一种具有新型过温保护功能的LED恒流驱动电路

太赫兹科学与电子信息学报 Vo1．13，No．4

2015年8月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Aug．，2015 文章编号：2095-4980(2015)04-0659-06

一种具有新型过温保护功能的LED恒流驱动电路

陶 亮，曾以成，武世明

(湘潭大学 光电工程系，湖南 湘潭 411105)

摘 要：设计了一种具有滞回和过温缓冲保护功能的发光二极管(LED)恒流驱动电路。该电路由恒流驱动模块、滞回和过温关断模块、延时复位模块、滞回和过温缓冲模块组成；实现了电路的双温度滞回和过温缓冲保护功能，可对缓冲阶段所处的时域区间和温度区间进行调节。电路在过温缓冲跳变点和过温关断点附近分别有5 ℃和29 ℃的温度滞回区间，避免了电路发生热振荡，增大了电路正常工作区的范围，可保证电路高效稳定地运行。

关键词：恒流驱动；温度滞回；延时复位；过温缓冲保护；热振荡

中图分类号：TN432 文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201504.0659

Design of constant current driver of LED circuit with late-model

over-temperature buffer protection

TAO Liang，ZENG Yicheng，WU Shiming

(Materials and Optical Physics College，Xiangtan University，Xiangtan Hunan 411105，China)

Abstract：The experiment focuses on the design of constant current driver of Light Emitting Diode (LED) circuit with hysteresis and over-temperature buffer protection, which consists of four modules a constant current driver module，an over-temperature shutdown module，a delay reset module and an over-temperature hysteresis buffer module. The design has realized the function of double temperature hysteresis and thermal buffer protection. The time-domain and temperature range are adjustable in this stage of buffer. The circuit has a temperature hysteresis interval of 5 ℃ and 29 ℃ in the thermal buffer jump points and thermal breakpoint respectively, which avoids the thermal oscillation in circuit. This design expands the span of the normal work area of the circuit，ensuring a stable and efficient operation of the circuit.

Key words：constant current driver；temperature hysteresis；delay reset；over-temperature buffer protection；thermal oscillation

随着大功率白光LED在灯光装饰和照明中的普遍应用，对大功率白光LED驱动芯片的需求也越来越大，而输出功率的增大使得芯片温度上升明显。研究表明，芯片温度平均每升高1℃，绝缘性场效应(Metal Oxide Semiconductor，MOS)管的驱动能力将下降约4%，集成电路失效率增加1倍[1]。目前过温保护电路存在稳定电压高、功耗大等缺点[2]，对此讨论焦点几乎集中在降低电路的功耗、提高温度检测精确度和电路转换速度等方面，采取的对策典型的有：文献[3]利用晶体管的温度特性来检测温度，其电路功耗低，结构简单，对温度检测精确度高。文献[4]通过产生与绝对温度正相关电流和与绝对温度负相关的电流，然后再利用电流比较器，输出一个含有温度控制信息的逻辑信号，使得电路在翻转时具有更高的转换速度。文献[5]采取利用载流子迁移率µ的负温度特性产生与绝对温度成正比(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)电压，从而降低了电路功耗。但上述方案均存在电路在达到过温点立即关断的缺点，限制了过温保护电路的使用价值和适用范围。文献[6]提出的电流自适应LED驱动电路存在过温点和电流下降幅度均不能调节，若电路持续升温，将会导致电路失效的缺陷。

针对上述方案的不足，本文提出的方案能实现电路的温度滞回和过温缓冲保护功能，电路在过温条件下经缓冲阶段缓冲后可恢复正常工作状态。

收稿日期：2014-08-13；修回日期：2014-10-04

660

太赫兹科学与电子信息学报 第13卷

1 电路原理及设计

图1所示为本设计的电路结构图，具体由恒流驱动模块、滞回和过温关断模块、滞回和过温缓冲模块、延时复位模块构成。

over-temperature shutdown module constant current driver module over-temperature hysteresis buffer module delay reset module Fig.1 Diagram of constant current driver of LED circuit with

late-model over-temperature buffer protection

图1 具有滞回和过温缓冲保护功能的LED恒流驱动电路结构图

1.1 恒流驱动模块

恒流驱动模块主要由带隙基准电压源[7–8]、运算放大器、缓冲电路、大宽长比功率NMOS(N-Metal-Oxide- Semiconductor)管、传感NMOS管构成。本设计采用线性调整原理以实现恒定的输出驱动电流，通过设定外接的取样电阻Rsense1将输出电流设定在350 mA。运算放大器(Operational Amplifier，OPA)的输出控制传感NMOS管和功率NMOS管的栅极电压使其恒定并获得驱动电流ILED。传感电流Isense在取样电阻Rsense1上产生取样电压，基准电压与该取样电压的差值Usense作为反馈电压反馈回运算放大器正相端，对运算放大器输出电压进行调整，

