2024年6月10日发(作者：)

第

31

卷　第

5

期

2009

年

10

月

电气电子教学学报

JOURNALOFEEE

Vol.31

　

No.5

Oct.2009

一种用于白光

LED

驱动芯片的软启动电路设计

张　蕾

,

王志功

(

东南大学射频与光电集成电路研究所

,

江苏南京

210096

)

摘　要

:

本文提出了一种用于白光

LED

驱动芯片的软启动电路

,

限制启动时流入芯片的电流和输出端的电压过冲。该电路具有强的控制启动

μ

mCMOS

工艺模型参数

,

在

3.3V

电源电压下

,

该软启动电路软启动的时间典型值能力、结构简单、启动电流小。后仿真结果表明

,

基于

0.35

为

2ms

左右

,

输出电压将稳定为

200mV

。

关键词

:

光源

;LED

驱动芯片

;

启动电路

中图分类号

:TN432

　　文献标识码

:A

　　　　　　　文章编号

:1008

2

0686

(

2009

)

05

2

0057

2

04

DesignofaSoft

2

StartCircuitforWhiteLEDDriver

ZHANGLei,WANGZhi

2

gong

(

InstituteofRF

2

&OE

2

ICs,SoutheastUniversity,Nanjing

210096

,China

)

Abstract:inatestheovershoot

ofthecurrentortheoutputvoltageduringstart

2

ftstartingcircuitcontrolsthestart

2

up

μ

mCMOSprocesswitheffectivelywithasimplestructureandatinystart

2

signedin0.35

t

2

simulationshowsthatastart

2

uptimeis2msandtheoutputvoltageis

200mV.

Keywords:lightsource;LEDdriverchip;startingcircuit

　　作为新兴的固态光源

,

白光

LED

具有无污染、高

效率和使用寿命长等优点。白光

LED

的颜色和亮度

受正向电流及温度的影响显著

,

对其驱动芯片的性能

提出了很高的要求。本文研究一种能够在

CMOS

工

艺下工作于宽供电范围的

,

具有高

PWM

调光范围的

的白光

LED

驱动芯片。在该芯片中

,

软启动电路主

要用于限制启动时流入芯片的电流和输出端的电压

过冲。同时

,PWM

调光的范围

,

也主要取决于芯片内

部电路软启动或者恢复正常工作的速度

[1]

。

允许的供电范围宽达

5

～

18V

。它包含高精度的能

带隙参考源、

PWM

控制器、误差放大器

EA

、软启动

电路、欠压锁定电路、过热关断、过流保护电路、内部

稳压电路、使能电路、输入电压检测电路、逻辑控制

电路和功率开关管输出电路等。它采用固定频率的

电压模式来调节

LED

电流

,

其

200mV

的低反馈电

压可降低功耗和提高效率。此外

,

芯片还含有限流

功能以及过热保护功能以避免输出过载时对器件造

成损害。这种芯片可应用于

LED

手电筒、装饰照

明、矿灯照明及汽车辅助照明等。本课题研究的降

压型

LED

驱动芯片的应用电路如图

2

所示

,

其恒流

输出驱动单颗

1

瓦或

3

瓦白光

LED

。

1

　

LED

驱动芯片的系统分析

降压型

LED

驱动芯片的系统框图如图

1

所示

,

收稿日期

:2009

2

03

2

09;

修回日期

:2009

2

05

2

07

作者简介

:

张　蕾

(

1984

2

)

女

,

硕士研究生

,

主要研究方向是模拟集成电路设计方面

,E

2

mail:zhanglei-seu@

王志功

(

1954

2

)

,

男

,

博士

,

教授

,

主要从事射频和光通信用集成电路设计等研究工作

,E

2

mail:zgwang@

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

58

　　　　电气电子教学学报　　　　第

31

卷

其最大的额定电流

,

因此如果不对浪涌电流加以限

制

,

它将烧坏

MOSFET

和其他器件

,

造成应用系统

失效

[2]

。由式

(

1

)

可知

,

增大

T

s

可以减小

I

rush

,

即软

启动电路思想。前面已经指明

,PWM

调光的范围

,

主要取决于芯片内部电路软启动或者恢复正常工作

的速度

,

因而

T

s

也不能太大。必须折中考虑设计

一个软启动电路

,

使得在无浪涌电流的前提下实现

最短的启动延迟。

本文给出一种软启动电路集成电路设计。该

电路可大大减少启动时的峰值电流和

MOSFET

图

1

　降压型

LED

驱动芯片的系统框图

漏极2源极电压

,

工作稳定可靠。后仿结果表明

,

在

宽输入电压范围

,

最高为

18V

的输入电压下

,

利用

该软启动电路

,

软启动模块

(

Softstart

)

启动的时间

(

即上电时间

)

