朱曉杰，王 棟

（杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310012）

1 引言

隨著全球能源危機(jī)的日益突出，節(jié)能成為了全人類面臨的重要課題之一。作為第四代綠色照明光源，高亮度的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）以其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外照明、醫(yī)療、大尺寸液晶背光等場(chǎng)合[1-3]。而LED驅(qū)動(dòng)電路作為L(zhǎng)ED光源中最重要的部分，近年來的發(fā)展更是迅猛。

目前開關(guān)控制形式的LED驅(qū)動(dòng)電路主要分為隔離和非隔離兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，而采用臨界導(dǎo)通模式（Boundary Conduction Mode，BCM）的非隔離LED驅(qū)動(dòng)由于可以消除二極管的反向恢復(fù)損耗[5-6]和減小功率開關(guān)管的非零電壓導(dǎo)通損耗等特點(diǎn)，特別適用于中小型功率的LED驅(qū)動(dòng)方案；再加上其恒流特性好，應(yīng)用簡(jiǎn)單，效率高，得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)同[7-8]。在這類非隔離LED驅(qū)動(dòng)電路中，實(shí)現(xiàn)臨界導(dǎo)通工作模式的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)就是電感電流的過零檢測(cè)[9]?，F(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路中的過零檢測(cè)一般需要結(jié)合源極驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率下管面積大，導(dǎo)致芯片整體面積大，電路成本增加。本文基于降壓型非隔離LED驅(qū)動(dòng)電路，提出了一種利用電感電流過零時(shí)檢測(cè)功率開關(guān)MOS管柵極負(fù)壓實(shí)現(xiàn)過零檢測(cè)的方法，有效地解決了現(xiàn)有源極驅(qū)動(dòng)方式的成本問題。

2 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 電路結(jié)構(gòu)和LED恒流原理

一種常見的采用臨界導(dǎo)通模式的非隔離降壓型LED驅(qū)動(dòng)電路[10]如圖1所示。驅(qū)動(dòng)開啟時(shí)，LED的電流由Vin輸入，流經(jīng)LED負(fù)載、電感L1、功率MOS管M1/M2、采樣電阻RCS到系統(tǒng)地；驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)，電流通過二極管D1續(xù)流。其中LED驅(qū)動(dòng)控制電路主要由供電模塊、CS峰值關(guān)斷模塊、過零檢測(cè)模塊、恒流控制模塊以及驅(qū)動(dòng)輸出模塊構(gòu)成。

圖1 一種非隔離LED驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)流過LED的電流經(jīng)過CS采樣電阻，形成的比較電壓VCS達(dá)到控制電路設(shè)定的比較電壓VCS_REF時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)斷；而當(dāng)進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)時(shí)，電感L1電流慢慢變小，直到為0后，過零檢測(cè)電路檢測(cè)出電感電流過零的信號(hào)，通過控制邏輯又讓驅(qū)動(dòng)開啟。這樣系統(tǒng)的輸出電流一直處于0 A和VCS_REF/RCS之間，使得流過LED的電流恒定在平均值。

這樣系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了LED的恒流工作，其工作電流波形如圖2所示。

圖2 流過LED電流的波形

2.2 過零檢測(cè)技術(shù)分析

2.2.1過零震蕩模型

2.1節(jié)所述LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)輸出電流恒流的特性主要靠電感電流的峰值關(guān)斷和過零檢測(cè)，而過零檢測(cè)技術(shù)又是其中的關(guān)鍵。圖3是系統(tǒng)電感電流過零、Drain端發(fā)生諧振時(shí)的簡(jiǎn)化模型。

圖3 LC震蕩等效電路

CL是等效負(fù)載電容，Cd1是續(xù)流二極管等效電容。當(dāng)電感L1的電流為零后，Drain端就會(huì)出現(xiàn)震蕩，其震蕩幅度初始值由輸出電壓Vout確定，隨著阻尼震蕩逐周期衰減；其震蕩頻率由式（2）決定（一般CL遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cd1，等效電容由CL決定）。

在LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮合適的L和C值，L、C過大，會(huì)提高系統(tǒng)成本，L、C過小，會(huì)增加過零檢測(cè)負(fù)擔(dān)，即控制電路的過零檢測(cè)需要響應(yīng)足夠快才能捕捉到電感電流過零的信息。

2.2.2傳統(tǒng)過零檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的過零檢測(cè)方式一般需要結(jié)合源極驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，源極驅(qū)動(dòng)的過零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示。所謂源極驅(qū)動(dòng)，即功率MOS M1開啟和關(guān)斷不是直接通過控制功率MOS的柵極實(shí)現(xiàn)，而是通過增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)下管M2，M2的柵極接驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，漏極接功率MOS M1的源極，這樣通過控制M2的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高壓功率MOS M1的開關(guān)，這樣過零檢測(cè)就能通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)控制功率下管M2漏端電壓變化的方法實(shí)現(xiàn)。

源極驅(qū)動(dòng)的過零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示，過零檢測(cè)可以通過一個(gè)比較器去比較M2的漏端電壓VA和內(nèi)部電源電壓VCC，在驅(qū)動(dòng)關(guān)斷、電感還有電流的狀態(tài)時(shí)，VA幾乎等于VCC；而在電感電流為0時(shí)，M1的漏端發(fā)生諧振，通過M1的源漏電容Cds1，震蕩會(huì)耦合傳導(dǎo)到VA，當(dāng)VA震蕩降低到一定程度時(shí)（比VCC低一個(gè)預(yù)設(shè)值VTH），比較器檢測(cè)到這種狀態(tài)，輸出邏輯信號(hào)，判斷系統(tǒng)電感電流出現(xiàn)過零，圖5是這種檢測(cè)模式工作時(shí)的波形。