进而对2路电流进行调整。传感NMOS管和功率NMOS管的栅极电压始终保持恒定，来保证驱动电流的恒定[9–11]。

Isense=

3.28−1.54Rsense1

=1.74Rsense1

(1) =K×

1.74Rsense1

ILED=K×Isense=K×

3.28−1.54Rsense1

(2)

(W/L)式中K=

(W/L)2

为功率NMOS管和传感NMOS管的

M5

M6

VDD

M7

1

K=658，(W/L)1= 宽长比之比。本设计中Rsense1取3.35 kΩ，

10/1，(W/L)2=6 580/1。 1.2 温度滞回和过温关断模块

滞回和过温关断模块主要包括带隙基准电压源、PTAT电压产生电路、比较器、反相器及功率NMOS管。PTAT电压产生电路利用载流子迁移率μ的负温度特性产生与绝对温度成正比的PTAT电压[12]，利用Rsense3和功率管M10来实现温度的滞回[13]，如图2所示。

电路中的M5和M6的宽长比相等，则：

I=I5=I6 (3)

Uptat M10

Rsense3

CR

Rptat1 M9

M8

Rptat2

(U

I=

12

GS8

−UGS9)=Rptat1I (4)

μCOX

WL

(U

GS

−UTH) (5)

2

GND

Fig.2 Voltage generators of PTAT 图2 PTAT电压产生电路

I=2

(1S8−1S9μCOXRptat1

2

)2

(6)

功率管M10关断时，

第4期 陶

亮等：一种具有新型过温保护功能的LED恒流驱动电路 661

Uptat=I

S7S5

(R

ptat2

+Rsense3 (7)

)功率管M10导通时，Rsense3被短接，

Uptat=I

S7S5

Rptat2 (8)

式中：S5,S7,S8,S9分别为M5,M7,M8,M9的宽长比；Rptat1和Rptat2为外接的温度系数极低的电阻；外接电阻Rsense3和

功率管M10用来实现温度的滞回。

取功率管M10关断时进行分析，对μ的温度表达式进行级数展开，并进行近似得到：

μ=

⎛T⎞μ0⎜⎟⎝T0⎠

−m

=

⎡m⎤

μ0⎢1+(T−T0)⎥ (9) ⎣T0⎦

−1

式中：μ0是常温下(T=T0)电子迁移率；m为温度相关因子。将式(7)和式(9)代入式(8)得到：

Uptat

=

2

(1S8−1S9μ0COXRptat1

2

)2

⎡m⎤S71+T−T×()0⎥⎢T⎣0⎦S5

×Rptat2+Rsense3 (10)

()同理在功率管M10闭合时，得到：

Uptat=2

(1S8−1S9μ0COXRptat1

2)2

⎡m⎤S7

+T−T×1()0⎥⎢T⎣0⎦S5

mT0

×Rptat2 (11)

当输出相同电压Uptat时，即令式(10)等于式(11)时，得到：

T1

mT0

(Rptat2+Rsense3−T2

)Rptat2=m−1Rsense3 (12)

()式中

mT0

是正的与温度无关的因子，因此Uptat是与绝对温度成正比的PTAT电压，并且可以通过调整Rptat1或者Rptat2

来调整Uptat的大小，进而设定电路的关断温度，通过改变功率管M10开关状态，实现温度的滞回，通过改变Rsense3

的大小，可以改变过温关断点附近的温度滞回区间；同理，通过改变Rsense4的大小，可以改变过温缓冲跳变点附近的温度滞回区间；通过调节关断点和缓冲跳变点的温度值来调节缓冲阶段所处的温度范围。

1.3 滞回和过温缓冲模块

本模块利用PTAT电压产生电路、比较器、反相器、功率MOS管来实现。在正向第一个温度控制点时，Um

由高电平变为低电平，功率管M3关断，Isense减小，

ILED=KIsense=K

3.28−1.54Rsense1+Rsense2

=K

1.74Rsense1+Rsense2

(13)

