中心議題：

• LED恒流驅動電路設計
• LED恒流驅動電路仿真測試結果

解決方案：

• 基於MOS管飽和區恒流特性的恒流模塊
• 基於電流負反饋的恒流模塊
• 擬合工作區的恒流驅動模塊

本文介紹基於CSMC0.5umBCD工藝給出的LED恒流驅動電路。利用MOS管guan飽bao和he區qu恒heng流liu特te性xing以yi及ji電dian流liu負fu反fan饋kui結jie構gou
，給gei出chu三san種zhong恒heng流liu驅qu動dong方fang案an。比bi較jiao三san種zhong方fang案an的de恒heng流liu工gong作zuo電dian壓ya，確que立li最zui終zhong結jie構gou。本ben文wen采cai用yong的de方fang案an能neng夠gou有you效xiao降jiang低di恒heng流liu工gong作zuo電dian壓ya並bing實shi現xian利li用yong外wai接jie電dian阻zu控kong製zhi恒heng流liu輸shu出chu的de大da小xiao
，驅qu動dong電dian流liu範fan圍wei為wei14.5mA到91.5mA.驅動電流可以通過外接PWM數字信號實現輸出使能控製，控製響應時間為7ns.可用於LED顯示屏。通過Hspice軟件進行仿真
，5V的電源電壓波動±10%時驅動電流波動小於1.85%.環境溫度由25℃變化到85℃時驅動電流變化2.14%.外接電壓由0V變化到5V,此時的驅動電流變化小於5.5%.當驅動電流為91.5mA時，恒流工作電壓僅為0.38V.

1  引言

近年來，LED顯示屏應用迅速發展，推動LED驅動IC的進步。基於對LED的高可靠性以及亮度和色度一致性的考慮，通常要對LED進行恒流驅動。

用於LED顯示屏的恒流驅動電路主要存在三個設計要點：①驅動電流可通過單一外接電阻設定。②最大限度降低恒流工作電壓。這裏，恒流工作電壓指使輸出電流恒定時的內部電路壓降
，該壓降小則電路功耗低。③恒流輸出可由數字信號控製，響應速度要快，以滿足采用PWM技術動態調光或高速掃描應用的需要。文中給出了一種使驅動MOS管guan在zai線xian性xing區qu實shi現xian恒heng流liu的de控kong製zhi方fang法fa，且qie不bu需xu要yao在zai源yuan極ji串chuan聯lian反fan饋kui電dian阻zu，有you效xiao降jiang低di了le恒heng流liu工gong作zuo電dian壓ya。在zai此ci基ji礎chu上shang，給gei出chu了le滿man足zu以yi上shang三san方fang麵mian要yao求qiu的de完wan整zheng控kong製zhi電dian路lu。

2  恒流驅動電路設計

恒流驅動模塊是整個控製電路設計核心，決定整體電路的恒流特性。針對此模塊給出三種方案。具體電路結構如圖1所示。圖中電流I_rset隻受控於外接電阻Rset,當Rset不變時，此電流恒定。Vcc是電路的外接電壓，用來為LED供電。

圖1  電路結構

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2.1  基於MOS管飽和區恒流特性的恒流模塊
這種結構采用簡單的恒流方式，常應用於大功率LED照明電路，結構如圖1（a）所示。電路利用M1實現恒流驅動。外接電壓Vcc的增大使得M1進入飽和區

，利用運放保證M1柵電壓保持不變。工作於飽和區的M0與M1的共柵連接方式使得流經它們的電流滿足線性比例關係且電流恒定，比例係數取決於兩者的寬長比的比值。這種恒流模式完全依賴於MOS管的柵電壓並且恒流工作電壓（VDS1）至少要滿足M1管飽和導通，因此結構對於LED顯示電路來說功耗大。

