应用于LED驱动系统的带隙基准源电路

时间：2024-09-03

厦门大学物理科学与技术学院物理系童江华李开航

应用于LED驱动系统的带隙基准源电路

厦门大学物理科学与技术学院物理系童江华李开航

本文基于18V Bi-COMS工艺,设计一款应用于白光照明LED驱动电路系统的带隙基准电路。文中详细阐述了该电路的工作原理和设计思想,并给出了基于CADENCE软件对该带隙基准电路的仿真结果。该电路利用PN反向饱和电流是温度指数函数的特性,即随着温度的升高，PN结的反向饱和电流将呈指数性增加,所设计的带隙基准源具有电路结构简单、电源抑制能力强和温度特性良好的特点。根据CADENCE仿真结果，表明该带隙基准源电路符合要求。

带隙基准源电路；PN结反向饱和电流；温度补偿

0 引言

随着社会的发展，节能和环保意识越来越引起人们的重视，白光照明LED被誉为下一代的绿色光源，与现有的照明光源相比，它具有无污染、使用时间长，能耗低等优点。近年来白光LED光源的光效不断提高，商品化器件的发光效率远远超过白炽灯，白光LED具有良好的发展前景。因此，设计各种高效可靠的LED驱动电路是集成电路从业人员的首要任务。

本文设计一款可应用于LED驱动电路的带隙基准源电路，充分利用PN结反向饱和电流与温度的函数关系，基于18V Bi-CMOS工艺，所设计的电路拓扑不仅简单，而且具有良好的温度特性，可为LED驱动电路系统中的振荡电路、比较强、误差放大电路提供可靠的参考电压和电流。本文第二部分介绍带隙基准电路的基本原理，第三部分给出电路的结构，第四部分给出仿真结果，第五部分总结。

图1 电压基准的原理图

1 带隙基准源的工作原理

和温度关系很小或者无关的基准电流和电压是很多模拟集成电路中不可缺少的组成部分。它的基本设计原理是把两个具有相反温度系数的量以某一方式相加，使得整个结果为零温度系数。其中，双极管已经被证实拥有负温度和正温度的特性参数，利用双极管的结电压的负温度系数和的正温度系数相互抵消（其中：为两个双极管工作在不相等的电流模式下，它们的基极和发射极的电压差），即可实现高效可靠的基准电压。

图1给出带隙基准源中电压基准的原理图，R1、R2、T1和T2构成带隙电压基准的核心电路（其中），运算放大器OPAMP构成深度负反馈，使得。当电压基准电路稳定输出时：

因此，为了能够得到室温下的零温度系数，则：

2 带隙基准源的电路实现

2.1 基准电路工作原理

带隙基准源的电路图如图2所示，该基准电路的包含：偏置电路、基准电路、运算放大器和输出电路。

图2 带隙基准电路图

其中，基准电路是该带隙基准源电路的核心部分，由Q1、Q2、Q6、Q7，R1-6元件构成。由公式(2)有：

则Vref为：

2.2 运算放大器的原理

图3 运放电路图

运算放大器的电路结构如图3所示，由MOS管组成两级运放，在带隙基准电路中该运放起通过形成深度负反馈，从而稳定输出电压。当电压源VDD增大时，会引起电路中电流的增大，运放的两个输入端电压都会升高，但是由于R5、Q6上电流变化的函数模式不同,因此,当两路的电流增大的程度相同时，VCE6小于VR5。运放由于瞬时输入的负电压会使得其输出电压降低，从而使得VB2（Q2的基极电压）减小，引起电路中电流的减小。

由于该运放为两级运放，故可提供较大的增益和较宽的输出摆幅，从而满足不同的工作要求。

2.3 偏置电路和输出电路的工作原理

由图2可知，R1和R2的值影响着输出电压Vref。若电路的工作电流为I，输出电流为Iref，则：

从而：

通过对公式(8)对温度T求偏导可知，该输出电流Iref和温度近似无关。

2.4 带隙基准源的启动电路原理

在带隙基准电路的偏置电路中，有一个问题是“简并”偏置点。即：当电路工作时，电路中会存在两个平衡点，一个是由于运放产生的负反馈的平衡点，另一个是零状态点，虽然电路绝大多数情况是可以工作在平衡点，但是为了加快电路的启动速度，可以在带隙基准源电路中加启动电路模块，如图4所示。

图4中，M5、M6、M7构成启动电路部分，当Von为低电平时，M5、M6导通，M7截止，随着VDD的增大，给Q4、R8和Q5创造一条电流通路。当Von为高电平时，M5、M6、R8、Q5形成的电流通路截止，从而隔离启动电路和主电路。

图4 带启动电路的基准源电路