0 引言

    LED是半導體發光二極管，作為發光源光效高、耗電少、壽命長、環保，是新一代綠色節能光源，因而被廣泛推廣使用^[1]。LED的正常工作需要合適的驅動電源，目前LED的缺陷往往是驅動電源的壽命不夠長，原因基本上是驅動芯片過熱導致其受損。雖然高質量的驅動電路要全面考慮各種保護措施及其有效性，但過溫保護是最基本的。過溫保護LED驅動電路主要有以下幾種：(1)過溫即關斷的方式^[2]，電路頻繁關斷導通，容易發生熱振蕩，如LED用于道路照明，易引發事故；(2)滯回關斷過溫保護的LED驅動電路^[3-4]，這種方案設計的電路沒有溫度自適應模塊，容易使溫度持續升高，影響電路工作壽命；(3)帶自適應的過溫保護電路^[5-6]，這種電路比較適合照明，但是該電路沒有過溫滯回關斷電路，若有不可控因素使溫度過高，則不能保護電路；(4)文獻[7]設計的電路比較新穎，能夠有效避免上述3種傳統電路的缺點，但是其自適應調控電路設計較為復雜，而且PTAT電流電路的M7、M8管兩端源極電壓在實際應用中由于晶體管之間的不匹配，并不能保持理想的等式。

    基于以上分析，設計一款應用于LED驅動的新型溫度自適應滯回關斷過溫保護電路，電路在恒流輸出中增加溫度自適應模塊，抑制溫升，防止溫度過高，即使有不可控因素使溫度過高，亦能保護電路，防止電路發生熱振蕩，電路設計相對簡單，而且穩定可靠。

1 LED驅動電路設計及原理分析

1.1 LED驅動電路設計

    LED驅動電路如圖1所示。正常溫度時，電路恒流輸出；當溫度升高到溫度調控點時，自適應調控電路發揮作用，LED驅動電流隨著自適應電壓的減少而減少，從而減少功率，熱量產生減緩，達到溫度負反饋的效果；當不可控因素使得溫度過高，即達到預設的過溫點時，電路立即關斷，保護電路。恒流輸出中增加溫度自適應模塊，有效抑制溫升，采用電流鏡輸出，提高驅動效率。

    過溫保護電路如圖2所示，LED驅動電路中V_ad、V_thermal即為過溫保護電路中的溫度自適應調控模塊和滯回關斷模塊。

1.2 原理

    利用自適應電壓和R7確定溫度自適應電流I_ad，通過調節M27、M28的寬長比，進而調節LED驅動電流I_LED。根據運放的鉗位作用，V₊和V_-相等，那么自適應電流為：

    關斷機制模塊產生的V_thermal電壓接在M25的柵極，控制LED驅動電路的通斷。

    在溫度小于自適應調控溫度時，自適應調控電壓等于基準電壓，電流恒定輸出為350 mA；當溫度大于自適應調控溫度小于過溫保護溫度時，自適應調控電壓小于基準電壓，溫度自適應調控模塊發揮作用，電流逐漸減小的同時抑制溫升；當溫度達到過溫保護點時，M25導通，M26柵壓拉低，M26關斷，LED電路不工作，從而達到保護LED燈的作用；當溫度降回到溫度滯回點時，電路重新開啟。

2 過溫保護電路各模塊設計

    過溫保護電路各模塊電路圖如圖2所示，主要包括以下幾個部分：PTAT電流源及電壓基準電路、電壓隨溫度自適應調控電路、溫度判決及滯回關斷電路。

2.1 電壓基準電路及PTAT電流源

    圖2中，由M0～M7、R₀～R₂、Q0構成PTAT電流源及電壓基準電路模塊。MOS管M0～M5的電路結構形成了V_a→V_b→V_c→V_a負反饋環路，從而提高PSRR，減小電源電壓變化對電流源的影響。

