一种用于大电流LED驱动的高侧电流检测电路

刘　岩，冯勇建，夏荣菲

(厦门大学航空航天学院,福建厦门361005)



一种用于大电流LED驱动的高侧电流检测电路

刘岩，冯勇建*，夏荣菲

(厦门大学航空航天学院,福建厦门361005)

摘要：针对LED驱动中宽输入电压范围和高精度检测的要求，提出了一种高侧电流检测电路.采用互补金属氧化物半导体(CMOS)器件作为放大器，通过检测串联在电路中的采样电阻两端电压差的大小，用滞回控制方法控制电流回路的通断，能精确控制0.5～5 A的输出电流，在5～40 V电压下达到了3%的检测精度.该电路结构简单，通过0.6 μm 5～40 V CMOS-双重扩散金属氧化物半导体(CDMOS)工艺流片验证，芯片测试结果表明电路工作良好，能满足要求.

关键词：高侧电流检测；高精度；LED驱动

LED被称为第四代照明光源，其具有高效、节能、环保、使用寿命长的优点[1]，从而被越来越广泛地应用于室内装饰照明、交通信号灯、汽车照明，甚至园艺照明等领域[2-3].LED是一种半导体器件，其正向电流与正向电压的关系遵循二极管的特性，很小的电压变化就能引起很大的电流变化.因此，照明系统中LED驱动方式多采用恒流方式，主要有：线性恒流型和开关电源型[4].其中开关电源型又包含降压型、升压型以及升降压型.不论采用何种控制方式，都需要对流过LED的电流进行精确检测.

在电路中串联一个电阻，当有电流流过时，该电阻上会有一个压降，通过放大这个电压值，可以得到与线路中电流成比例的信号，从而达到检测线路中电流的目的.该检测方式是目前使用最广泛,也最灵活的方法[5]，它的限制在于功耗与测量精度之间的折中：考虑到功耗要求，检测电压应尽可能小；而要保证足够的检测精度，则希望检测压足够大，以便后续电路处理.但是，不同的应用环境和检测电阻的位置，给设计这种感测放大器带来了困难，例如：如果感应电阻串接在负载与地之间，所产生的电压降可以使用一个普通的运算放大器进行放大,这种结构被称为低侧电流检测，它的检测电路为单端输入，被测信号是检测电阻上对地的压降，因而来自地的干扰会严重影响检测精度，更大负载电流意味着更大的干扰；此外，这种结构的检测电阻容易被短路，从而导致无法正确感应到线路中的电流，造成线路中电流持续增大而烧毁.

对于感应电阻串接在电源及负载之间，其共模信号接近电源电压,这种结构被称为高侧电流检测.相比低侧电流检测电路，这种连接法能有效地避免地信号的干扰.文献[6]介绍了一种宽范围高侧电流检测电路，它采用双极-互补金属氧化物-双重扩散金属氧化物半导体(bipolar-CMOS-DMOS，BCD)工艺以及高压三极管作为输入级.本文中提出的电路全部采用CMOS器件，在常用的CMOS工艺下实现了5～40 V宽共模输入，且具有较高的检测精度.

1普通高侧电流检测放大器

对于普通电源(5 V)的低压应用，高侧检测放大器只需是一个共模信号接近电源的运算放大器就可实现功能.当电源电压超过5 V时，则需要先通过电阻分压来降低高边检测的共模电压，让其落入放大器允许的共模输入信号范围之内.

图1　高侧检测电路Fig.1High-side current sense

如图1所示的检测电路中，被测信号先被电阻分压，然后经减法器电路得到差分信号，再被放大器OP2放大后输出.CMOS运算放大器的共模输入电压范围一般不超过5 V，要实现输入电压5～40 V的工作范围，分压要取到它的1/8以下.

设Rsense上压降为ΔV,则理论计算的输出电压为:

(1)

其中,β为电阻分压之比,k为后一级放大倍数．图中取β=1/10,k=250．

假设放大器OP1的输入失调电压为Vos,改写式(1)得实际输出电压:

(2)

由式(2)可知,放大器OP1的输入失调电压被无衰减地传输到其输出端,同时被OP2放大．电路的检测精度为:

(3)

可见放大器输入失调电压相当于被放大了1/β倍．且β越小,电流检测的误差越大,这样的检测精度是不能满足要求的．

2本文中采用的高侧电流检测电路

根据上述分析，前级分压线路严重影响了检测电路的精度.因此，本文中提出了一种直接放大被测信号的电路.不仅可以检测共模电压较高的信号，也有很高的检测精度，如图2所示.

Vcc接5 V，高压N型绝缘栅场效应管(NMOS)用作隔离高压.VIN和SNS端分别接Rsense的两端，若Rsense中有电流，则VIN和SNS Pin脚之间会有电压差.通过M1～M4组成的环路，可使得A、B两点电压相等，则流过R1、R2的电流有差别.又M3、M4组成的电流镜结构使I1=I2，R1中多余的电流将从M5流走.设计R1=R2，流过R1、R2、R3的电流为

图2　电流检测电路Fig.2Current sense circuit

IR1=(VVIN-VA)/R1，

(4)

IR2=(VSNS-VB)/R2，

(5)

IR3=IR1-I1.

(6)

电路中M2与M3组成1∶ 1的电流镜，故有IR2=I1=I2；又VA=VB,R1=R2，联立式(4)～(6)可得

Vsense=IR3R3=[(VVIN-VA)/R1-

(VSNS-VB)/R1]×R3=R3/R1ΔV,

(7)

其中ΔV=VVIN-VSNS.

