一种适用于ＬＥＤ驱动的高压稳压电路设计 苏艺俊 一，马奎 一，胡锐 ，陈潇。，杨发顺 １，２ （１．贵州大学电子科学系，贵州贵阳５５００２５；２．贵州省微纳电子技术重点实验室，贵州贵阳５５００２５ ３．贵州振华风光半导体有限公司，贵州贵阳５５００１８） 摘要：在ＬＥＤ驱动电路中，若采用传统的ＢＵＣＫ型ＤＣ—ＤＣ降压方式或利用ＭＯＳ管级联钳制降压方式为芯片 内部低压模块提供电源，存在不易集成化和受高压工艺等问题。为此，提出了一种改进的高压稳压电路，利 用高压ＬＤＭ０Ｓ构成电流源对ＲＣ电路充电，电容上的电压经过线性稳压器稳压后给芯片提供稳定的低压电源。 该电路只需外置电容，其他部分均可集成在一块芯片上。基于华虹宏力０．５ ｔｘｍ ７００ Ｖ ＢＣＤ工艺对电路进行仿真验 证，在０ ３１１ Ｖ周期脉动高电压输入条件下，电路能稳定输出４．９７ Ｖ；负载电流在０～１０ ｍＡ范围内变化，负载调整 率为ｌ１．６ ｍＶ／ｍＡ；在一４０℃～１３０ ｏＣ温度范围内，输出电压温度系数为２７．２ ｐｐｍ／￣Ｃ。仿真结果表明，该高压稳压电路 各指标参数均满足预期要求。 关键词：ＬＥＤ驱动；高压稳压电路；线性稳压；低压电源；ＢＣＤ工艺 中图分类号：ＴＮ４０２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６１５７／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—７９９８．２０１７．０３．００５ 中文引用格式：苏艺俊，马奎，胡锐，等．一种适用于ＬＥＤ驱动的高压稳压电路设计【Ｊ］．电子技术应用，２０１７，４３（３）：２５－２８． 英文引用格式：Ｓｕ Ｙｉｊｕｎ，Ｍａ Ｋｕｉ，Ｈｕ Ｒｕｉ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ－ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１７，４３（３）：２５—２８． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ－ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒｓ Ｓｕ Ｙｉｊｕｎ 一，Ｍａ Ｋｕｉ 一，Ｈｕ Ｒｕｉ ，Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏ ，Ｙａｎｇ Ｆａｓｈｕｎ ・ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ－Ｎａｎｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｇｎｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｚｈｅｎｈｕａ Ｆｅｎｇ Ｇｕａｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００１ ８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ＬＥＤ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｈｉｐｓ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｂｕｃｋ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｒ ｃａｓｃａｄｅ ｃｌａｍｐ ｏｆ ＭＯＳ— ＦＥＴ ｔｏ ｄｒｏｐ ｔｈｅ ｈｉｇｈ——ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈ——ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｎｏｔ ｅａｓｉｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｕｓｅｓ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｉｒｒｏｒ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｂｙ ＬＤＭＯＳ ｔｏ ｃｈａｒｇｅ ａ ＲＣ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｓｔａｂｌｅ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ＬＥＤ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ａ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｃｈｉｐ ｅｘｃｅｐｔ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ． ｈｉＴｓ ｈｉｇｈ—．ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＨＧ ０．５ Ｉｘｍ ７００ Ｖ ＢＣＤ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ４．９７ Ｖ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ ０－３１１ Ｖ ｐｅｒｉｏｄ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｉｓ ０．１１６ Ｖ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ １１．６ ｍＶ／ｍＡ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ０—１０ ｍＡ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｉｓ ２７．２ ｐｐｍ／￣Ｃ ｗｉｔｈｉｎ一４０℃ ～１３０℃．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ａｌｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ａｒｅ ｖａｌｉｄａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒ；ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ；ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ＢＣＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ０引言 ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）驱动电源是ＬＥＤ照明灯具 压是由外部应用电压经过降压而得。传统降压电路有 ＢＵＣＫ型ＤＣ—ＤＣ变换电路 ］，这种电路虽然效率较高， 的核心部件，分为外部应用电源和内部电源［１］。外部应 用电源为芯片外部电路和ＬＥＤ灯珠提供工作电源，输 出为高压；而内部电源则是为芯片内部各个低压模块 （如带隙基准、运算放大器、比较器等）提供工作电源，输 出为低压，一般有１．８ Ｖ、３．３ Ｖ和５ Ｖ几种电压。内部电 但输出纹波电压较大、线性调整率较差、且需要电感元 件，不利于集成化。文献［３】报道了一种预降压电路结 构，可在由高压管ＨＶＭＮ构成的源极跟随器源端产生预 降压电压，但电路需要较多的高压管，芯片面积较大，且 易受工艺条件。文献［４］报道了另一种降压电路，采 基金项目：贵州省重大科技专项（黔科合重大专项字［２０１５】６００６）；贵州省科学技术基金（黔科合Ｊ字［２０１４１２０６７号） 贵州大学博士基金（贵大人基合字（２０１３）２０号）；贵州省重点实验室开放基金项目（ＫＦＪＪ２０１５０３）。 《电子技术应用》２０１７年第４３卷第３期 Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 用高压管作为输入管对电容充电，输出电压经过电平位 移电路结构得到稳定输出电压。电路中的高压启动电路 不工作时，需要低掺杂的高阻值电阻来承受高压，严重 影响可靠性，且电平位移电路输出电压带负载能力有限。 