CN1913736A - 一种一路参考电流驱动多路并联led的电流源电路 - Google Patents

Abstract

一种一路参考电流驱动多路并联LED的电流源电路，包括电流镜(201)，误差放大器(202)，调整管(203)，参考电流(204)，其它多路驱动管(205)和VDS钳位电路(206)，其特征在于：VDS钳位电路(206)分别接MN1的漏端和误差放大器(202)的正输入端，电流镜(201)和其他多路驱动管(205)的栅端通过一个共同的Vdrive信号线驱动，正常工作时，MOS管MN1和MN0的漏端电压在误差放大器(202)和调整管(203)的作用下保持一致，其它驱动管(205)与MN1即使有较小的漏端压差依然能获得较好的电流匹配。异常情况下，VDS钳位电路能够给出一个适当的偏置电压，使得MN1的漏端无论是什么情况，其它驱动管(205)不会导通过大电流，并且能够正常工作。

Description

一种一路参考电流驱动多路并联LED的电流源电路

技术领域

本发明涉及一种一路参考电流驱动多路并联LED(Light-Emitting Diode发光二极管)的电流源电路。

背景技术

白光LED具有发热量低、耗电量少(白炽灯泡的八分之一，荧光灯泡的二分之一)、寿命长(数万小时以上，是荧光灯的10倍)、反应速度快、体积小可平面封装等优点，易开发成轻薄短小的产品，是替代传统照明器具的潜力商品。在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受全球瞩目，欧、美及日本等先进国家也投注许多人力，并成立专门的机构推动白光LED研发工作。它将成为21世纪的新一代光源，***电光源，以替代白帜灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，白光LED孕育着巨大的商机。

目前在手持设备(手机、MP3、MP4等)中，白光LED作为彩屏显示屏的背光显示已经得到广泛的应用，而蓝光、红光等不同颜色的LED则作为键盘灯和装饰灯也得到了广泛应用。

LED驱动电路一般可分成串联驱动和并联驱动两种。

LED的光特性通常都描述为LED工作电流的函数，而不是电压的函数，控制LED的发光亮度，就是要控制LED的工作电流。串联驱动的方式可以保证所有LED流过的电流完全一致，提供相当好的LED间的电流匹配精度，从而达到均匀的显示亮度。但是串联驱动采用电感型DC-DC升压转换原理驱动多个LED，随之而来的一个很大的问题就是EMI(电磁干扰)问题，由于串联型驱动电路的开关管工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程是一个干扰源，外接的电感会使得干扰的辐射现象相当严重，尤其在移动通信终端，会对移动通信终端的接收灵敏度带来很大的影响。

而并联驱动电路，由于无需使用电感进行升压，那么它对外形成的EMI干扰就远远小于串联驱动电路。但是在并联驱动电路中，如何保证各个并联LED电流匹配度是值得关注的问题。

在现有的并联驱动LED的电流源电路中，一般通过镜像一个小电流(μA级)来得到LED所需的大电流(mA级)。

如图1所示，I_SET(104)为一电流基准。通过误差放大器(102)和调整管(103)的共同作用可以使得电流镜(101)中MN0和MN1的漏端电压相等，由于它们的源端共同接地所以V_DS1＝V_DS0。由于MN0和MN1的栅接同一驱动电压所以V_GS1＝V_GS0。图2是一个简单NMOS器件示意图。根据NMOS(N型金属氧化物半导体)管的电流公式

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}[2(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})V_{\mathrm{DS}}-{V_{\mathrm{DS}}}^2](1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}})---\left(1\right)$

λ为沟道长度调制系数，表示给定的VDS增量引起的沟道长度相对变化，对于越长的L，λ越小。一级SPICE模型中典型情况下λ＝0.1V-1。W、L分别为沟道宽度和有效沟道长度。VTH是阈值电压。μ_n是迁移率。C_OX是单位面积的栅氧化层电容。

