應用于LED驅動系統的帶隙基準源電路

廈門大學物理科學與技術學院物理系 童江華 李開航

應用于LED驅動系統的帶隙基準源電路

廈門大學物理科學與技術學院物理系 童江華 李開航

本文基于18V Bi-COMS工藝,設計一款應用于白光照明LED驅動電路系統的帶隙基準電路。文中詳細闡述了該電路的工作原理和設計思想,并給出了基于CADENCE軟件對該帶隙基準電路的仿真結果。該電路利用PN反向飽和電流是溫度指數函數的特性,即隨著溫度的升高，PN結的反向飽和電流將呈指數性增加,所設計的帶隙基準源具有電路結構簡單、電源抑制能力強和溫度特性良好的特點。根據CADENCE仿真結果，表明該帶隙基準源電路符合要求。

帶隙基準源電路；PN結反向飽和電流；溫度補償

0 引言

隨著社會的發展，節能和環保意識越來越引起人們的重視，白光照明LED被譽為下一代的綠色光源，與現有的照明光源相比，它具有無污染、使用時間長，能耗低等優點。近年來白光LED光源的光效不斷提高，商品化器件的發光效率遠遠超過白熾燈，白光LED具有良好的發展前景。因此，設計各種高效可靠的LED驅動電路是集成電路從業人員的首要任務。

本文設計一款可應用于LED驅動電路的帶隙基準源電路，充分利用PN結反向飽和電流與溫度的函數關系，基于18V Bi-CMOS工藝，所設計的電路拓撲不僅簡單，而且具有良好的溫度特性，可為LED驅動電路系統中的振蕩電路、比較強、誤差放大電路提供可靠的參考電壓和電流。本文第二部分介紹帶隙基準電路的基本原理，第三部分給出電路的結構，第四部分給出仿真結果，第五部分總結。

圖1 電壓基準的原理圖

1 帶隙基準源的工作原理

和溫度關系很小或者無關的基準電流和電壓是很多模擬集成電路中不可缺少的組成部分。它的基本設計原理是把兩個具有相反溫度系數的量以某一方式相加，使得整個結果為零溫度系數。其中，雙極管已經被證實擁有負溫度和正溫度的特性參數，利用雙極管的結電壓的負溫度系數和的正溫度系數相互抵消（其中：為兩個雙極管工作在不相等的電流模式下，它們的基極和發射極的電壓差），即可實現高效可靠的基準電壓。

圖1給出帶隙基準源中電壓基準的原理圖，R1、R2、T1和T2構成帶隙電壓基準的核心電路（其中），運算放大器OPAMP構成深度負反饋，使得。當電壓基準電路穩定輸出時：

因此，為了能夠得到室溫下的零溫度系數，則：

2 帶隙基準源的電路實現

2.1 基準電路工作原理

帶隙基準源的電路圖如圖2所示，該基準電路的包含：偏置電路、基準電路、運算放大器和輸出電路。

圖2 帶隙基準電路圖

其中，基準電路是該帶隙基準源電路的核心部分，由Q1、Q2、Q6、Q7，R1-6元件構成。由公式(2)有：

則Vref為：

2.2 運算放大器的原理

圖3 運放電路圖

運算放大器的電路結構如圖3所示，由MOS管組成兩級運放，在帶隙基準電路中該運放起通過形成深度負反饋，從而穩定輸出電壓。當電壓源VDD增大時，會引起電路中電流的增大，運放的兩個輸入端電壓都會升高，但是由于R5、Q6上電流變化的函數模式不同,因此,當兩路的電流增大的程度相同時，VCE6小于VR5。運放由于瞬時輸入的負電壓會使得其輸出電壓降低，從而使得VB2（Q2的基極電壓）減小，引起電路中電流的減小。

由于該運放為兩級運放，故可提供較大的增益和較寬的輸出擺幅，從而滿足不同的工作要求。

2.3 偏置電路和輸出電路的工作原理

由圖2可知，R1和R2的值影響著輸出電壓Vref。若電路的工作電流為I，輸出電流為Iref，則：

從而：

通過對公式(8)對溫度T求偏導可知，該輸出電流Iref和溫度近似無關。

2.4 帶隙基準源的啟動電路原理

在帶隙基準電路的偏置電路中，有一個問題是“簡并”偏置點。即：當電路工作時，電路中會存在兩個平衡點，一個是由于運放產生的負反饋的平衡點，另一個是零狀態點，雖然電路絕大多數情況是可以工作在平衡點，但是為了加快電路的啟動速度，可以在帶隙基準源電路中加啟動電路模塊，如圖4所示。

圖4中，M5、M6、M7構成啟動電路部分，當Von為低電平時，M5、M6導通，M7截止，隨著VDD的增大，給Q4、R8和Q5創造一條電流通路。當Von為高電平時，M5、M6、R8、Q5形成的電流通路截止，從而隔離啟動電路和主電路。

圖4 帶啟動電路的基準源電路

3 仿真結果

本文基于18V Bi-COMS工藝，使用CADENCE軟件進行仿真。仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 基準源的溫度特性 圖6 基準源的電源抑制能力

4 結語

本文設計了一款可在LED驅動電路系統中應用的帶隙基準電路，文中分別對帶隙基準的原理及其組成電路進行了分析，所有的參數結果都表明該基準電路符合設計要求。同時，該基準電路所采用的溫度補償技術也可應用于其他電源管理芯片中。

[1]艾倫．模擬COMS集成電路設計(第二版)[M]．

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[3]陳傳虞等．LED驅動芯片工作原理與電路設計[J]．