当温度超过驱动电路的一个温度控制点117 ℃时：

1) 取样电阻阻值由Rsense1变为Rsense1+Rsense2，且取样电阻两端的电压降恒定，由式(1)得到：

P=1

ΔU

2

Rsense1+Rsense2

−

ΔU

2

Rsense1

(14)

式中：P1为取样电阻增大时节省的功耗；ΔU为取样电阻两端的恒定的电压降。

2) 驱动电流ILED不是立即变为零，而是减小到设定值，因此系统的功耗在LED负载部分减少了：

P2=M

(I

2LED0

−I

2LED1

)R

0

(15)

式中：P2为电路节省的功耗；M为LED灯阵列的串数；ILED0为LED限流前的电流；ILED1为适当限流后的电流，

R0为采样电阻。

整体电路在过温缓冲阶段节省的功耗为：

P=P+P12 (16)

由式(14)、式(15)、式(16)可知，电路达到设定的第一个温度控制点后，功耗会明显下降，利于电路快速散热，

662

太赫兹科学与电子信息学报 第13卷

促使电路恢复正常工作。 1.4 延时复位模块

如图3所示，当电路正常工作时，延时复位电路中输入Ux为高电平，则输出Um为高电平，开关管M3的栅压维持在高电平，M3导通，电路正常工作；当电路进入缓冲区时，输入Ux为低电平，Ua为高电平，在延时时间内Ub为低电平，Uc为低电平，Um为低电平，开关管M3的栅压维持在低电平，M3关断，电路工作在缓冲区；经过设定延时时间后，Ux仍为低电平，Ua经过延时后得到的Ub变为高电平，导致Uc变为高电平，从而Um为高电平，开关管M3的栅压维持在高电平，M3导通，电路恢复正常工作，则电路在设定延迟时间内处于过温缓冲阶段，具体见图7，这样就实现了电路的延时复位功能。

DC responseDC response UX

INV

Ua

NAND

INV

Uc

NOR

INV

Um

DELY

Ub

Fig.3 A delay reset circuit 图3 延时复位电路

354 353 352 I/mA 351 50.354 mA350.5350.4350.350.350 mA350 349 45.348 mA 348 4.25 5.004.50 4.75 UCC/V 5.25I/mA Fig.5 Diagram of drive current change with the temperature 350.1 图5 驱动电流随温度变化曲线 350.2350.0349.9349.85.50349.7-50 0 100 150 50 temperature/℃ Fig.4 Diagram of drive current change with LEDFig.5 Diagram of drive current change with the temperature图4 驱动电流随LED电源电压变化曲线 图5 驱动电流随温度变化曲线

2 仿真测试结果

整体电路通过CSMC 0.5 μm BiCMOS工

艺、Cadence spectre仿真。设置Rsense1为 3.35 kΩ，VDD为5 V，令5 V的LED电源电压UCC产生±10%的波动，此时恒流输出情况如

驱动电流由348 mA变化到354 mA，图4所示。

波动百分比仅为1.71%。设置Rsense1为

3.35 kΩ，Rsense2为0，VDD为5 V，UCC为5 V，对输出电流在–30 ℃~180 ℃温度范围内进行仿真，此时恒流输出情况如图5所示。驱动电流由349.76 mA变化到350.43 mA，波动百分比仅为0.2%。

过温缓冲模块与过温关断模块测试如下，取Rsense2=1 kΩ，Rptat1=6.5 kΩ，Rptat2= 65 kΩ，Rptat3=6.25 kΩ，Rptat4=50 kΩ，Rsense3=

DC response

I/D / NM I/O — /NM I/O400350300250I/mA 200150100500-50 0109 ℃,624 pA 100 50temperature/℃ 150200 117 ℃, 350 mA138 ℃,240 mA112 ℃,241 mAthe trend of change of current Fig.6 Diagram of drive current change with the positive and negative changes of the temperature 图6 整体电路的驱动电流随温度正向和负向变化的输出特性曲线10 kΩ。对整体电路输出的驱动电流在–30 ℃~180 ℃和180 ℃~–30 ℃仿真温度范围内进行仿真得到驱动电流的输出特性如图6所示，可以看出电流在117 ℃范围内恒定为350 mA，在117 ℃~138 ℃范围内恒定地维持在240 mA，当温度反向下降到112 ℃时，缓冲阶段结束，电路恢复正常工作；超过138 ℃，电流跳变为零，过温关断功能实现。在反向降温至109 ℃时，电路恢复正常工作。同时可以看出，整体电路的过温关断点附近的温度滞回区间为

