0 引言

    LED(Light Emitting Diode)驅動電源是LED照明燈具的核心部件，分為外部應用電源和內部電源^[1]。外部應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；而內部電源則是為芯片內部各個低壓模塊(如帶隙基準、運算放大器、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。內部電壓是由外部應用電壓經過降壓而得。傳統降壓電路有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、線性調整率較差、且需要電感元件，不利于集成化。文獻[3]報道了一種預降壓電路結構，可在由高壓管HVMN構成的源極跟隨器源端產生預降壓電壓，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[4]報道了另一種降壓電路，采用高壓管作為輸入管對電容充電，輸出電壓經過電平位移電路結構得到穩定輸出電壓。電路中的高壓啟動電路不工作時，需要低摻雜的高阻值電阻來承受高壓，嚴重影響可靠性，且電平位移電路輸出電壓帶負載能力有限。

    本文設計的高壓穩壓電路利用高壓管LDMOS構成電流源電路對RC電路充電，并引進前置基準和遲滯檢測模塊，電容兩端的輸出電壓經過線性穩壓器穩壓之后給芯片提供穩定的低壓電源，穩壓之后的輸出電壓穩定性高，帶負載能力強，電路只需外置電容，其余部分可以集成在一塊芯片上。理論分析和仿真驗證結果表明，該高壓穩壓電路設計正確，且各項指標參數均滿足預期要求。

1 LED驅動芯片中的高壓穩壓電路

    高壓穩壓電路是LED分段式恒流驅動電源的核心模塊，圖1所示為本文設計的LED分段式恒流電路框圖。市電經過整流橋后得到脈動高壓直流電壓，該電壓既要為LED燈珠供電，也需為芯片內部的相關模塊提供電源。芯片內部模塊的工作電壓為低壓，所以需要一個高壓穩壓電路將高壓脈動直流電壓穩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部模塊的穩定性，對LED燈具的性能和質量起著決定性的作用。

    為解決LED驅動芯片中高壓穩壓電路占用芯片面積大、對工藝敏感性強、帶負載能力差等問題，本文提出了一種改進的高壓穩壓電路結構，如圖2所示。電路主要分為高壓啟動模塊、遲滯檢測模塊、前置基準模塊Pre-BAG和LDO穩壓模塊4部分。高壓啟動模塊由高壓LDMOS器件構成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）。遲滯檢測模塊具有兩個門限電壓，主要用于檢測電容電壓V_CC，輸出信號用于控制RC充電和高壓放電支路。電路引進前置基準模塊，在V_CC上升到一定值時能產生基準電壓并為LDO穩壓模塊提供參考電壓。由于V_CC不是穩定值，故電路引進LDO穩壓模塊，V_CC經LDO穩壓之后得到的輸出電壓（V_DD）具有穩定性高、帶負載能力強，可以作為芯片內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穩壓之后可以提高輸出電壓的穩定性和帶負載能力。

2 電路結構分析

    高壓啟動模塊由RC充電和高壓放電兩條支路構成，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構成對地支路，當充電支路一關閉時，支路二可作為高壓放電回路。LDMOS2的柵極由遲滯檢測模塊的輸出電平信號控制，可處于導通或截止兩種工作狀態。電容兩端電壓V_CC作為檢測信號，同時為后續模塊提供電源。當電路上電時，支路一導通，電容兩端電壓V_CC上升，遲滯檢測模塊輸出低電平，使LDMOS2處于截止狀態；當電容兩端的電壓達到設定值時，遲滯檢測模塊輸出高電平，使LDMOS2處于導通狀態，關斷支路一，充電結束。當由于后續模塊消耗使電容兩端電壓低于一定值后， LDMOS2再度截止，此時LDMOS1導通，充電支路一也再度被激活，對RC電路進行充電。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[4]所報道的方案中低摻雜大電阻易受高壓影響的弊端。

