廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理系 童江華 李開(kāi)航

應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路

廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理系 童江華 李開(kāi)航

本文基于18V Bi-COMS工藝,設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于白光照明LED驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路。文中詳細(xì)闡述了該電路的工作原理和設(shè)計(jì)思想,并給出了基于CADENCE軟件對(duì)該帶隙基準(zhǔn)電路的仿真結(jié)果。該電路利用PN反向飽和電流是溫度指數(shù)函數(shù)的特性,即隨著溫度的升高，PN結(jié)的反向飽和電流將呈指數(shù)性增加,所設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電源抑制能力強(qiáng)和溫度特性良好的特點(diǎn)。根據(jù)CADENCE仿真結(jié)果，表明該帶隙基準(zhǔn)源電路符合要求。

帶隙基準(zhǔn)源電路；PN結(jié)反向飽和電流；溫度補(bǔ)償

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保意識(shí)越來(lái)越引起人們的重視，白光照明LED被譽(yù)為下一代的綠色光源，與現(xiàn)有的照明光源相比，它具有無(wú)污染、使用時(shí)間長(zhǎng)，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)白光LED光源的光效不斷提高，商品化器件的發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)白熾燈，白光LED具有良好的發(fā)展前景。因此，設(shè)計(jì)各種高效可靠的LED驅(qū)動(dòng)電路是集成電路從業(yè)人員的首要任務(wù)。

本文設(shè)計(jì)一款可應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路的帶隙基準(zhǔn)源電路，充分利用PN結(jié)反向飽和電流與溫度的函數(shù)關(guān)系，基于18V Bi-CMOS工藝，所設(shè)計(jì)的電路拓?fù)洳粌H簡(jiǎn)單，而且具有良好的溫度特性，可為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)中的振蕩電路、比較強(qiáng)、誤差放大電路提供可靠的參考電壓和電流。本文第二部分介紹帶隙基準(zhǔn)電路的基本原理，第三部分給出電路的結(jié)構(gòu)，第四部分給出仿真結(jié)果，第五部分總結(jié)。

圖1 電壓基準(zhǔn)的原理圖

1 帶隙基準(zhǔn)源的工作原理

和溫度關(guān)系很小或者無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電流和電壓是很多模擬集成電路中不可缺少的組成部分。它的基本設(shè)計(jì)原理是把兩個(gè)具有相反溫度系數(shù)的量以某一方式相加，使得整個(gè)結(jié)果為零溫度系數(shù)。其中，雙極管已經(jīng)被證實(shí)擁有負(fù)溫度和正溫度的特性參數(shù)，利用雙極管的結(jié)電壓的負(fù)溫度系數(shù)和的正溫度系數(shù)相互抵消（其中：為兩個(gè)雙極管工作在不相等的電流模式下，它們的基極和發(fā)射極的電壓差），即可實(shí)現(xiàn)高效可靠的基準(zhǔn)電壓。

圖1給出帶隙基準(zhǔn)源中電壓基準(zhǔn)的原理圖，R1、R2、T1和T2構(gòu)成帶隙電壓基準(zhǔn)的核心電路（其中），運(yùn)算放大器OPAMP構(gòu)成深度負(fù)反饋，使得。當(dāng)電壓基準(zhǔn)電路穩(wěn)定輸出時(shí)：

因此，為了能夠得到室溫下的零溫度系數(shù)，則：

2 帶隙基準(zhǔn)源的電路實(shí)現(xiàn)

2.1 基準(zhǔn)電路工作原理

帶隙基準(zhǔn)源的電路圖如圖2所示，該基準(zhǔn)電路的包含：偏置電路、基準(zhǔn)電路、運(yùn)算放大器和輸出電路。

圖2 帶隙基準(zhǔn)電路圖

其中，基準(zhǔn)電路是該帶隙基準(zhǔn)源電路的核心部分，由Q1、Q2、Q6、Q7，R1-6元件構(gòu)成。由公式(2)有：

則Vref為：

2.2 運(yùn)算放大器的原理

圖3 運(yùn)放電路圖

運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，由MOS管組成兩級(jí)運(yùn)放，在帶隙基準(zhǔn)電路中該運(yùn)放起通過(guò)形成深度負(fù)反饋，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)電壓源VDD增大時(shí)，會(huì)引起電路中電流的增大，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電壓都會(huì)升高，但是由于R5、Q6上電流變化的函數(shù)模式不同,因此,當(dāng)兩路的電流增大的程度相同時(shí)，VCE6小于VR5。運(yùn)放由于瞬時(shí)輸入的負(fù)電壓會(huì)使得其輸出電壓降低，從而使得VB2（Q2的基極電壓）減小，引起電路中電流的減小。

由于該運(yùn)放為兩級(jí)運(yùn)放，故可提供較大的增益和較寬的輸出擺幅，從而滿足不同的工作要求。

2.3 偏置電路和輸出電路的工作原理

由圖2可知，R1和R2的值影響著輸出電壓Vref。若電路的工作電流為I，輸出電流為Iref，則：

從而：

通過(guò)對(duì)公式(8)對(duì)溫度T求偏導(dǎo)可知，該輸出電流Iref和溫度近似無(wú)關(guān)。

2.4 帶隙基準(zhǔn)源的啟動(dòng)電路原理

在帶隙基準(zhǔn)電路的偏置電路中，有一個(gè)問(wèn)題是“簡(jiǎn)并”偏置點(diǎn)。即：當(dāng)電路工作時(shí)，電路中會(huì)存在兩個(gè)平衡點(diǎn)，一個(gè)是由于運(yùn)放產(chǎn)生的負(fù)反饋的平衡點(diǎn)，另一個(gè)是零狀態(tài)點(diǎn)，雖然電路絕大多數(shù)情況是可以工作在平衡點(diǎn)，但是為了加快電路的啟動(dòng)速度，可以在帶隙基準(zhǔn)源電路中加啟動(dòng)電路模塊，如圖4所示。

圖4中，M5、M6、M7構(gòu)成啟動(dòng)電路部分，當(dāng)Von為低電平時(shí)，M5、M6導(dǎo)通，M7截止，隨著VDD的增大，給Q4、R8和Q5創(chuàng)造一條電流通路。當(dāng)Von為高電平時(shí)，M5、M6、R8、Q5形成的電流通路截止，從而隔離啟動(dòng)電路和主電路。

圖4 帶啟動(dòng)電路的基準(zhǔn)源電路

3 仿真結(jié)果

本文基于18V Bi-COMS工藝，使用CADENCE軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 基準(zhǔn)源的溫度特性 圖6 基準(zhǔn)源的電源抑制能力

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款可在LED驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)中應(yīng)用的帶隙基準(zhǔn)電路，文中分別對(duì)帶隙基準(zhǔn)的原理及其組成電路進(jìn)行了分析，所有的參數(shù)結(jié)果都表明該基準(zhǔn)電路符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該基準(zhǔn)電路所采用的溫度補(bǔ)償技術(shù)也可應(yīng)用于其他電源管理芯片中。

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[3]陳傳虞等．LED驅(qū)動(dòng)芯片工作原理與電路設(shè)計(jì)[J]．