在VDS1＝VDS0时，流经MN0与MN1电流之比为：

$\frac{I_{\mathrm{MN}1}}{I_{\mathrm{MN}0}}=\frac{W_1{L}_0}{W_0{L}_1}---\left(2\right)$

这样，LED1的工作电流和Iset的电流比例关系完全由MN1和MN0的宽长比决定，实现了精确的LED工作电流控制，在驱动多个LED的情况下，只需要把这样的基本一对一的电流源单元复制多次即可。但是这样做的缺点是：

对于n路并联的LED的驱动，需要n个Iset电流，这样从转换的效率看，更多的电流被消耗掉，降低了转换效率。

对于n路并联的LED驱动，需要n个误差放大器单元、n个调整管MNA和n个电流源管MN0，这样会增加较多的器件或者芯片面积。

出于节省功耗和芯片面积、提高转换效率的目的，需要采用一对多的电流源方式来驱动多路LED。如图1所示，更多的LED2～LEDn通过MN2～MNn(105)这样的驱动管驱动，在相同的工作电流要求下，MN2～MNn与MN1应当具有相同的(W/L)比值。但是由于MN2～MNn的漏源电压VDS并不反馈给电流镜管MN0。而实际应用中，由于LED正向导通压降并不会完全一致，可能会略有差别(一般白光LED的正向导通压差在±100mV以内)，MN2～MNn漏端电压无法和MN1完全一样，这样流经MN2～MNn的电流就不像式(2)中那样和仅仅和MOS管的宽长比有关，而且和漏源电压VDS相关。

以MN2为例，当工作在饱和区，式(3)是NMOS工作在饱和区的电流公式。式(4)是工作在饱和区的MN2与MN0的电流之比。

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}})---\left(3\right)$

$\frac{I_{\mathrm{MN}2}}{I_{\mathrm{MN}0}}=\frac{W_2{L}_0(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}2})}{W_0{L}_2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}0})}---\left(4\right)$

$\frac{I_{\mathrm{MN}2}}{I_{\mathrm{MN}1}}=\frac{1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}2}}{1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}1}}\≈1---\left(5\right)$

由于λ＝0.1，|VDS2-VDS0|＜0.2V，有式(2)，(4)得到式(5)。易知在饱和区的时候，不同的VDS能够引起的电流失配非常小，不到2％，而正常应用中，LED有足够的电压驱动，可以确保绝大多数情况下电流镜都是工作在饱和区。这也说明多数情况下不需要严格的一对一匹配驱动LED。

极端情况下，当VDS＜＜2(VGS-VTH)时，NMOS工作在线性区。式(6)是线性区电流导通公式。式(7)是工作在线性区的MN2与MN0的电流之比。

$I={\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})V_{\mathrm{DS}}---\left(6\right)$

$\frac{I_{\mathrm{MN}2}}{I_{\mathrm{MN}0}}=\frac{W_2{L}_0{V}_{\mathrm{DS}2}}{W_0{L}_2{V}_{\mathrm{DS}0}}---\left(7\right)$

$\frac{I_{\mathrm{MN}2}}{I_{\mathrm{MN}1}}=\frac{V_{\mathrm{DS}2}}{V_{\mathrm{DS}1}}---\left(8\right)$

由式(2)，(7)得到式(8)。在VDS很小的线性区情况下，VDS的不同将导致极大的电流失配。如果VDS1＝50mV，VDS2＝VDS1+200mV，根据式(8)IMN2＝5IMN1，过大的电流可能会损害LED，尽管在多数情况下，驱动管并不工作在线性区域，但是依然需要考虑线性区工作情况下的安全性。

另一个问题，这种简单的一对多电流镜结构需要第一路LED1必须被接上并且正常工作，如果在应用中LED1不接或者损坏(一般LED的损坏状态为开路)，MN1漏端悬空将导致误差放大器(102)的正端悬空，这种电流镜结构中的悬空，会导致调整管(103)截止，MN0不导通电流，这样MN2～MNn处于一种不受控状态，LED2～LEDn无法正常工作。因此，由于LED1的故障状态导致其余的LED2～LEDn均无法工作，这在实际应用中无法接受。