    遲滯檢測模塊由雙門限比較器構成，電路具有遲滯回環傳輸特性。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，對輸入端的干擾信號具有很強的抑制能力^[5]。電路中的運算放大器采用兩級結構，第一級為差分運算放大器，第二級為PMOS管為負載的共源放大器。兩級之間采用補償網絡來消除次級點對低頻單位增益帶寬、相位裕度的影響，保證運算放大器的工作穩定性^[6-7]。

    前置基準模塊Pre-BAG選用帶隙電壓基準源電路結構，主要由啟動電路、基準核心電路和偏置電路構成。啟動電路保證了在上電以后，前置基準模塊能正常工作，該模塊主要是為LDO穩壓電路提供參考電壓。

    LDO穩壓模塊主要由功率調整管、誤差放大器和電阻反饋網絡構成。由前置基準模塊為誤差放大器提供參考電壓，輸出電壓V_out經反饋網絡取樣后與參考電壓進行比較，比較結果控制調整管的導通狀態^[9]，從而得到穩定的輸出電壓。V_out的計算公式如式(1)：

    電路設計的V_out為5 V，V_ref為1.19 V，調整電阻R4、R5、R6的比值可以得到所需的輸出電壓值。

    該輸出電壓較穩定。負載調整率是衡量負載大小變化對穩壓電路輸出電壓的影響程度。該電壓需具有相應的帶負載能力，才能提供作為芯片低壓模塊的工作電源^[10]。本文設計的高壓穩壓電路如圖3所示。

3 電路仿真與結果分析

    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平臺下的 spectre仿真器對電路進行仿真驗證。圖4所示為前置基準電路的啟動工作電壓仿真結果。從圖中可以看出，在輸入電源電壓為1.8 V～6 V時，前置基準電路穩定輸出1.19 V。

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

    經計算，圖5所示系統中的欠壓保護、過溫保護、振蕩電路等模塊所需的供電電流約為7.5 mA，考慮到余量，設定高壓穩壓電路的負載電流為10 mA。圖6所示為輸出電壓的帶負載能力仿真結果。從圖中可以看出，負載電流I_o從0變化至10 mA時，輸出電壓波動為ΔV_out=0.116 V，變化率為2.32%，負載調整率為ΔV_out/ΔI_o=11.6 mV/mA，負載特性較好。

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

    表1為本文設計電路的性能參數與相關文獻的對比，在不同工藝下，文獻[3]和文獻[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；電路的溫漂系數為27.2 ppm/℃，可以滿足系統要求；輸出電壓V_DD的變化率為2.32%，相較于文獻[4]有所提高，且文獻[3]和文獻[4]的負載電流分別為5 mA和1.5 mA，而本文的負載電流為10 mA，輸出電壓V_out的變化率仍小于3%，負載特性相對較好。

4 結束語

    LED照明已越發普及，高壓穩壓電路是LED分段恒流驅動芯片的核心模塊，集成化和高壓工藝的限制一直是實現這一模塊的難點。本文設計了一種改進的高壓降壓穩壓電路，由高壓LDMOS電流源對RC電路進行充電得到預工作電壓，通過遲滯檢測模塊控制充電過程，引進前置基準模塊降低了溫度和電源波動的影響，最后利用線性穩壓器使模塊的輸出電壓穩定在一定值。仿真驗證得到，在0～311 V的周期脈動高電壓輸入條件下，電路能穩定輸出4.97 V；負載電流在0～10 mA范圍內變化時，輸出電壓變化率為2.32%，負載調整率為11.6 mV/mA；在-40 ℃～130 ℃溫度范圍內，輸出電壓溫度系數為27.2 ppm/℃。該電路具有易于集成、穩定性好、帶負載能力較強等優點，有利于實現LED分段恒流驅動電路的單片集成。

參考文獻

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作者信息:

蘇藝俊1，2，馬  奎1，2，胡  銳3，陳  瀟3，楊發順1，2

（1.貴州大學 電子科學系，貴州 貴陽550025；2.貴州省微納電子技術重點實驗室，貴州 貴陽550025；

3.貴州振華風光半導體有限公司，貴州 貴陽550018）