一种基于电流控制模式的白光LED驱动芯片的设计

    系统将工作在两个状态：连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)。V_IN上电，STDN置高电平，基准源为A2比较器提供的比较参考电压为V_RA2。由于系统刚启动，A1、A2输出高电平，单稳态电路不触发，输出高电平，外部功率管Q_T导通。当V_SENSE>V_RA1，A1输出低电平，单稳态电路触发，DRIVE电压迅速被拉低，开始给外部C2充电，在R_S2两端电压未达到A2比较参考电压前，系统将重复上述过程，系统工作在连续导通模式。当R_S2两端电压超过A2比较电压V_RA2时，A2比较器输出低电平，单稳态电路触发，外部功率管关断，从此时起1.7μs内L给C2充电，当L放完电后，C2开始放电，致使R_S2两端电压仍然超过A2比较电压，A2输出低电平，单稳态电路持续输出低电平，外部功率管继续处于关断状态，系统工作在不连续导通模式。系统启动升压为连续导通模式，进入稳态后系统为不连续导通模式。

2 电路原理与设计
2.1 开关限流控制电路
    图1中A1比较器、单稳态触发器、驱动放大器和外部开关管组成的环路为开关限流控制电路。假定单稳态触发器输出高电平稳态，外部功率管Q_T导通，二极管D截止，电感L中的电流线性上升。当电感电流较小时，限流电阻R_S1上的压降小于30mV，A1 比较器输出低电平，不能触发单稳态触发器翻转；而当电感电流上升至限流I_pk时，电阻R_S1上的压降达到V_RA1，A1 比较器输出翻转，输出低电平经与非门控制单稳电路进入暂稳态,外部功率管Q_T关断。由于电感电流必须连续，因此电感L的感应电动势为左负右正，二极管D导通，电感L开始对C2进行充电，输出电压V_OUT上升。这一过程将持续1.7μs至暂稳态结束，单稳态触发器重新回到高电平稳态，再次使Q_T重复上述的开关过程，直至最终V_OUT达到额定输出电压。
    图2为A1比较器电路，BIAS为偏置端，V_A1为输出端，V_S为正向输入端，SENSE为负向输入端，即为外部电感电流I_pk检测端。由于Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂偏置相同，故其提供的偏置电流相同。Q₁₀、Q₁₃、R_S构成A1比较器正向输入支路。由于V_CC和V_BIAS电压为常数，Q₁₃采用二极管连接方式，A点的电压为V_BE13+V_S；由于Q₁₃、Q₁₄同为NPN管，其两管的V_BE阈值电压相同，当V_SENSE>V_BE13+V_S-VT(be)时，Q₁₄截止，B点上升为高电平，Q₁₅导通，V_A1输出低电平，通过控制与非门触发单稳电路，外部功率管关断，V_SENSE迅速下降为0，Q₁₄导通，B点被拉至低电平，Q₁₅关断，VA1输出高电平，此时控制信号为与非门所屏蔽，不触发单稳电路。电路进入1.7μs暂稳态，等待外部电感L放电结束。
    由于系统外围电路的主要功率损耗来源于反馈电阻R_S1和电感L的寄生串联电阻，所以可以通过低反馈电阻技术来降低系统外围器件功耗。即通过调节R_S可以提供一个尽可能小的比较参考电压V_RA1(约为30mV)，对于电感：
    
    当V_RA1减小时，对于相同电感的I_pk，可以有效地减小R_S1阻值，进而降低系统外围器件功耗。

2.2 负载电流反馈电路
    图1中，电感L、二极管D、负载、检测电阻R_S2、A2比较器组成的环路为负载电流反馈电路。V_FB端为A2比较器反向输出端，即负载电流检测端。当系统进入暂稳态时，电感L通过二极管D给电容C2和负载供电。此时电感L给负载供电电流为I_pk，此时V_FB端检测电压V_FB达到最大为I_pk×R_S2，大于A2比较器的正向参考电压V_RA2，A2 比较器输出低电平，通过与非门控制单稳态触发，关断外部功率管,而此时系统已经进入暂稳态，外部功率管已经处于关断状态, A2比较器会持续触发单稳态。随着电感电流I_L减小, 电容C2两端电压逐渐上升，当外部电感电流I_L满足式(2)：
   
这时电容C2开始对负载供电。当电感电流I_L降为0，系统进入电感电流非连续模式，这时只有电容C2给负载供电，当负载电流I_Load小于I_L0时，A2比较器输出高电平，其控制信号为与非门所屏蔽，不触发单稳态电路。此时外部功率管导通，开始给电感L充电。
    基准电路与A2比较器电路如图3所示，左边为带隙基准电路，右边为A2比较器。Q₁～Q₅和R1～R3组成带隙结构，产生带隙基准电压V_REF，V_REF通过电阻分压产生比较器考电压V_RA2。Q₄和Q₅的VBE之差为：
   
其中，A_E4、A_E5为晶体管Q₄、Q₅的发射区面积，比值为N：1，得到基准电压为：
    

    Q₆～Q₉和R6构成A2比较器，BIAS为偏置电压，D点为正向输入端，V_FB为负向输入端，V_RA2为A2比较器的输出端。A2比较器主要是根据负载电流大小，来调节占空比大小，减小负载电流波动。
    由图3可知，正向端参考电压为：
    
    Q₆、Q₇偏置相同，Q₈为二极管连接方式，当外部功率管导通时，V_FBRA2，C点的电压为V_FB+V_BE8，Q₉的BE间的电压：
   
Q₉截止，V_A2输出高电平，单稳态不触发。当V_FB>V_RA2，Q₉导通，V_A2输出低电平，触发单稳态，关断外部功率管。

3 模拟仿真结果
    采用2μm 15V bipolar工艺进行电路设计，电路各模块和外围元件的连结如图4所示。外围元件的取值为：L=22μH，R_S1=40mΩ，R_S2=15Ω，C1=2.2μF，C2=2.2μF。采用Hpsice电路模拟软件对电路进行模拟验证。
    在系统典型工作条件（V_IN=3V，T=25℃，V_OUT=10.8V）下，系统各端子的瞬态模拟输出波形如图4所示（典型情况下，系统大约只需200μs就达到稳定的输出电压）。表1为典型工作条件下电学特性的模拟结果。

4 芯片版图设计
    双极工艺相对于CMOS工艺具有噪声小、速度快、驱动能力强等优点，拥有较高的精度。芯片采用2μm bipolar工艺设计，由于电路结构简单，器件较少，版图面积为0.67mm×1.28mm。
    本文设计了一种用于彩色LCD背光照明的白光LED驱动芯片。采用PFM控制模式低反馈电阻技术、负载电流反馈技术实现低功耗恒流输出的设计目标。基于2μm bipolar工艺仿真验证，在20mA典型应用时，电流调整率达到0.02mA/V，效率为80.1％。芯片能在8V的电源电压下稳定工作，最大静态电流为152μA。该芯片拥有低功耗、电压电流纹波系数小、成本低等优点。