中心議題：

• 采樣方式的分析與選擇
• 滯環控製原理分析
• 滯環恒流LED電流采樣電路設計
• 滯環恒流LED電流采樣電路仿真結果分析

針對滯環恒流大功率LED驅動芯片

，本文提出一款高性能電流采樣電路。該電路采用高壓工藝，可承受最高達40 V的de輸shu入ru電dian壓ya。通tong過guo分fen析xi滯zhi環huan控kong製zhi的de特te點dian
，采cai用yong串chuan聯lian電dian阻zu采cai樣yang技ji術shu
，結jie合he匹pi配pei電dian流liu源yuan結jie構gou，在zai保bao證zheng響xiang應ying速su度du和he采cai樣yang精jing度du的de同tong時shi，降jiang低di了le電dian路lu的de複fu雜za度du。電dian路lu中zhong加jia入ru輸shu入ru電dian壓ya補bu償chang電dian路lu，進jin一yi步bu提ti高gao了le恒heng流liu控kong製zhi的de精jing度du。在zaiCadence下的仿真結果表明，電路可在800 kHz的頻率下正常工作，采樣精度達99.78%;當電壓從15V變化至35V時平均負載電流誤差為0.81%;輸出電壓範圍為0~5V.

當今照明領域，LED憑借其壽命長、功耗低
、無wu汙wu染ran等deng優you點dian成cheng為wei未wei來lai發fa展zhan趨qu勢shi。然ran而er
，要yao針zhen對dui不bu同tong的de應ying用yong場chang合he
，分fen別bie設she計ji一yi個ge獨du特te的de芯xin片pian，目mu前qian情qing況kuang是shi不bu可ke行xing的de。因yin此ci，能neng夠gou使shi電dian源yuan與yu負fu載zai相xiang互hu獨du立li的de電dian源yuan管guan理li芯xin片pian被bei廣guang泛fan應ying用yong。在zai這zhe些xie芯xin片pian中zhong，無wu論lun是shi電dian壓ya還hai是shi電dian流liu控kong製zhi模mo式shi，都dou會hui通tong過guo檢jian測ce電dian感gan電dian流liu進jin行xing過guo流liu保bao護hu。在zai電dian流liu模mo式shi中zhong
，采cai樣yang電dian流liu還hai被bei用yong作zuo環huan路lu控kong製zhi。

本文提出的電流采樣技術用於一種滯環恒流控製大功率LED驅動電路中，除具有環路控製與過流保護的功能外
，還具有電壓補償的功能及結構簡單的特點。

1 采樣方式的分析與選擇

1.1 現有采樣技術
表1中列出了現有的幾種電流檢測技術並列舉了其優缺點。

表1 現有采樣技術及其特點

1.2 滯環控製原理分析
圖1是滯環控製電路框圖。LED驅動電流的變化反映在Rsense兩端的壓差變化上。滯環電流控製模塊內設兩個電流閾值Imax和Imin,當電路接上電源時，功率管打開，電源通過Rsense、負載LED向電感L充電
，驅動電流上升。當電流>Imax時，控製電路輸出低電平關閉功率開關管。此時電感通過負載LED
、Rsense和肖特基二極管放電，電流下降。當驅動電流<Imin時，控製電路輸出高電平打開功率開關管
，重複上一個周期的動作。通過這種方式控製電路將驅動電流限製在Imax與Imin之間周期性變化，使流過LED的平均驅動電流值恒定。

圖1 滯環控製電路框圖

可以看到，滯環控製電路使用的是串聯電阻采樣技術。從表1可知
，串聯電阻技術的功耗很大，同樣具有高精度且無損耗的Sensfet似乎更勝一籌。不過
，Sensfetjishuzhinengjiancegonglvguandakaishidedianliubianhuaqingkuang，erwufajiancegonglvguanguanduanqijiandedianliubianhua。yinciwufazaixuyaoshizhongduidianliujinxingcaiyangjiancedezhihuankongzhidianluzhongshiyong。tongshi

，youyushurudianyajiaogao，chuanliandianzusuoxiaohaodegonglvzaizhenggedianlugonglvzhongsuozhanbiliyejiangdile。
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2 電路設計

圖2是電路采樣電路結構圖。Rsense為采樣電阻，R1=R2=R;Mp1、Mp2、Mn1、Mn2組成的電壓鏡和Mp9反饋管組成匹配電流源作為電流檢測電路。其中Mp1與Mp2相互匹配並被偏置在飽和區，Mn1與Mn2是兩個相同且非常小的電流源，以保證流過Mp1與Mp2的電流相等從而使其具有相等的VSG。

圖2 電路采樣電路結構圖

由於Vin>Vcsn導致I1與I2不相等。采樣電流Is即為這部分"多餘"電流，大小為

式（1）中，實際流過Rsense的電流為IL+I2.因為I2的大小低於電感電流的10-4倍，其影響可以忽略不計。
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在實際電路中
，VA對VB的匹配度直接影響采樣精度。圖3為簡化的小信號模型。圖4為實際電路圖。Vin與Vcsn為精確采樣電阻Rcsn兩端電壓
，輸入範圍8~40 V;Vcc為芯片內部5 V穩定電源。

