553.

[9]GE G,ZHANG C,HOOGZAAD G,et al.A single-trim CMOS bandgap reference with a inaccuracy of 0.15% from 40 C to 125 C[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2011,46(11):2693-2701.

[10]AKIYA M,NAKASHIMA S.High-precision MOS current mirror[J].IEE Proceedings I:Solid-State and Electron Devices,1984,131(5):170-175.

[11]WANG Z.Analytical determination of output resistance and DC matching errors in MOS current mirrors[J].IEE Proceedings G,1990,137(5):397-404.

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201511009

收稿日期：2015-11-09錄用日期：2016-03-08

*通信作者：yjfeng@xmu.edu.cn

中圖分類號:TN 431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)04-0592-04

A High-side Current Sensing Circuit for High-brightness LED Drivers

LIU Yan， FENG Yongjian*，XIA Rongfei

(School of Aerospace Engineering,Xiamen University，Xiamen 361005,China)

Abstract:This paper proposes a high-side current sensing complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit which is applied to high-brightness LED drivers.By detecting the voltage drop of a sense resistor in series and applying hysteresis control strategies,it controls the on-off of the current loop and has achieved a 3% accuracy while the output current varies from 0.5-5 A at 5-40 V input voltage.The circuit has been implanted in 0.6 μm 5-40 V BCDMOS process,and the test shows that the circuit exhibits a satisfactory performance and can meet requirements.

Key words:high-side current sense;high accuracy;LED driver

引文格式：劉巖，馮勇建，夏榮菲.一種用于大電流LED驅(qū)動的高側(cè)電流檢測電路[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,55(4)：592-595.

Citation：LIU Y， FENG Y J，XIA R F．A high-side current sensing circuit for high-brightness LED drivers[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：592-595．(in Chinese)