    由于M5和M1工作在亞閾值區，M5與M1的寬長比之比為K，根據亞閾值區MOS管源漏極電流表達式可以推導出：

2.2 電壓隨溫度自適應調控電路

    電壓隨溫度自適應電路由圖2中鏡像基準電壓、M9、M10、R₄、R₅組成。M9與M0構成電流鏡，M9與M0的寬長比之比為r，其M9漏極電流大小為：

    由式(5)可知V_R4為PTAT電壓。當V_R4沒有達到M10閾值電壓時，M10不導通，其電阻視為無窮大，V_ad=V_ref；當V_R4達到M10閾值電壓時，M10開始導通，此時V_ad=V_ref-V_R5，又V_R4為M10的柵極電壓，則I_D10為PTAT電流，使V_ad為CTAT電壓，是隨溫度逐漸減小的電壓，利用自適應電路降低功率，抑制溫升，從而保護電路。

2.3 溫度判決及滯回關斷過溫保護電路

    溫度判決及滯回關斷模塊電路如圖2中所示，通過PTAT電壓與基準電壓V_ref相比較，輸出經過三級反相器得到V_thermal，輸出端接在M12的柵極。由V_thermal控制M12的工作，當有不可控因素使得溫度過高時，M12導通，只有當溫度降回到比過熱溫度還低的情況下電路才能重新開始工作，從而產生滯回關斷的作用，避免產生熱振蕩的現象。利用MOS管M11、M12實現溫度滯回特性，通過調節M11的寬長比可以調節溫度滯回區間大小。

    當溫度達到過溫關斷點時有關系式：

    當溫度降到滯回點時有關系式：

其中n₆、n₇、n₁₁分別為M6、M7、M11與M0的寬長比之比。

    由式(7)、式(9)可得溫度滯回區間大小即為ΔT=T_H-T_L。

3 仿真與結果分析

    電路基于CSMC 0.5 μm工藝，在標準芯片驅動電壓V_DD=5 V，LED供電電壓V_CC=10 V的情況下，利用Cadence Spectre對設計電路進行仿真驗證。

    圖3所示為V_ref基準電壓隨溫度變化的特性曲線，從圖中曲線可以看出，當溫度從0 ℃變化到120 ℃，基準電壓保持恒定輸出為1.25 V，溫度系數為1.6×10^-5/℃，因此電路具有良好的抑制溫漂能力。

    圖4所示為電壓隨溫度自適應變化的曲線。當溫度小于64.9 ℃，V_ad的電壓等于V_ref的電壓，即為1.25 V；當溫度大于64.9 ℃，電壓隨溫度自適應變化，電壓逐漸減小，從而減少功耗，抑制溫升。圖中可以看出，電路具有很好的電壓自適應特性。

    圖5所示為V_ref基準電壓與V_PTAT電壓的仿真特性圖。圖中標記為×的曲線為V_ref溫度特性曲線，實線為溫度升高時V_PTAT電壓隨溫度變化曲線，虛線為溫度下降時V_PTAT隨溫度的變化曲線。

    圖6所示為滯回關斷過溫保護電路隨溫度變化的曲線圖。從圖中可以看出，在110 ℃時滯回輸出電路從低電平跳變為高電平；當溫度降回60 ℃時，滯回輸出從高電平跳變回低電平。關斷溫度與開啟溫度之間有50 ℃的遲滯溫差，可以保證良好的溫度滯回特性。

    圖7所示為LED驅動電流隨溫度變化的仿真曲線圖。當溫度在0～64.2 ℃時，電流恒定輸出。當溫度在64.2～108 ℃區間變化時，電流的變化范圍為350～265 mA，恒流輸出中增加溫度自適應模塊，降低功率，達到抑制溫升的目的。當溫度超過108 ℃時，電流突然下降，幾乎為零，實現關斷電路的目的。當溫度重新降為60 ℃時，恢復正常工作，實現很好的溫度滯回關斷特性，避免電路產生熱振蕩。

4 結束語

    應用于LED驅動電路的溫度自適應過溫保護電路利用基準電壓與V_PTAT電壓相比較，產生滯回關斷過溫保護電路，并且設計了電壓隨溫度升高而減小的自適應電路，在恒流輸出中增加自適應，有效抑制溫度上升，有一定的溫度自適應范圍。整個電路穩定可靠，靈敏度高，設計簡單，為防止溫度過高，設置溫度滯回區間，避免發生熱振蕩，可以避免發生不必要的事故，由此可見，該電路的應用前景廣闊，具有較強的實用性。

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作者信息：

崔晶晶，曾以成，夏俊雅

（湘潭大學 微電子科學與工程系，湖南 湘潭411105）