3误差分析及仿真

上述电路中，输出的误差主要来源：1) 低压MOS管M3、M4在版图设计中结构失配造成电流I1与I2不严格相等，则误差电流ΔI会全部流经R3；2) 实际生产的高压MOS管 M1、M2、M5的阈值电压VT不完全相等造成的A、B两点的电压差ΔVAB；3)R1、R2、R3之间的失配，设不匹配系数为k，根据误差来源，将式(7)改写为：

Vsense=IR3R3=

(VB-VA)]+ΔIR3，

(8)

(9)

误差系数:

(10)

式中，第1项是电阻匹配误差，其值取决于版图设计的好坏.采用长度相等的方块电阻，用电阻个数的比值来替代其阻值的比值进行匹配，并在芯片版图中做成交叉、中心对称的图形，可以做到很高的匹配精度[7-8]；第2项是VT的不同造成的，主要受到制造工艺的影响，有一定的随机性，只能通过参数微调技术[9](流片后，通过烧断电路中预设的保险丝来改变电路中的某些参数，通常是电阻的比例)等进行技术修正，另外，增大检测电压ΔV的值对提高精度有好处；第3项也可以表示为ΔI/I3=(ΔI/I1)×(I1/I3)，可从两方面采取措施减小误差：1) 提高电流镜的匹配精度ΔI/I1，引入共源共栅结构(如图3)，能将输入电阻增大gmrds倍(gm是晶体管的跨导，rds是晶体管漏端看进去的输入阻抗)，从而将电流误差缩小相同的倍数[10-11]；2) 增大I3，I3=ΔV/R1，由此可知，适当减小R1或者增大检测电压ΔV都能提高精度.

图3　共源共栅增大输入电阻Fig.3cascode current mirror ensures high gain

完整的电流检测电路及控制回路如图4所示.当功率管M1打开时，电流经检测电阻Rsense、LED、电感及M1到地，且逐渐增大，检测电阻上的压降被放大为电压Vsense，电流达到一定值时，Vsense超过基准电压Vref，滞回比较器翻转，从而关断功率管M1；此时，电感、肖特基二极管D1、检测电阻和LED组成了电流回路.随着电感的放电，回路中电流减小，Vsense电压降低，直至低于滞回比较器的翻转阈值，M1再次打开.如此循环，维持LED中电流恒定.

图4　电流检测整体电路Fig.4The whole circuit of current sense circuit

接入检测电阻Rsense=1 Ω，对电路进行仿真，结果如图5所示.由图5(a)和(b)可看出Vsense波形和VIN、SNS节点电压之差的波形一致；由图1(c)可知检测电路输出电压Vsense与LED电流有很好的线性度.

图5　电流检测线路仿真波形Fig.5Simulation waveform of current sense

4实验结果与分析

本线路已应用在一款降压型LED驱动芯片中，其版图面积为0.038 mm2，仅占整体芯片的4%.

针对宽工作电压(5～40 V)要求，本文中设计了一系列实验，在不同的输入输出电压以及不同的输出电流情况下，对流片后的芯片进行了测试，图6是检测电阻Rsense=0.22 Ω，输入12 V，输出2个LED串联时回路中的电流波形.LED中平均电流为897 mA，比设定值0.2/0.22=909 mA小了1.32%；滞回(电流纹波系数)大小±11%，比设计值±10%稍大.表1则列出了不同输入电压及检测电阻情况下测得的LED电流值，可知本文中设计的电流检测电路达到了设计要求，能精确检测及控制输出电流.

图6　检测电阻0.22 Ω时电流波形Fig.6LED current waveform when Rsense=0.22 Ω

输入电压VIN/V检测电阻Rsense/Ω实测输出电流ILED/A目标电流值Iout/A偏差/%50.400.4970.500-0.60120.220.8970.909-1.32240.012.0102.050-1.95360.053.9004.000-2.50400.044.8505.000-3.00

5结论

电流检测电路是LED驱动不可或缺的功能模块，其性能直接影响驱动芯片的精确性和可靠性.本研究提出的高侧电流检测电路输入级采用CMOS器件，有着较好的工艺兼容性；利用电阻比值进行匹配，提高了检测精度.该电路结构简单，经流片验证安全可靠，且在5～40 V宽范围输入电压、0.5～5 A输出电流范围下达到了3%的检测精度，在大电流LED驱动照明领域具有很高的实用价值.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201511009

收稿日期：2015-11-09录用日期：2016-03-08

*通信作者：yjfeng@xmu.edu.cn

中图分类号:TN 431

文献标志码：A

文章编号：0438-0479(2016)04-0592-04

A High-side Current Sensing Circuit for High-brightness LED Drivers

LIU Yan， FENG Yongjian*，XIA Rongfei

(School of Aerospace Engineering,Xiamen University，Xiamen 361005,China)

Abstract:This paper proposes a high-side current sensing complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit which is applied to high-brightness LED drivers.By detecting the voltage drop of a sense resistor in series and applying hysteresis control strategies,it controls the on-off of the current loop and has achieved a 3% accuracy while the output current varies from 0.5-5 A at 5-40 V input voltage.The circuit has been implanted in 0.6 μm 5-40 V BCDMOS process,and the test shows that the circuit exhibits a satisfactory performance and can meet requirements.

Key words:high-side current sense;high accuracy;LED driver

引文格式：刘岩，冯勇建，夏荣菲.一种用于大电流LED驱动的高侧电流检测电路[J].厦门大学学报(自然科学版)，2016,55(4)：592-595.

Citation：LIU Y， FENG Y J，XIA R F．A high-side current sensing circuit for high-brightness LED drivers[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：592-595．(in Chinese)