0 引言

    LED(Light Emitting Diode)驅(qū)動(dòng)電源是LED照明燈具的核心部件,，分為外部應(yīng)用電源和內(nèi)部電源^[1]。外部應(yīng)用電源為芯片外部電路和LED燈珠提供工作電源,，輸出為高壓,；而內(nèi)部電源則是為芯片內(nèi)部各個(gè)低壓模塊(如帶隙基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器,、比較器等)提供工作電源,，輸出為低壓，一般有1.8 V,、3.3 V和5 V幾種電壓,。內(nèi)部電壓是由外部應(yīng)用電壓經(jīng)過降壓而得。傳統(tǒng)降壓電路有BUCK型DC-DC變換電路^[2],，這種電路雖然效率較高,，但輸出紋波電壓較大、線性調(diào)整率較差,、且需要電感元件,，不利于集成化,。文獻(xiàn)[3]報(bào)道了一種預(yù)降壓電路結(jié)構(gòu)，可在由高壓管HVMN構(gòu)成的源極跟隨器源端產(chǎn)生預(yù)降壓電壓,，但電路需要較多的高壓管,，芯片面積較大，且易受工藝條件限制,。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了另一種降壓電路,，采用高壓管作為輸入管對(duì)電容充電，輸出電壓經(jīng)過電平位移電路結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定輸出電壓,。電路中的高壓?jiǎn)?dòng)電路不工作時(shí),，需要低摻雜的高阻值電阻來承受高壓，嚴(yán)重影響可靠性,，且電平位移電路輸出電壓帶負(fù)載能力有限,。

    本文設(shè)計(jì)的高壓穩(wěn)壓電路利用高壓管LDMOS構(gòu)成電流源電路對(duì)RC電路充電，并引進(jìn)前置基準(zhǔn)和遲滯檢測(cè)模塊,，電容兩端的輸出電壓經(jīng)過線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后給芯片提供穩(wěn)定的低壓電源,，穩(wěn)壓之后的輸出電壓穩(wěn)定性高，帶負(fù)載能力強(qiáng),，電路只需外置電容,，其余部分可以集成在一塊芯片上。理論分析和仿真驗(yàn)證結(jié)果表明,，該高壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)正確,，且各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均滿足預(yù)期要求。

1 LED驅(qū)動(dòng)芯片中的高壓穩(wěn)壓電路

    高壓穩(wěn)壓電路是LED分段式恒流驅(qū)動(dòng)電源的核心模塊,，圖1所示為本文設(shè)計(jì)的LED分段式恒流電路框圖,。市電經(jīng)過整流橋后得到脈動(dòng)高壓直流電壓，該電壓既要為L(zhǎng)ED燈珠供電,，也需為芯片內(nèi)部的相關(guān)模塊提供電源,。芯片內(nèi)部模塊的工作電壓為低壓，所以需要一個(gè)高壓穩(wěn)壓電路將高壓脈動(dòng)直流電壓穩(wěn)定到低壓模塊所需的直流值,。該高壓模塊的輸出直接影響到芯片內(nèi)部模塊的穩(wěn)定性,，對(duì)LED燈具的性能和質(zhì)量起著決定性的作用。

    為解決LED驅(qū)動(dòng)芯片中高壓穩(wěn)壓電路占用芯片面積大,、對(duì)工藝敏感性強(qiáng),、帶負(fù)載能力差等問題，本文提出了一種改進(jìn)的高壓穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu),，如圖2所示,。電路主要分為高壓?jiǎn)?dòng)模塊、遲滯檢測(cè)模塊,、前置基準(zhǔn)模塊Pre-BAG和LDO穩(wěn)壓模塊4部分,。高壓?jiǎn)?dòng)模塊由高壓LDMOS器件構(gòu)成RC充電和高壓放電兩條支路,，可在電容兩端得到一定值的電壓（V_CC）。遲滯檢測(cè)模塊具有兩個(gè)門限電壓,，主要用于檢測(cè)電容電壓V_CC,，輸出信號(hào)用于控制RC充電和高壓放電支路。電路引進(jìn)前置基準(zhǔn)模塊,，在V_CC上升到一定值時(shí)能產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓并為L(zhǎng)DO穩(wěn)壓模塊提供參考電壓,。由于V_CC不是穩(wěn)定值，故電路引進(jìn)LDO穩(wěn)壓模塊,，V_CC經(jīng)LDO穩(wěn)壓之后得到的輸出電壓（V_DD）具有穩(wěn)定性高,、帶負(fù)載能力強(qiáng)，可以作為芯片內(nèi)部低壓模塊的工作電源,。