第4期 陶

亮等：一种具有新型过温保护功能的LED恒流驱动电路 663

transient response – /M1/D 375350325I/mA 300275250225

00.51.01.5t/s

2.0 2.5 29 ℃，过温缓冲的温度滞回区间为5 ℃，过温缓冲阶段所处的温度范围为18 ℃。

设定延时电路的延迟时间为1 s，对

在此电路在130 ℃条件下进行瞬态仿真，

温度条件下电路处于缓冲阶段。由图7可知，经过1 s的延时后，M3的栅压被拉高，开关管导通，驱动电流由缓冲阶段的240 mA跳变为正常工作时的350 mA。缓冲阶段结束，电路恢复正常工作。上述结果说明，设计的延时复位电路能达到预期效果。

参数选取同前例，外接电阻Rsense4= 2.6 kΩ，Rsense2分别为1 kΩ,5 kΩ,9 kΩ时对整体电路输出的驱动电流在–30℃~ 180℃温度范围内进行仿真得到驱动电流的输出特性，如图8所示，可以看出随着Rsense2的增大，电路输出的驱动电流不断减小，由此可调节过温缓冲阶段驱动电流的大小。

外接电阻Rsense4=2.6 kΩ，Rptat4在 48 kΩ~58 kΩ区间内进行扫描，同时对整体电路输出的驱动电流在–30 ℃~180 ℃温度范围内进行仿真得到驱动电流的输出特性如图9，可以看出随着Rptat4的增大，电路输出的驱动电流发生跳变的拐点温度不断减小，则电路的温度缓冲区间不断增大。

DC response

—NM1:d(r=4.08e+04) —NM1:d(r=5.05e+04) —NM1:d(r=5.30e+04)—NM1:d(r=5.55e+04) —NM1:d(r=5.80e+04)

Fig.7 Transient response of the drive current at 130 ℃

图7 在130℃温度条件下电路驱动电流的瞬态响应 Fig.8 Diagram of drive current change with the Rsense2 变化时恒流输出特性曲线 图8 外接电阻Rsense2—NM1:d(r=1.00e+03) —NM1:d(r=5.00e+03) —NM1:d(r=9.00e+03) 400350300250DC response 1 kΩ I/mA 200150100500 5 kΩ 9 K9 kΩΩ -500 50100 150 200temperature/℃

Fig.8 Diagram of drive current change with the Rsense2 图8 外接电阻Rsense2变化时恒流输出特性曲线

DC response

—NM1:d(r=5.00e+03) —NM1:d(r=1.00e+04) —NM1:d(r=1.50e+04) —NM1:d(r=2.00e+04) —NM1:d(r=2.50e+04)

400 350 300 250 1—58 kΩ 2—55.5 kΩ3—53 kΩ 4—50.5 kΩ5—48 kΩ 400350300250I/mA 200150100500 0 50 100 150temperature/℃ 200-500 1 23 4 5 50100temperature/℃ 150 200 1—25 kΩ 2—20 kΩ 3—15 kΩ 4—10 kΩ 5—5 Ω I/mA 200 150 100 50 1 2 3 4 5 0 -50 Fig.9 Diagram of drive current change with the Rptat4 图9 外接电阻Rptat4变化时恒流输出特性曲线 Fig.10 Diagram of drive current change with the Rptat3 图10 外接电阻Rptat3变化时恒流输出特性曲线 当对外接电阻Rsense3在5 kΩ~25 kΩ范围内进行扫描，同时对整体电路输出的驱动电流在180 ℃~–30 ℃温度范围内进行仿真得到驱动电流的输出特性如图10，可以看出随着Rsense3的增大，电路输出的驱动电流发生截止的拐点温度不断减小，则电路降温时的导通温度不断减小，可以达到调节过温关断点温度滞回区间的目的，同样调节Rsense4可以调节电路在过温缓冲跳变点的温度滞回区间的范围。

664

太赫兹科学与电子信息学报 第13卷

3 结论

本驱动电路与传统的LED驱动电路相比，其优势在于：a) 电路在达到设定温度控制点时，驱动电流不是立刻变为0，而是降至设定的恒定驱动电流，使电路功耗下降，利于电路散热，促使电路恢复正常工作，并且驱动电流下降幅度可由外接电阻进行调节，避免LED灯具因过热产生大的光衰而导致早期失效，延长了LED的使用寿命；b) 对电路所处的缓冲阶段可实现时域和温度区间的调节，使得电路应用更富有灵活性，提升了电路的工作区间和应用范围；c) 设计了双温度滞回区间，温度滞回区间的大小可通过外接电阻进行调节，避免了电路发生热振荡。 参考文献：

[ 1 ] YAN Lianghai,WU Jin, PANG Jian，et al. Analysis and dsign of over-current and temperature protect for LDO circuit[J].