2.2  基於電流負反饋的恒流模塊
為減小電路功耗，采用負反饋結構實現恒流輸出。電路結構如圖1（b）。當電路由於某一原因導致M0的漏電流增加時，增加的電流通過R1作用反饋到運放的反相端，負反饋結構會使得M0的柵壓降低，使M0上漏電流減小
，從而實現動態平衡，保證M0的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)，反(fan)之(zhi)亦(yi)然(ran)。這(zhe)樣(yang)的(de)恒(heng)流(liu)方(fang)式(shi)降(jiang)低(di)了(le)恒(heng)流(liu)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)，電(dian)路(lu)功(gong)耗(hao)小(xiao)。動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)方(fang)式(shi)很(hen)好(hao)的(de)實(shi)現(xian)了(le)恒(heng)流(liu)輸(shu)出(chu)，恒(heng)流(liu)特(te)性(xing)好(hao)。負(fu)反(fan)饋(kui)結(jie)構(gou)使(shi)得(de)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)Iout與I_rset之間滿足線性比列關係，比例係數取決於R0與R1的阻值比。

該結構存在一些不足：①R1不宜過大，否則R1上壓降過高
，產生較大功耗。②R1不宜過小，否則會導致反饋電壓過小，反饋電壓信噪比低，電路性能不穩定。R1設置在幾個歐姆為宜
，對於電阻的精確要求使得版圖設計相對困難，對工藝的要求較高。③反饋電阻的存在就不可避免的在R1上產生一定的壓降，造成集成電路內部功耗的增加。

2.3  擬合工作區的恒流驅動模塊
為避免反饋電阻存在的問題
，采用圖1（c）結構，負反饋取樣點在M1漏端。同時為最大限度的降低恒流工作電壓需實現MOS管(guan)在(zai)線(xian)性(xing)區(qu)可(ke)以(yi)恒(heng)流(liu)輸(shu)出(chu)。這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)將(jiang)線(xian)性(xing)區(qu)恒(heng)流(liu)輸(shu)出(chu)曲(qu)線(xian)與(yu)飽(bao)和(he)區(qu)恒(heng)流(liu)輸(shu)出(chu)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)擬(ni)合(he)成(cheng)一(yi)條(tiao)曲(qu)線(xian)

，得(de)到(dao)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)的(de)恒(heng)流(liu)輸(shu)出(chu)曲(qu)線(xian)恒(heng)流(liu)特(te)性(xing)好(hao)
，恒(heng)流(liu)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)低(di)。

MOS管漏電流ID在不同工作區滿足關係式：
當VDS>VGS-VTHN時，MOS管處於飽和區：

當V DS < VGS - V THN時
， MOS 管處於線性區：


若某一原因導致運放同相端輸入電壓增大，會使得M0柵電壓增加。而I_rset對於固定的外設電阻是恒定的，故M0的漏電壓減小，從而M1的(de)柵(zha)電(dian)壓(ya)減(jian)小(xiao)，漏(lou)電(dian)壓(ya)增(zeng)加(jia)，即(ji)運(yun)放(fang)的(de)反(fan)相(xiang)端(duan)電(dian)壓(ya)也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)加(jia)
，反(fan)之(zhi)亦(yi)然(ran)。這(zhe)一(yi)結(jie)構(gou)保(bao)證(zheng)運(yun)放(fang)的(de)同(tong)相(xiang)端(duan)和(he)反(fan)相(xiang)端(duan)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)相(xiang)等(deng)
，即(ji)保(bao)證(zheng)M1和M2的漏電壓相等。同時M1和M2的共柵連接方式使得兩者的柵電壓相等。由式（1）、（2）可以看出，隻要保證M1和M2的柵

、漏電壓均相等，驅動電流Iout與I_rset就會滿足一個線性的比例關係
，比例係數依賴於M1和M2的寬長比的比值。而對於一個固定的外設電阻，I_rset是固定不變的
，電路可以利用此關係在M2尚處於線性區時就可以恒流輸出，顯著的降低恒流輸出的工作電壓。這一結構要求電路中的運放的線性區的工作範圍寬
，即保證在M2處於線性區時，運放一直能夠正常放大，保證M1和M2的漏源電壓相等。當同相端的增加量使得運算放大器已經進入到飽和區時，盡管反饋結構不再起作用，但M2已經可以利用飽和區恒流特性實現恒流輸出，I_reST不變使得飽和區的恒流值與線性區一致，兩個工作區的曲線擬合在一起，形成最終的恒流輸出曲線。

三種結構的恒流工作電壓和驅動電流最大誤差如表1所示。三種結構的I_rset均是同一簡單電流鏡產生的1mA電流，驅動電流與I_rset的比例關係均設置為1：50,外接電壓的工作範圍均為0V~5V.