    電路采用D-S耐壓為700 V的LDMOS器件構(gòu)成RC充電和高壓放電兩條支路,，解決了利用低摻雜大電阻承受高壓所帶來的可靠性問題，利用LDO穩(wěn)壓之后可以提高輸出電壓的穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力,。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

    高壓?jiǎn)?dòng)模塊由RC充電和高壓放電兩條支路構(gòu)成,，如圖2，支路一的LDMOS1為RC電路提供充電電流,，在電容兩端得到一定值的電壓,；支路二由LDMOS2和電阻R0構(gòu)成對(duì)地支路，當(dāng)充電支路一關(guān)閉時(shí),，支路二可作為高壓放電回路,。LDMOS2的柵極由遲滯檢測(cè)模塊的輸出電平信號(hào)控制，可處于導(dǎo)通或截止兩種工作狀態(tài),。電容兩端電壓V_CC作為檢測(cè)信號(hào),，同時(shí)為后續(xù)模塊提供電源。當(dāng)電路上電時(shí),，支路一導(dǎo)通,，電容兩端電壓V_CC上升，遲滯檢測(cè)模塊輸出低電平,，使LDMOS2處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí),，遲滯檢測(cè)模塊輸出高電平,，使LDMOS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，關(guān)斷支路一,，充電結(jié)束,。當(dāng)由于后續(xù)模塊消耗使電容兩端電壓低于一定值后， LDMOS2再度截止,，此時(shí)LDMOS1導(dǎo)通,，充電支路一也再度被激活,，對(duì)RC電路進(jìn)行充電。LDMOS1,、LDMOS2的D-S耐壓為700 V,，支路二LDMOS2的引入可以有效改善文獻(xiàn)[4]所報(bào)道的方案中低摻雜大電阻易受高壓影響的弊端。

    遲滯檢測(cè)模塊由雙門限比較器構(gòu)成,，電路具有遲滯回環(huán)傳輸特性,。利用正反饋使比較器的門限電壓隨輸出電壓的改變而改變，對(duì)輸入端的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力^[5],。電路中的運(yùn)算放大器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu),，第一級(jí)為差分運(yùn)算放大器，第二級(jí)為PMOS管為負(fù)載的共源放大器,。兩級(jí)之間采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來消除次級(jí)點(diǎn)對(duì)低頻單位增益帶寬,、相位裕度的影響，保證運(yùn)算放大器的工作穩(wěn)定性^[6-7],。

    前置基準(zhǔn)模塊Pre-BAG選用帶隙電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu),，主要由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)核心電路和偏置電路構(gòu)成,。啟動(dòng)電路保證了在上電以后,，前置基準(zhǔn)模塊能正常工作，該模塊主要是為L(zhǎng)DO穩(wěn)壓電路提供參考電壓,。

    LDO穩(wěn)壓模塊主要由功率調(diào)整管,、誤差放大器和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。由前置基準(zhǔn)模塊為誤差放大器提供參考電壓,，輸出電壓V_out經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)取樣后與參考電壓進(jìn)行比較,，比較結(jié)果控制調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)^[9]，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓,。V_out的計(jì)算公式如式(1)：

    電路設(shè)計(jì)的V_out為5 V,，V_ref為1.19 V，調(diào)整電阻R4,、R5,、R6的比值可以得到所需的輸出電壓值。

    該輸出電壓較穩(wěn)定,。負(fù)載調(diào)整率是衡量負(fù)載大小變化對(duì)穩(wěn)壓電路輸出電壓的影響程度,。該電壓需具有相應(yīng)的帶負(fù)載能力，才能提供作為芯片低壓模塊的工作電源^[10],。本文設(shè)計(jì)的高壓穩(wěn)壓電路如圖3所示,。