典型值为

2ms

左右

,

输出电压将稳

定为

200mV

。

2

　软启动电路原理

图

2

　降压型

LED

驱动芯片的应用电路

在稳态的情况下

,

反馈电压

FB

与基准电压之

间的误差信号被误差放大器放大为

Vc

信号。

PWM

调制电路将

V

c

信号和斜坡电压相比较来调

软启动是芯片设计中的常用模块

,

其主要目的

是使输出电压或者电流缓慢上升

,

不至于在芯片上

电的瞬间产生大的过冲。图

3

所示为无软启动功能

的启动波形

,

在

t

0

到

t

1

时间内系统输出波动很大。

在图

4

具有软启动功能的启动波形中

,t

0

到

t

1

时间

段内输出电压跟随软启动电压缓慢上升

,t

1

以后

,

系

统进入正常工作状态

,

软启动电压将与输出电压分

离

,

不再互相关联。

整占空比

,

从而调整输出电压。

V

c

信号连接到

PWM

比较器的同相输人端

,

周期性斜坡电压则连

接到

PWM

比较器的反相端。当

Vc

信号低于斜坡

信号的下限值时

,PWM

比较器输出为低电平

,

即开

关占空比为

0;

当

V

c

电压大于斜坡下限值时

,PWM

比较器开始输出高电平

,

即占空比开始大于

0

。随

着

V

c

信号的增加

,

占空比也不断增加

,

当

V

c

电压大

于斜坡上限值

,PWM

比较器一直输出高电平

,

即开

关处于

100%

占空比工作。在启动初始阶段

,

输出

电压远低于设定值

,

所以

FB

电压远低于基准电压

,

使得误差放大器处于非平衡状态

,

误差放大器输出

为高电平

,

即

V

c

为高电平

,

此时环路处于

100%

占

空比工作。而此时输出电容

C

out

处于完全放电状

态

,

因此会有很大的浪涌电流

I

rush

进入

C

out

。该电流

的大小取决于电容的大小值、输出电压以及启动时

间。对于图

1

中的输出电容

C

out

来说

,

假设

V

out

成线

性增加

,

启动时间为

T

s

,

因此浪涌电流可以表示为

I

rush

=C

out

×

V

out

/T

s

(

1

)

图

3

　无软启动曲线　　　　图

4

　有软启动曲线

为了实现最短的启动延迟

,

传统的芯片没有采

用内部软启动电路

,

而是采用了外部软启动电路来

防止首次接通涌入较大电流。目前

,

软启动集成电

路的实现常用的方法是在启动阶段用一个从零逐渐

升高的斜坡电平代替基准电压作为放大器

EA

的输

入

,

如图

5

所示

[3]

。

通过一个电流源给

C

soft

电容充电得到

V

soft

电压

,

V

soft

呈斜坡状从零上升

,

用该电平代替信号与反馈电

而对于应用系统来说

,

浪涌电流往往远远超过

压

FB

比较

,

因此从启动开始

,EA

就处于平衡态

,

环

路也处于正常的调整状态

,

输出电压随着

V

soft

的逐渐

上升

,

从而达到软启动的目的。上述方法虽然能够实

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

第

5

期张　蕾

,

王志功

:

一种用于白光

LED

驱动芯片的软启动电路设计

59

图

5

　一种传统的软启动电路图

7

　镜像电流源电路

(

图中数值表示为

w/l/m

)

现软启动

,

但是仍然存在以下缺点

:

①没有直接控制

电感电流。为了彻底避免浪涌

,

需要较大的软启动电

容来增大启动时间

,

该电容往往不能集成在芯片上

;

②电感电流一般较小

,

启动时间较长

;

③启动过程

中输出电压和电感电流的变化不够平稳。为了克服

上述缺点

,

本文提出了一种新型的软启动电路。

本电路的工作原理如图

6

所示

,

当电流通过镜

像后刚开始给

Comp

处电容充电时

,

软启动电路中

的比较器的正端电压小于

200mV,

此时比较器输

出控制电平为高

,S1

开启

,

软启动电路输出电压为

正端电压值。当比较器的正端电压大于

200mV

后

,

比较器输出控制电平为低

,S2

开启

,

软启动电路

输出电压为比较器输入负端的参考电压

200mV

。

此电路实现了输出电压缓慢上升

,

避免了输出电压

过冲。

中用迟滞比较器来实现。当

C

S1

=0,C

S2

=1

时

,

软

启动电路开始工作。刚开始充电时

Comp

点电压达

不到

200mV,

比较器输出为低电平。经过一级反相

器

N8

和

P8

后的输出控制电平为高

,

而经过第二级

反相器

N9

和

P9

后的

A

点电平为低

,

故此时

S1

开

启

,S2

关闭

,

软启动电路输出电压随

Comp

处电压

发生变化。

图

8

　软启动主电路

(

图中数值表示为

w/l/m

)