图1中一对多驱动结构的缺陷在于：

当驱动管的源漏端压差较小工作在线性区时，LED正向导通压降不同，MN2～MNn将可能导通一个较大的电流，可能损坏LED

当LED1不接或者开路损坏时，其它的LED会受到影响，无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一路参考电流驱动多路并联LED的电流源电路，既可以实现正常工作时较好的电流匹配性，较高的转换效率，同时又保证在极端情况或者异常情况下电路的安全性和容错能力。具体表现为：在极端情况下，最大的LED的工作电流是受限的，不会对LED造成损坏，同时任何一路LED不接或发生开路故障，其它的LED也能正常工作。

如图3所示，本发明所提供的一种一路参考电流驱动多路并联LED的电流源电路，包括电流镜对管(201)，误差放大器(202)，调整管(203)，参考电流ISET(204)，多路驱动管(205)和VDS钳位电路(206)。

VDS钳位电路(206)实际上是一个二选一的选通电路，正常工作时，MN1的VDS1选通接误差放大器(202)的正端。当VDS1很低或者悬空时，VDS钳位电路(206)输出一个设定的电压VSAFE(例如取VSAFE为200mV)给误差放大器(202)正端，MN0的漏源电压VDS0即为VSAFE。

在上述的用于一路驱动多路并联LED的电流源电路中，创新地引入了一个VDS钳位电路(206)。该模块一端接误差放大器(202)的输入另一段接MN1的漏端，误差放大器(202)的另一输入端接MN0的漏端，输出接调整管(203)的栅，调整管的漏端接产考电流，源端接MN0的漏端。

在上述的电路中，一路参考电流驱动多路并联电流源，构成电流镜的晶体管是NMOS管。

在上述的电路中，其他多路驱动管(205)包含了一个或者多个NMOS管，NMOS管的栅端和源端接在一起，漏端分别对应一个或者多个的电流输出。

在上述的电路中，电流镜(201)中的NMOS管和其他多路驱动管(205)中的NMOS管的栅端由同一个信号线所驱动。

在上述的电路中，VDS钳位电路能够给误差放大器(202)提供一个有效的偏置电压，无论MN1的漏端是何种情况。

在上述的电路中，正常工作时，其它驱动管(205)中各个NMOS管的漏端电压接近NMOS管MN1的漏端电压。MN1的漏端电压等于MN0的漏端电压。

在上述的电路中，异常工作时，MN0的漏端电压由VDS钳位电路(206)给出。

本发明的优点：

1、正常工作时具有较好的电流匹配性

2、仅使用一路参考电流即可达到一路或者多路的电流源输出，具备较高的工作效率。

3、异常情况下限制了最大LED电流，避免了LED由于工作电流过大而损坏，提高了***可靠性。

4、即使LED1悬空或者发生开路故障时，其它LED也能正常工作。提高了***容错性。

5、本发明(图3)实现上述功能同时，与原电路(图1)相比仅仅增加一个简单的VDS钳制电路，保持了电路简单的架构，没有明显增加版图面积和功耗。

附图说明

图1是现有用于一路驱动多路并联LED的电流源电路的原理图；

图2是NMOS管示意图；

图3是本发明用于一路驱动多路并联LED的电流源电路的原理图；

图4是V_DS钳位电路原理图；

图5是应用本发明电路的实际产品原理图。

具体实施方式

VDS钳位电路(206)实际上是一个二选一的选通电路，如图4所示，包含一个迟滞比较器(301)，一个反相器(302)，两个传输门(303)和(304)。两个输入信号分别为VSAFE和VDS，VSAFE是一个保护电压，例如取200mV，VDS是MN1的源漏电压差。当LED1正常工作时，VDS大于VSAFE，比较器(301)输出为高，传输门(303)导通，传输门(304)断开，VOUT为VDS。当LED1悬空或者发生故障而开路后，MN1的源漏电压差低于VSAFE，比较器(301)输出为低，传输门(304)导通，传输门(303)断开，VOUT为VSAFE。