3 電路仿真與結(jié)果分析

    基于華虹宏力0.5 μm 700 V BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝，在典型工藝角條件下，采用Cadence平臺(tái)下的 spectre仿真器對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證,。圖4所示為前置基準(zhǔn)電路的啟動(dòng)工作電壓仿真結(jié)果,。從圖中可以看出，在輸入電源電壓為1.8 V～6 V時(shí),，前置基準(zhǔn)電路穩(wěn)定輸出1.19 V,。

    圖5所示為高壓穩(wěn)壓電路的整體仿真結(jié)果。從圖中可看出,，在輸入電壓為0～311 V的脈動(dòng)電壓條件下,，電容兩端電壓V_CC=5.73 V，V_CC經(jīng)LDO穩(wěn)壓器可以得到V_out=4.97 V,。

    經(jīng)計(jì)算,，圖5所示系統(tǒng)中的欠壓保護(hù)、過溫保護(hù),、振蕩電路等模塊所需的供電電流約為7.5 mA,，考慮到余量，設(shè)定高壓穩(wěn)壓電路的負(fù)載電流為10 mA,。圖6所示為輸出電壓的帶負(fù)載能力仿真結(jié)果,。從圖中可以看出，負(fù)載電流I_o從0變化至10 mA時(shí),，輸出電壓波動(dòng)為ΔV_out=0.116 V,，變化率為2.32%，負(fù)載調(diào)整率為ΔV_out/ΔI_o=11.6 mV/mA,，負(fù)載特性較好,。

    圖7所示為輸出電壓的溫度特性仿真結(jié)果。從圖中可以看出,，在-40 ℃～130 ℃范圍內(nèi),，輸出電壓的溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃。

    表1為本文設(shè)計(jì)電路的性能參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比,，在不同工藝下,，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的輸入電壓均為恒壓，本文的輸入電壓為0~311 V的非恒壓,；電路的溫漂系數(shù)為27.2 ppm/℃,，可以滿足系統(tǒng)要求；輸出電壓V_DD的變化率為2.32%,，相較于文獻(xiàn)[4]有所提高,，且文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的負(fù)載電流分別為5 mA和1.5 mA，而本文的負(fù)載電流為10 mA,，輸出電壓V_out的變化率仍小于3%，負(fù)載特性相對(duì)較好,。

4 結(jié)束語

    LED照明已越發(fā)普及,，高壓穩(wěn)壓電路是LED分段恒流驅(qū)動(dòng)芯片的核心模塊,，集成化和高壓工藝的限制一直是實(shí)現(xiàn)這一模塊的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的高壓降壓穩(wěn)壓電路,，由高壓LDMOS電流源對(duì)RC電路進(jìn)行充電得到預(yù)工作電壓,，通過遲滯檢測(cè)模塊控制充電過程，引進(jìn)前置基準(zhǔn)模塊降低了溫度和電源波動(dòng)的影響,，最后利用線性穩(wěn)壓器使模塊的輸出電壓穩(wěn)定在一定值,。仿真驗(yàn)證得到，在0～311 V的周期脈動(dòng)高電壓輸入條件下,，電路能穩(wěn)定輸出4.97 V,；負(fù)載電流在0～10 mA范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓變化率為2.32%,，負(fù)載調(diào)整率為11.6 mV/mA,；在-40 ℃～130 ℃溫度范圍內(nèi)，輸出電壓溫度系數(shù)為27.2 ppm/℃,。該電路具有易于集成,、穩(wěn)定性好、帶負(fù)載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，有利于實(shí)現(xiàn)LED分段恒流驅(qū)動(dòng)電路的單片集成,。

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作者信息:

蘇藝俊1,，2，馬  奎1,，2,，胡  銳3，陳  瀟3,，楊發(fā)順1,，2

（1.貴州大學(xué) 電子科學(xué)系，貴州 貴陽550025,；2.貴州省微納電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，貴州 貴陽550025；

3.貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司,，貴州 貴陽550018）