图

6

　软启动电路功能框图

3

　电路设计

镜像电源电路如图

7

所示

,

计算可得基准源电

μ

A,

理论计算得到整个软启动电路流输出

I

=0.55

的总工作电流为

4.2

I

。电流

I

/5

由基准源提供

,

PMOS

管

M1

与

M3

构成

125:1

电流镜

,

将

I

/5

电

当

Comp

点电压大于

200mV

后

,

比较器输出为

高电平

,

经过一级反相器后的输出控制电平为低

,

故

P12

和

P11

均导通

,

因而

Comp

点电平被抬高

,

并持

续充电使之一直保持大于

200mV

。此时

S2

开启

,

软启动电路输出电压等于参考电压

200mV

。

由公式

(

1

)

可知

:

I

/625=

C

ss

×

V

out

/

T

s

,

由此可

以理论计算软启动时间

T

s

<2.27ms

。

4

　电路后仿真结果

通过对软启动电路进行后仿真发现

,

电路稳定

μ

A,

与理论值计后总的工作电流一直保持在

2.286

算相符。比较器的开环增益为

94.5dB,

单位增益带

宽为

22MHz

。软启动电路稳定后输出电压为比较

器输入负端的参考电压

200mV,

也说明

S2

开启

,

迟

滞比较器输出为高电平

,

经过反相器后的控制电压

为低电平。图

9

是对软启动电路输出电压及启动时

流镜像给

M3

作为充电电流

,

预备提供给比较器负

)

～

M3

(

M3

′

)

构端

Comp

处的电容充电。

M1

(

M1

′

成电流镜

,

它们的镜像比为

125:25:5:1

。

软启动主电路如图

8

所示。

N1

～

N6

和

P1

～

P4

组成比较器

[4]

,

电流

I

由基准源提供。在本设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

60

　　　　电气电子教学学报　　　　第

31

卷

间的后仿真结果。由图可见软启动电路的启动时间

为

2.08ms,

与理论值

2.27ms

也相差不大。电路稳

定后输出电压一直保持在

200mV

。

5

　结语

本文提出了一种用于实现

PWM

调光方式的软

启动电路

,

电路结构简单、启动时间控制精确、响应

及时、易于实现、且电路启动电流小

,

提高了元器件

使用寿命。仿真和测试结果表明

,

在启动过程中

,

输

出电压稳步上升

,

该软启动电路软启动的时间典型

值为

2ms

左右

,

输出电压将稳定为

200mv,

软启动

电路性能良好。该软启动电路可用于实现

PWM

调

光方式的

LED

驱动芯片。

参考文献

:

图

9

　输出电压及启动时间的后仿真结果

[1]

　付佳

.

“升压型双模式

PWMLED

驱动芯片设计”

[D].

浙江大

在图

9

中

,

上部曲线代表软启动电路稳定后的

输出电压

,

达到了预定参考电压值。下部曲线为输

出控制电压

,

电平为低后代表软启动电路已达稳定

状态。从后仿的结果看

,

这种软启动电路电容集成

在片内

,

系统较快恢复正常工作

,

启动过程中输出电

压变化平稳

,

彻底避免了浪涌和输出电压过冲。

学硕士论文

,2007

年

4

月

[2]

　李演明

,

来新泉

,

贾新章等

.

一种

DC

—

DC

开关电源的新颖软

启动电路设计

[J].

南京

:

电子器件

,2008,31

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[3]

　史永基

,

史战军

.

一种固体软启动开关控制电路

[J].

南京

:

电子

工程师

,1999

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8

)

[5]

　

(

美

)

g,CMOS

模拟集成电

路设计

[M].

冯军等翻译

,

北京

:

电子工业出版社

,2005

(

上接第

52

页杨晋萍等文

)

4

　结语

本文所导出的具有外部输入作用的系统观测器的

设计

,

在调节器设计中起着重要的作用。当系统有干

扰时

,

被调量仍需跟踪给定值的信号

,

达到无差调节

,

此即为调节器问题。在构造纯增益调节器时

,

必须使

用增广矩阵的调节器

,

也就是本文所介绍的方法。

参考文献

:

[1]

　王翼编著

.

现代控制理论

[M].

北京

:

机械工业出版社

,2005

[2]

　涂奉生

,

齐寅峰编著

.

多变量线性控制系统分析与设计

[M].

北

京

:

化学工业出版社

,1989

(

上接第

56

页陈玉庆等文

)

参考文献

:

[1]

　王兆安

,

杨君

,

刘进军

.

谐波抑制和无功功率补偿

[M].

北京

:

机

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[2]

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高等

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