圖3 簡化的小信號模型

圖4 采樣電路的實際電路圖

應用KCL定理，得到

其中，ro4

、ro3為 VB''''、VA''''處的等效輸出電阻。設 gm1ro3=gm2ro4=AV,且 Mp5為電流鏡，增益約為1,綜合式（3）到式（5）：

δ是一個分子為的微小值。由式（6）可以看出，當gm1ro2或gm2越大，VA與VB的匹配度越高，電流采樣越精確。值得注意的是，式中出現gm1ro3的平方項，這意味著可以用較小的增益達到高精度。但是，耐壓5 V的低壓管無法在高輸入電壓下正常工作，電路中必須使用大量耐壓40 V的高壓管。然而高壓管的增益與等效輸出電阻很低，無法滿足電流采樣電路的精度要求。
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為使低壓管能在高壓輸入中也正常工作，電壓鏡采用了高低壓器件混用的共源共柵結構。Mp1、Mp2、Mn1和Mn2為低壓管；Mp3
、Mp4、Mn3和Mn4為高壓管。一方麵
，高壓管作為共源共柵器件增大了輸出電阻
；另一方麵，它承受了大部分壓降，以保護低壓管不被擊穿。不過，共源共柵結構帶來另一個問題。串聯電阻R2令Mp2和Mp4之間的次極點更靠近原點，使係統變得不穩定。為消除該極點帶來的影響，在共源共柵結構的輸出端加入補償電阻R5和電容C,引入一個零點並使主極點更低。


高壓管Mp5~Mp10為匹配電流源的輸出級
，主要起隔離緩衝的作用
，電流鏡結構避免了增加新的極點。分流結構Mp7、Mp8將Mp5始終偏置在飽和區

，從而允許流過Mp9與Mp10的電流最低降至0 A,使電路在空載時可以輸出地電壓，為芯片的進一步設計提供了方便。

P1~P12為保護管，防止低壓管因漏源或柵源電壓過高而被擊穿。

高壓管Mp11
、Mp12、Mn7與R4構成了電壓補償電路。在前述的工作原理中，電路通過將電流限製在閾值Imax和Imin間周期變化達到恒流控製的目的。其中電源向電感的充、放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)，充(chong)電(dian)速(su)率(lv)與(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)成(cheng)正(zheng)比(bi)，放(fang)電(dian)速(su)率(lv)和(he)芯(xin)片(pian)的(de)延(yan)遲(chi)則(ze)與(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)無(wu)關(guan)。這(zhe)一(yi)差(cha)異(yi)導(dao)致(zhi)了(le)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)時(shi)，電(dian)流(liu)會(hui)因(yin)在(zai)固(gu)定(ding)的(de)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)中(zhong)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)的(de)上(shang)升(sheng)斜(xie)率(lv)和(he)相(xiang)同(tong)的(de)下(xia)降(jiang)斜(xie)率(lv)，使(shi)實(shi)際(ji)電(dian)流(liu)峰(feng)值(zhi)I''''max升高，影響平均電流值。該補償電路通過將與輸入電壓成正比的電壓Vb2轉換為與輸入電壓成正比的電流Ic,使流過R3的采樣電流Isense對輸入電壓具有正相關性，從而在輸入電壓升高時令電流閾值Imax、Imin降低
，抵消因電流上升斜率提高對平均電流帶來的影響。

3 仿真結果

為驗證文中提出的電流采樣電路的功能，結合滯環控製電路及外部負載在Cadence中進行了仿真。圖5為輸入電壓20 V時采樣電流
、電壓與負載電流的關係。由圖可見，采樣電流與采樣電壓隨負載電流同相周期性變化
，周期約為1.2μs.

圖5 采樣電流、電壓與負載電流的關係

經過測試，當負載電流從0.4 A變化至1 A時
，電路采樣精度最低為99.78%,理想的工作電流為0.6~0.8 A,精度高達99.96%.

表2為不同輸入電壓下負載電流的峰-峰值。由表中數據計算，在輸入電壓由15V變化至35V的過程中，負載電流的最大誤差僅為0.81%.

表2 輸入電壓與平均負載電流

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圖6為外接電流源在0~1.2 A之間跳變時采樣電路輸出電壓的波形。圖中輸出電壓範圍為0~5 V,為整顆芯片設計過流保護、開路保護等其他電路提供了方便。

圖6 輸出電壓與負載電流波形圖

4 結束語

本(ben)文(wen)設(she)計(ji)了(le)一(yi)款(kuan)適(shi)用(yong)於(yu)滯(zhi)環(huan)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)的(de)電(dian)流(liu)采(cai)樣(yang)電(dian)路(lu)。使(shi)用(yong)匹(pi)配(pei)電(dian)流(liu)源(yuan)技(ji)術(shu)以(yi)很(hen)少(shao)的(de)器(qi)件(jian)數(shu)量(liang)和(he)簡(jian)單(dan)的(de)結(jie)構(gou)，實(shi)現(xian)了(le)耐(nai)高(gao)壓(ya)高(gao)精(jing)度(du)的(de)目(mu)的(de)。端(duan)到(dao)端(duan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)，則(ze)使(shi)整(zheng)顆(ke)芯(xin)片(pian)中(zhong)其(qi)他(ta)電(dian)路(lu)的(de)簡(jian)化(hua)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。電(dian)路(lu)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)，使(shi)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)與(yu)輸(shu)人(ren)電(dian)壓(ya)的(de)相(xiang)關(guan)性(xing)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。