表1  三種結構恒流工作電壓及驅動電流最大誤差比較

可以看出，圖1中（c）的結構可以實現顯著降低恒流工作電壓的目的。總體電路中的恒流驅動模塊采用該結構。
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LED恒流驅動的總體電路如圖2所示，圖中控製電路部分用於控製是否有恒流輸出。ctr信號是外接PWM數字信號，可以實現對LED的調光控製。

圖2  恒流驅動電路總圖

整個控製模塊利用施密特觸發器實現電平的準確翻轉，通過邏輯門作用於MC8
、MC9.這兩個MOS管在控製信號發生翻轉時迅速將電平拉高或拉低，實現了對控製信號控製功能的加速作用
，電路的響應速度快。當ctr信號為高時輸出禁止
，ctr信號為低時輸出允許，從而實現利用外部的PWM信號實現調光功能。I_rset產生電路要實現通過外設電阻Rset對I_rest大小的控製，並且對與固定的Rset可以恒流輸出。利用帶隙電壓源產生一個基準電壓，利用運放實現基準電壓到基準電流的轉換。將運放的反相端連接到外設電阻Rset就實現了轉換的電流大小受控於Rset.通過後續電路將電流適當放大，最終給出I_rset.總體電路利用確立好的恒流驅動模塊實現恒流輸出。

3  仿真測試結果

采用圖2電路結構，基於CSMC0.5umBCD工藝庫進行LED恒heng流liu驅qu動dong電dian路lu仿fang真zhen。電dian路lu實shi現xian了le恒heng流liu工gong作zuo電dian壓ya低di
，驅qu動dong電dian流liu大da小xiao可ke以yi由you外wai部bu電dian阻zu調tiao節jie，並bing且qie外wai部bu數shu字zi信xin號hao對dui驅qu動dong電dian流liu具ju有you使shi能neng控kong製zhi功gong能neng，響xiang應ying速su度du快kuai的de目mu的de。

控製ctr信號變化時驅動電流變化情況如圖3.結果顯示ctr對驅動電流具有輸出使能控製作用，測量得到控製信號ctr響應時間僅為7ns.

圖3  驅動電流隨控製信號變化情況

不同外接電阻下恒流輸出特性曲線如圖4.阻值由200Ω~1300Ω時

，驅動電流變化範圍是14.5mA~91.5mA,輸出恒流為91.5mA時，恒流工作電壓僅為0.38V.分析時Vcc由0V到5V變化，驅動電流變化保持在5.5%以內，負載電路的增加使得恒流結構的恒流精度與先前相比有所降低。

圖4  外接電阻變化時
，恒流輸出特性曲線

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設置Rset為500Ω、Vcc為3V,令5V電源電壓產生±10%的波動
，此時恒流輸出情況如圖5.驅動電流由37.8mA變化到38.5mA,波動百分比為1. 85%。

圖5  驅動電流隨電源電壓變化曲線

設置Rset為500Ω、Vcc為3V,令電路工作的環境溫度為25℃~85℃時，恒流輸出情況如圖6.驅動電流由37.3mA變化到38.1mA,波動百分比2.14%.

圖6  驅動電流隨溫度變化曲線

4  結束語

文中給出一種LED恒流驅動電路，可用於LED顯xian示shi屏ping。利li用yong電dian流liu負fu反fan饋kui結jie構gou並bing擬ni合he工gong作zuo區qu，電dian路lu恒heng流liu工gong作zuo電dian壓ya低di，同tong時shi實shi現xian外wai部bu數shu字zi信xin號hao的de使shi能neng控kong製zhi，控kong製zhi信xin號hao響xiang應ying速su度du快kuai
，可ke用yong於yu實shi現xianPWM數字調光。驅動電流大小可以有外接電阻實現控製。仿真顯示
，電路5V的電源電壓波動±10%時，驅動電流波動小於1.85%.環境溫度在25℃~85℃時，驅動電流變化2.14%.驅動電流為91.5mA時，恒流工作電壓僅為0.38V.電路驅動電流可由外接信號實現輸出使能控製，響應時間為7ns.驅動電流大小通過外接電阻設置實現，設置範圍200Ω~1300Ω,對應驅動電流變化範圍是14.5mA~91.5mA.