本文设计的高压稳压电路利用高压管ＬＤＭ０Ｓ构成 电流源电路对ＲＣ电路充电，并引进前置基准和迟滞检 测模块，电容两端的输出电压经过线性稳压器稳压之 后给芯片提供稳定的低压电源，稳压之后的输出电压 稳定性高，带负载能力强，电路只需外置电容，其余部 分可以集成在一块芯片上。理论分析和仿真验证结果 表明，该高压稳压电路设计正确，且各项指标参数均满 足预期要求。 １ ＬＥＤ驱动芯片中的高压稳压电路 高压稳压电路是ＬＥＤ分段式恒流驱动电源的核心 模块，图１所示为本文设计的ＬＥＤ分段式恒流电路框 图。市电经过整流桥后得到脉动高压直流电压，该电压 既要为ＬＥＤ灯珠供电，也需为芯片内部的相关模块提 图２高压稳压电路原理图 于控制ＲＣ充电和高压放电支路。电路引进前置基准模 块，在Ｖ∞上升到一定值时能产生基准电压并为ＬＤＯ稳 压模块提供参考电压。由于Ｖ∞不是稳定值，故电路引 进ＬＤＯ稳压模块，Ｖ０ｃ经ＬＤＯ稳压之后得到的输出电压 （ＶＤＤ）具有稳定性高、带负载能力强，可以作为芯片内部 低压模块的工作电源。 电路采用Ｄ—Ｓ耐压为７００ Ｖ的ＬＤＭＯＳ器件构成 ＲＣ充电和高压放电两条支路，解决了利用低掺杂大电 阻承受高压所带来的可靠性问题，利用ＬＤＯ稳压之后 可以提高输出电压的稳定性和带负载能力。 供电源。芯片内部模块的工作电压为低压，所以需要一 个高压稳压电路将高压脉动直流电压稳定到低压模块 所需的直流值。该高压模块的输出直接影响到芯片内部 模块的稳定性，对ＬＥＤ灯具的性能和质量起着决定性 的作用。 ／／ 一 ＝＝—： ｝ ＿＼ 』 ■Ｐ 一一１Ｉｌ ！ Ｉ ｒ＿七／一 Ｉ 一一 ｆ＿＿ 蒋廉蠖块ｌ ．２电路结构分析 高压启动模块由ＲＣ充电和高压放电两条支路构 成，如图２，支路一的ＬＤＭＯＳ１为ＲＣ电路提供充电电 流，在电容两端得到一定值的电压；支路二由ＬＤＭＯＳ２ 和电阻 ０构成对地支路，当充电支路一关闭时，支路 二可作为高压放电回路。ＬＤＭＯＳ２的栅极由迟滞检测模 虹 Ｌ ｒ１… Ｐ４ ．』ｌ ＿ 块的输出电平信号控制，可处于导通或截止两种工作 状态。电容两端电压Ｖｃｃ作为检测信号，同时为后续模 ／ ●Ｉ 块提供电源。当电路上电时，支路一导通，电容两端电 压ＶｃＣ上升，迟滞检测模块输出低电平，使ＬＤＭＯＳ２处 于截止状态；当电容两端的电压达到设定值时，迟滞检 ｌ 冈 …。 图１ ＬＥＤ分段式恒流电路框图 测模块输出高电平，使ＬＤＭＯＳ２处于导通状态，关断支 路一，充电结束。当由于后续模块消耗使电容两端电压 低于一定值后，ＬＤＭＯＳ２再度截止，此时ＬＤＭ０Ｓ１导 通，充电支路一也再度被激活，对ＲＣ电路进行充电。 ＬＤＭ０Ｓ１、ＬＤＭＯＳ２的Ｄ—Ｓ耐压为７００ Ｖ，支路二ＬＤＭＯＳ２ 的引入可以有效改善文献【４】所报道的方案中低掺杂大 电阻易受高压影响的弊端。 迟滞检测模块由双门限比较器构成，电路具有迟滞 为解决ＬＥＤ驱动芯片中高压稳压电路占用芯片面 积大、对工艺敏感性强、带负载能力差等问题，本文提出 了一种改进的高压稳压电路结构，如图２所示。电路主 要分为高压启动模块、迟滞检测模块、前置基准模块 Ｐｒｅ—ＢＡＧ和ＬＤＯ稳压模块４部分。高压启动模块由高 压ＬＤＭＯＳ器件构成ＲＣ充电和高压放电两条支路，可在 电容两端得到一定值的电压（Ｖ∞）。迟滞检测模块具有 两个门限电压，主要用于检测电容电压Ｖｃｃ，输出信号用 回环传输特性。利用正反馈使比较器的门限电压随输出 电压的改变而改变，对输入端的干扰信号具有很强的抑 制能力 。电路中的运算放大器采用两级结构，第一级 ２６ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ＣｈｉｎａＡＥＴ．ｃｏｒｎ 《电子技术应用》２０１７年第４３卷第３期 Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １０ ８ 《 暑 ６ 用线性稳压器使模块的输出电压稳定在一定值。仿真验 证得到，在０～３１１ Ｖ的周期脉动高电压输入条件下，电路 能稳定输出４．９７ ｖ；负载电流在ｏ～ｌＯ ｍＡ范围内变化时， ４ 输出电压变化率为２．３２％，负载调整率为１１．６ ｍＶ／ｍＡ； 在一４０℃～１３０ ｃＩ＝温度范围内，输出电压温度系数为 ２ Ｏ ２７．２ ｐｐｍ／￣。该电路具有易于集成、稳定性好、带负载能 力较强等优点，有利于实现ＬＥＤ分段恒流驱动电路的 单片集成。 ４，９７５ ４．９５０ 之４．９２５ ４，９００ ４．