基于LED驅動芯片BOOST環路的電流采樣電路設計

聶海 李森

摘? ?要：文章設計了一種基于一款LED驅動芯片BOOST環路的電流采樣電路，采用一種電路原理簡單且輸出損耗小的功率開關管導通電阻的方式，來實現電路采樣功能。設計了數字電路模塊控制采樣電路的啟動與關斷，保證電路在整個芯片工作時處于正常的工作點。利用BCD工藝，在電源電壓為3.7 V下對電路進行仿真驗證，仿真后的結果與理論值基本一致，表明該電路能很好地采樣電感電流，在LED芯片中正常的工作。

關鍵詞：BOOST環路;電流采樣;功率開關管;導通電阻采樣

1? ? BOOST環路結構

眾所周知，白光LED具有發光效率高、使用期限長、對環境友好、體積小、重量輕、發光質量高的優點，在當下多種便攜電子設備中，白光LED都是作為液晶屏幕的首選背光源。本文采用BCD工藝，提出了一種應用于升壓BOOST開關電源型驅動方式點亮LED的電流采樣[1-2]。BOOST環路整體結構如圖1所示，電流采樣電路作為其中重要的一個模塊，對輸出效率有極為重要的影響。它采集到的電感電流信號再轉化成電壓的信號，然后會與環路反饋回來的電壓值進行逐周期比較，于是就產生了一個功率MOS管得占空比信號。

2? ? 電流采樣電路

目前，實現電流采樣功能的方式有很多，如：串聯電阻采樣、功率管導通電阻采樣、積分器采樣、SenseFET采樣等。串聯電阻采樣方法雖然比較簡單，但是會在采樣電阻上產生更多的損耗，LED驅動變換器的效率也會顯著變低。功率管導通電阻采樣方法在采樣時沒有額外的損耗，但是輸出的精度有點低，而且需要注意功率管的阻值的合理設計，過小則不能滿足控制占空比的要求，過大則會影響LED驅動的效率[3]。

為了實現LED驅動高的輸出效率，本設計結合以上幾個方式的優缺點，采用了功率開關管導通電阻采樣的方式，本設計電流采樣電路結構，如圖2所示。

圖2中PVDD和AVDD為芯片電路里的兩個供電電源（在具體實際芯片設計考慮中，一般數字電路部分和模擬電路部分會分開電源供電）。圖2左邊為電流偏置電路，保證MOS晶體管工作在正常的工作狀態下;右邊部分就是電流采樣功能的具體實現電路[4];下面的電路為數字電路模塊，在芯片電路中控制采樣電路的有序開啟與關閉，使得系統得以正常的運行工作。具體分析如下：

（1）輸入信號IBP，給MOS晶體管MP1，MP2一個柵極電壓信號，使得MOS管工作在飽和區，從而MN1和MN2構成的電流鏡也就正常的工作了，鏡像電流IBP，通過MP4和MP5構成的電流鏡偏置到后續的電流采樣電路中去，使得采樣電路正常工作[5-6]。其中，MP3用作電容，起到補償的作用。

在采樣電路中，如圖2所示的MN7，MN8，MN9為高壓MOS管，MN10為功率高壓MOS管，引腳INGND結MN10的源級，IN接MN10的漏端。當RST1_0為高電平時，MOS管MN7，MN8導通，此時RST1_1為低電平，MOS管MN9關斷。根據前面的偏置電路分析，MP6，MP7，MP5，MP8，MN3和MN4構成的共源共柵電流鏡，從而使得流過MOS管MN3，MN4的電流I1，I2大小相等。因為MN3和MN4的柵極電壓相等，所以它們的源級電壓也被鉗位相等。即：

Vs_MN3=VS_MN4

在設計電流采樣電路時，電阻R1和R2完全相等，又有高壓MOS管MN7和MN8完全匹配，故兩個MOS管的導通電阻相等，所以兩條分支電路的總電阻相等，設RM等于RN。

由圖2可知，晶體管MP5，MP6，MP10，MP11也構成電流鏡結構，故采樣電流ICS與流過晶體管MN5的電流相等。節點M的電壓VM=RM×（I1+ICS），N點的電壓為電阻R2，高壓MOS管MN8的導通電阻以及功率MOS管MN10的導通電阻上的電壓之和，即：

VN=R2×I2+RDS×IL。

可以得出：

3? ? 實驗結果

本設計使用了CSMC的BCD工藝，在電源電壓3.7 V的狀態下，仿真瞬態，看采樣電流采樣電路的仿真波形，如圖3所示。

在仿真電路中，使采樣電阻RA=RN，則采樣電壓為VCS=RDS×IL，功率MOS管的導通電阻為20.14 kΩ，可以從圖3中看到采集到的采樣電壓與功率MOS管上的電感電流波形流向基本吻合。當電感峰值為48.5 μA，采樣電壓VCS的峰值為856.2 mV，與理論計算基本一致，說明本設計的電流采樣電路在芯片電路中可以正常工作。

[參考文獻]

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[2]顧星煜，史博文，趙保付，等.一種新型原邊反饋反激式數字控制LED驅動電源設計[J].電子器件，2015（2）：291-299

[3]寇武杰.大電流Buck變換器高效驅動控制研究與設計[D].成都：電子科技大學，2017.

[4]王程左.采用新型無損電流采樣的同步整流BUCK DC-DC控制器研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[5]馬卓，謝倫國，趙振宇，等.用于電壓島式功耗管理的無運放結構高精度電流采樣電路[J].國防科技大學學報，2009（6）：29-33.

[6]楊彭林.基于源極驅動的原邊反饋AC-DC LED驅動電路的設計[D].南京：東南大學，2015.