圖4 源極驅(qū)動(dòng)的過零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電路

圖5 源極驅(qū)動(dòng)的過零檢測(cè)原理波形

這種過零檢測(cè)方式的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上必須通過源極驅(qū)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)，即必須使用驅(qū)動(dòng)控制功率下管M2，由于M2本身需要流過大電流，對(duì)導(dǎo)通阻抗有嚴(yán)格的要求，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中版圖面積通常會(huì)很大，這樣就導(dǎo)致電路面積增大，成本增加。

2.2.3新型的柵極過零檢測(cè)技術(shù)

本文介紹的新型過零檢測(cè)技術(shù)是基于檢測(cè)功率管M1柵極電壓變化而實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)，無需采用源極驅(qū)動(dòng)的方式，省去了功率下管M2，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了電路的成本。

3 具體實(shí)現(xiàn)方式

3.1 柵極過零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)原理

柵極驅(qū)動(dòng)的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，區(qū)別于傳統(tǒng)的源極驅(qū)動(dòng)，采用柵極過零檢測(cè)技術(shù)的電路系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)GT連接到高壓功率MOS管M1的柵極，直接控制M1的開通和關(guān)斷。其過零檢測(cè)是通過判斷電感電流過零時(shí)高壓功率MOS M1柵極電壓的變化來實(shí)現(xiàn)，一般可以通過比較MOS管M1的柵極電壓和零電平之間的差值實(shí)現(xiàn)。

圖6 一種柵極驅(qū)動(dòng)的LED驅(qū)動(dòng)電路

一種具體實(shí)現(xiàn)方式見圖7，功率MOS M1的前級(jí)驅(qū)動(dòng)由反向器構(gòu)成，下管NMOS和M1柵極之間需要加入檢測(cè)電阻RS用以檢測(cè)諧振時(shí)的電流Id，一個(gè)比較器用以比較M1柵極電壓Vd和零電壓GND。

圖7 柵極驅(qū)動(dòng)的過零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電路

當(dāng)驅(qū)動(dòng)關(guān)閉后，M1的柵極電壓Vd由于前級(jí)驅(qū)動(dòng)NMOS下拉變?yōu)榱?，隨后系統(tǒng)電感電流逐漸變小，當(dāng)電感電流變?yōu)榱銜r(shí)，M1的Drain端發(fā)生諧振，由高壓開始下降。由于M1的柵極寄生電容Cgd的存在，電路的GND會(huì)通過RS向Cgd充電，Vd電壓在電感電流過零時(shí)變成負(fù)值，這樣，比較器通過比較Vd和GND之間的差值就能得到系統(tǒng)過零時(shí)的信息，實(shí)現(xiàn)本文所討論的柵極過零檢測(cè)。圖8是上述柵極過零檢測(cè)原理的波形圖。

圖8 柵極驅(qū)動(dòng)的過零檢測(cè)原理波形

3.2 仿真模擬

基于集成電路設(shè)計(jì)專用軟件平臺(tái)Cadence，做出仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示，在電感電流過零后，功率MOS管的Drain端電壓諧振下降，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)GATE出現(xiàn)負(fù)壓，隨后內(nèi)部過零檢測(cè)模塊檢測(cè)到過零信號(hào)，ZCD輸出高電平，驅(qū)動(dòng)開啟。

圖9 仿真結(jié)果

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)采用源極驅(qū)動(dòng)過零和柵極驅(qū)動(dòng)過零的LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試對(duì)比，應(yīng)用方案參考圖6的典型結(jié)構(gòu)。針對(duì)過零方式差異，主要測(cè)試對(duì)比會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的項(xiàng)目，效率、溫升、過零延時(shí)、輸出電流線性調(diào)整率、輸出電流負(fù)載調(diào)整率，輸入電壓為90～265 V、輸出電壓為30～80 V、輸出電流為120 mV時(shí)2種過零方式測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 2種過零方式測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試對(duì)比結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）采用柵極過零方案的電路，由于不需要大面積的源級(jí)驅(qū)動(dòng)功率管，控制芯片面積比源級(jí)驅(qū)動(dòng)過零方案芯片面積小了19.1%，有效地節(jié)省了電路成本。

（2）采用柵極過零方案的電路，在整機(jī)效率和溫升指標(biāo)上優(yōu)于源級(jí)驅(qū)動(dòng)方案。由于過零技術(shù)的差別，一方面控制線路差異會(huì)引起電路功耗的差別，另外一方面沒有了大面積源級(jí)驅(qū)動(dòng)功率管，電路發(fā)熱源會(huì)減少，這2個(gè)方面都會(huì)對(duì)效率和溫升指標(biāo)有影響。實(shí)際測(cè)試對(duì)比可以看到采用柵極過零方案的電路在溫升控制和效率上更優(yōu)。

（3）采用柵極過零方案的電路，在輸出電流線性和負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)上等同于源級(jí)驅(qū)動(dòng)方案。輸出電流線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率是LED驅(qū)動(dòng)電路的重要指標(biāo)。由于過零技術(shù)的差別，過零延時(shí)可能會(huì)有差異，如果電感電流的過零延時(shí)變大，就會(huì)導(dǎo)致輸出電流的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率變差，影響實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際測(cè)試對(duì)比可以看到，采用柵極過零技術(shù)方案，在過零延時(shí)上差異不大，對(duì)于輸出電流的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率并沒有影響。

4 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)采用源極驅(qū)動(dòng)方式的過零檢測(cè)電路，本文討論的柵極過零檢測(cè)方式，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是在保證過零檢測(cè)功能的前提下，省去了原本源極驅(qū)動(dòng)的下管，節(jié)省了電路成本。在LED市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，該技術(shù)無疑具有廣大的應(yīng)用前景。