极端情况下

若VDS很小，驱动管进入线性区。

根据式(8)，假设VDS2＝VDS1+200mV，当VDS1＝VSAFE＝200mV时，

IMN2＝2IMN1＝2ISET(W1L0/W0L1)，ISET(W1L0/W0L1)即LED正常工作电流。此时流经MN2的电流最大。2倍LED正常工作电流并不会烧毁LED。

当VDS1＞200mV，VDS 1逐渐增大时，IMN2/IMN1＜2，IMN2＜21SET(W1L0/W0L1)，而且驱动管逐渐远离线性区进入饱和区。

当VDS1＜200mV，VDS1继续减小时，VDS0＝VSAFE＝200mV。

$\frac{I_{\mathrm{MN}1}}{I_{\mathrm{MN}0}}=\frac{W_1{L}_0{V}_{\mathrm{DS}1}}{W_0{L}_1{V}_{\mathrm{SAFE}}}\≤\frac{W_1{L}_0}{W_0{L}_1}---\left(9\right)$

IMN1＜ISET(W1L0/W0L1)流经MN1的电流小于正常工作电流。

$\frac{I_{\mathrm{MN}2}}{I_{\mathrm{MN}0}}=\frac{W_2{L}_0{V}_{\mathrm{DS}2}}{W_0{L}_2{V}_{\mathrm{SAFE}}}=\frac{W_2{L}_0}{W_0{L}_2}\frac{V_{\mathrm{DS}1}+200\mathrm{mV}}{200\mathrm{mV}}<2\frac{W_2{L}_0}{W_0{L}_2}---\left(10\right)$

IMN2＜2ISET(W2L0/W0L2)流经MN2的电流小于2倍正常工作电流。

可以看到，极端情况下LED2～LEDn的最大电流被限制住，不会烧毁LED。同时，这里假设VDS＝200mV时驱动管完全进入线性区，适当增大MN1、MN2～MNn的宽长(W/L)比值，可以使得MN1、MN2～MNn在给定的VDS压差情况和流过额定工作电流的情况下，工作状态介于饱和区和线性区之间，甚至是工作在线性区，VDS的压差并不会导致如此大的电流差。

若MN1的漏端悬空，VDS0＝VSAFE，MN0导通电流，MN2～MNn等其它驱动管依然可以导通期望的电流。

正常情况下，VDS0＝VDS1，并且驱动管工作在饱和区，根据式(5)电流匹配度能够保证在2％以内。

图5为应用本发明的实际产品原理图。实际驱动3路LED，Vdrive信号由参考电流源偏置产生。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。而纳入权利要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种一路参考电流驱动多路并联LED的电流源电路，包括电流镜(201)，误差放大器(202)，调整管(203)，参考电流(204)，其它多路驱动管(205)和VDS钳位电路(206)，其特征在于：引入了一个VDS钳位电路(206)，该模块一端接误差放大器(202)的正输入端，另一端接电流镜(201)NMOS管(MN1)的漏端；误差放大器(202)的负输入端接电流镜(201)NMOS管(MN0)的漏端，输出接调整管(203)的栅端；调整管的漏端接产考电流，源端接电流镜(201)NMOS管(MN0)的漏端。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：其他多路驱动管(205)包含了一个或者多个NMOS管，NMOS管的栅端和源端接在一起，漏端分别对应一个或者多个的电流输出。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：电流镜(201)中的NMOS管和其他多路驱动管(205)中的NMOS管的栅端由同一个信号线所驱动。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：VDS钳位电路(206)能够给误差放大器(202)提供一个有效的偏置电压，无论NMOS管(MN1)的漏端是何种情况。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：正常工作时，其它多路驱动管(205)中各个NMOS管的漏端电压接近NMOS管(MN1)的漏端电压，NMOS管(MN1)的漏端电压等于NMOS管(MN0)的漏端电压。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：异常状态下，NMOS管(MN0)的漏端电压由VDS钳位电路(206)给出。

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