Chinese Journal of Electron Device, 2006,29(1):127-129.

[ 2 ] 张岱,朱江. 一种新型过热保护电路的设计[J]. 辽宁大学学报, 2011,38(1):16-18.(ZHANG Dai,ZHU Jiang. A design of

thermal-shutdown circuit[J]. Journal of Liaoning University, 2011,38(1):16-18.)

[ 3 ] 卢一鑫,李院院. 两种低功耗新型过温保护电路的设计[J]. 现代电子技术, 2012,35(18):159-161. (LU Yixin,LI Yuanyuan.

Design of two novel low power over temperature protection circuits[J]. Modern Electronics Technique, 2012,35(18):159-161.) [ 4 ] 蔡小祥,张雨河,王会影,等. 一种基于电流比较的新型过温保护电路[J]. 微电子学, 2012,42(1):58-62. (CAI Xiaoxiang,ZHANG

Yuhe,WANG Huiying,et al. A novel thermal protection circuit based on current comparison[J]. Microelectronics, 2012, 42(1):58-62.)

[ 5 ] 李祥,曾以成,石合地. 带过温保护功能的LED恒流驱动电路设计[J]. 电路与系统学报, 2013,18(2):108-111. (LI

Xiang,ZENG Yicheng,SHI Hedi. Design of constant current LED driver circuit with thermal-shutdown function[J]. Journal of Circuits and Systems, 2013,18(2):108-111.)

[ 6 ] 石合地,曾以成,李祥. 电流自适应高寿命低功耗LED驱动器[J]. 固体电子学研究与进展, 2013,33(4):389-393. (SHI

Hedi, ZENG Yicheng,LI Xiang. An adaptive current LED drive with long life and low-power[J]. Research & Progress of SSE Solid State Electronics, 2013,33(4):389-393.)

[ 7 ] 王永顺,史琳,王好德. 一种输出可调CMOS带隙基准电压源的设计[J]. 半导体技术, 2010,35(7):736-739. (WANG

Yongshun,SHI Lin,WANG Haode. CMOS bandgap reference design with adjustable output[J]. Semiconductor Technology, 2010,35(7):736-739.)

[ 8 ] 张啸诚,邢建力. 一种高电源抑制比和高精度带隙电压源设计[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2012,10(3):359-

362. (ZHANG Xiaocheng,XING Jianli. A BiCMOS-based bandgap reference circuit with high PSRR and precision[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Engineering Technology, 2012,10(3):359-362.)

[ 9 ] EDWARD KFL. A low voltage CMOS bandgap reference without using an opamp[J]. IEEE Custom Integrated Circuits,

2009,13(1):501-504.

[10] 凌朝东,梁爱梅,刘一平. 恒流LDO型串联大功率白光LED驱动器的设计[J]. 微电子学, 2009,39(5):657-661. (LING

Chaodong,LIANG Aimei,LIU Yiping. Design of constant current LDO driver for power white LED[J]. Microelectronics, 2009,39(5):657-661.)

[11] 张赛,李冬梅. 一种高效率白光LED驱动器的设计[J]. 微电子学, 2007,37(3):428-431. (ZHANG Sai,LI Dongmei.

Design of High-efficiency white-LED driver[J]. Microelectronics, 2007,37(3):428-431.)

[12] SHI weitao,JIANG Guoping. Design of a high stability low power consumption CMOS thermal-shutdown circuit[J]. Chinese Journal

of Electron Device, 2006,29(2):330-334.

[13] 张慕辉,刘诗斌,冯勇. 具有滞回功能的过温保护电路[J]. 仪表技术与传感器, 2009,2(2):94-95.(ZHANG Muhui,LIU

Shibin,FENG Yong. Over temperature protect circuit with hysteresis[J]. Instrument Technique and Sensor, 2009,2(2): 94-95.)

作者简介：

陶 亮(1988-)，男，山东省日照市人，硕士，主要研究方向为LED驱动电路与设计. email:tl8096@126.com.

曾以成(1962–)，男，湖南省涟源市人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为信号处理、LED驱动电路与设计.

武世明(1987-)，男，山西省大同市人，硕士，主要研究方向为LED驱动电路与设计.