LED恒流驅(qū)動電路研究與設(shè)計

1 引言

　　近年來，LED顯示屏應(yīng)用迅速發(fā)展，推動LED驅(qū)動IC的進步?；趯?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED">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(qū)動。

　　用于LED顯示屏的恒流驅(qū)動電路主要存在三個設(shè)計要點：①驅(qū)動電流可通過單一外接電阻設(shè)定。②最大限度降低恒流工作電壓。這里，恒流工作電壓指使輸出電流恒定時的內(nèi)部電路壓降，該壓降小則電路功耗低。③恒流輸出可由數(shù)字信號控制，響應(yīng)速度要快，以滿足采用PWM技術(shù)動態(tài)調(diào)光或高速掃描應(yīng)用的需要。文中給出了一種使驅(qū)動MOS管在線性區(qū)實現(xiàn)恒流的控制方法，且不需要在源極串聯(lián)反饋電阻，有效降低了恒流工作電壓。在此基礎(chǔ)上，給出了滿足以上三方面要求的完整控制電路。

　　2 恒流驅(qū)動電路設(shè)計

　　恒流驅(qū)動模塊是整個控制電路設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中電流I_rset只受控于外接電阻Rset，當(dāng)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(jié)構(gòu)

2.1 基于MOS管飽和區(qū)恒流特性的恒流模塊

　　這種結(jié)構(gòu)采用簡單的恒流方式，常應(yīng)用于大功率LED照明電路，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。電路利用M1實現(xiàn)恒流驅(qū)動。外接電壓Vcc的增大使得M1進入飽和區(qū)，利用運放保證M1柵電壓保持不變。工作于飽和區(qū)的M0與M1的共柵連接方式使得流經(jīng)它們的電流滿足線性比例關(guān)系且電流恒定，比例系數(shù)取決于兩者的寬長比的比值。這種恒流模式完全依賴于MOS管的柵電壓并且恒流工作電壓（VDS1）至少要滿足M1管飽和導(dǎo)通，因此結(jié)構(gòu)對于LED顯示電路來說功耗大。

　　2.2 基于電流負(fù)反饋的恒流模塊

　　為減小電路功耗，采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)恒流輸出。電路結(jié)構(gòu)如圖1（b）。當(dāng)電路由于某一原因?qū)е翸0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(fù)反饋結(jié)構(gòu)會使得M0的柵壓降低，使M0上漏電流減小，從而實現(xiàn)動態(tài)平衡，保證M0的漏電流恒定不變，反之亦然。這樣的恒流方式降低了恒流工作電壓，電路功耗小。動態(tài)平衡方式很好的實現(xiàn)了恒流輸出，恒流特性好。負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動電流Iout與I_rset之間滿足線性比列關(guān)系，比例系數(shù)取決于R0與R1的阻值比。

　　該結(jié)構(gòu)存在一些不足：①R1不宜過大，否則R1上壓降過高，產(chǎn)生較大功耗。②R1不宜過小，否則會導(dǎo)致反饋電壓過小，反饋電壓信噪比低，電路性能不穩(wěn)定。R1設(shè)置在幾個歐姆為宜，對于電阻的精確要求使得版圖設(shè)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(chǎn)生一定的壓降，造成集成電路內(nèi)部功耗的增加。

　　2.3 擬合工作區(qū)的恒流驅(qū)動模塊

　　為避免反饋電阻存在的問題，采用圖1（c）結(jié)構(gòu)，負(fù)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(xiàn)MOS管在線性區(qū)可以恒流輸出。這種方式將線性區(qū)恒流輸出曲線與飽和區(qū)恒流輸出特性曲線擬合成一條曲線，得到驅(qū)動電流的恒流輸出曲線恒流特性好，恒流工作電壓低。

　　MOS管漏電流ID在不同工作區(qū)滿足關(guān)系式：