８７５ 参考文献 ［１】刘浩，陈志，葛佳乐，等．一种宽电压输入范围降压电路 ４，８５０ ４．８ ４．９ ５ ０ ５ ｌ ５，２ ５．３ ５．４ ５．５ ｔ／ｍｓ 图６电路输出电压的带负载能力 ４垡８《） 》 ４，９７５ ４ ９７（） ４ ９６５ ４９６ｔ｝ ０ ５０ １００ ／℃ 图７输出电压的温度系数 表１为本文设计电路的性能参数与相关文献的对 比，在不同工艺下，文献【３］和文献［４】的输入电压均为恒 压，本文的输入电压为０～３１１ Ｖ的非恒压；电路的温漂 系数为２７．２ ｐｐｍ／￣Ｃ，可以满足系统要求；输出电压ＶＤＤ 的变化率为２．３２％，相较于文献［４】有所提高，且文献［３】 和文献［４】的负载电流分别为５ ｍＡ和１．５ ｍＡ，而本文的 负载电流为１０ ｍＡ，输出电压 的变化率仍小于３％， 负载特性相对较好。 表１与相关文献的电路性能参数对比 ４结束语 ＬＥＤ照明已越发普及，高压稳压电路是ＬＥＤ分段恒 流驱动芯片的核心模块，集成化和高压工艺的一直 是实现这一模块的难点。本文设计了一种改进的高压降 压稳压电路，由高压ＬＤＭＯＳ电流源对ＲＣ电路进行充电 得到预工作电压，通过迟滞检测模块控制充电过程，引 进前置基准模块降低了温度和电源波动的影响，最后利 ２８ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ＣｈｉｎａＡＥＴ．ｃｏｍ 的设计［Ｊ】．微电子学，２０１１，４１（１）：５４—５５． 【２］董双兵，戴宇杰，张小兵，等．一种预稳压的高压线性稳 压器的设计【Ｊ】．南开大学学报，２０１０，４３（６）：８２－８６． 【３］季翔宇，杨依忠，陈峰．一种宽输入降压稳压电路的研究 与设计【Ｊ】．合肥工业大学学报，２０１３，３６（７）：７９５—７９７． ［４】陈志军，钟昌贤，张波．一种用于离线式开关电源的内部 电源电路［Ｊ］．中国集成电路，２００６，８７：１８－２１． 【５】康华光，陈大钦，．电子技术基础【Ｍ】．北京：高等教育 出版社，２００６． 『６］ＡＬＬＥＮ Ｐ Ｅ，ＢＬＡＬ０ＣＫ Ｂ Ｊ，ＲＩＮＣＯＮ Ｇ Ａ．Ａ ＣＭＯＳ ｏｐａｍ ｕｓｉｎｇ ｂｕｌｋ—ｄｒｉｖｅｎ ＭＯＳＦＥＴｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１３，３８（５）：１９２—１９３． ［７１何乐年，王义．模拟集成电路设计与仿真【ＭＩ．北京：科学 出版社，２００８． 【８］ＡＮＤＲＥＯＵＣ Ｍ，ＫＯＵＤＯＵＮＡＳ Ｓ，ＧＥＯＲＧＩＯＵ Ｊ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｗｉｄｅ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｒａｎｇｅ．３．９ ｐｐｍ／ｏＣ ＣＭＯＳ ｂａｎｄｇａｐ Ｉ℃ｆ ｒ— ｅｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔｆＪ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，２０１２， ４７ｆ２）：５７４－５８１． 【９］ＶＡＩＳＢＡＮＤ Ｉ，ＦＲＩＥＤＭＡＮＥ Ｇ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ｍｕｈｉｐｌｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｏｎ－ｃｈｉｐ ＬＤＯ ｒｅｇｕｌａ－ ｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１６，３１ （８）：５６２５—５６３４． ［１０］金岩．一种低功耗高稳定性ＬＤＯ线性稳压器的设计【ＤＩ ．苏卅ｌ：苏州大学，２０１５． （收稿日期：２０１６—０９—１４１ 作者简介： 苏艺俊（１９９１一），男，硕士研究生，主要研究方向：模拟 集成电路设计。 马奎（１９８５一），男，博士研究生，副教授，主要研究方 向：模拟集成电路、功率半导体器件和功率集成电路。 杨发顺（１９７６一），通信作者，男，博士研究生，副教授， 主要研究方向：功率半导体器件和功率集成电路研究， Ｅ—ｍａｉｌ：ｆａｓｈｕｎ＠１２６．ｃｏｒｎ。 《电子技术应用》２０１７年第４３卷第３期
