基于LED驱动芯片BOOST环路的电流采样电路设计

聂海 李森

摘   要：文章设计了一种基于一款LED驱动芯片BOOST环路的电流采样电路，采用一种电路原理简单且输出损耗小的功率开关管导通电阻的方式，来实现电路采样功能。设计了数字电路模块控制采样电路的启动与关断，保证电路在整个芯片工作时处于正常的工作点。利用BCD工艺，在电源电压为3.7 V下对电路进行仿真验证，仿真后的结果与理论值基本一致，表明该电路能很好地采样电感电流，在LED芯片中正常的工作。

关键词：BOOST环路;电流采样;功率开关管;导通电阻采样

1    BOOST环路结构

众所周知，白光LED具有发光效率高、使用期限长、对环境友好、体积小、重量轻、发光质量高的优点，在当下多种便携电子设备中，白光LED都是作为液晶屏幕的首选背光源。本文采用BCD工艺，提出了一种应用于升压BOOST开关电源型驱动方式点亮LED的电流采样[1-2]。BOOST环路整体结构如图1所示，电流采样电路作为其中重要的一个模块，对输出效率有极为重要的影响。它采集到的电感电流信号再转化成电压的信号，然后会与环路反馈回来的电压值进行逐周期比较，于是就产生了一个功率MOS管得占空比信号。

2    电流采样电路

目前，实现电流采样功能的方式有很多，如：串联电阻采样、功率管导通电阻采样、积分器采样、SenseFET采样等。串联电阻采样方法虽然比较简单，但是会在采样电阻上产生更多的损耗，LED驱动变换器的效率也会显著变低。功率管导通电阻采样方法在采样时没有额外的损耗，但是输出的精度有点低，而且需要注意功率管的阻值的合理设计，过小则不能满足控制占空比的要求，过大则会影响LED驱动的效率[3]。

为了实现LED驱动高的输出效率，本设计结合以上几个方式的优缺点，采用了功率开关管导通电阻采样的方式，本设计电流采样电路结构，如图2所示。

图2中PVDD和AVDD为芯片电路里的两个供电电源（在具体实际芯片设计考虑中，一般数字电路部分和模拟电路部分会分开电源供电）。图2左边为电流偏置电路，保证MOS晶体管工作在正常的工作状态下;右边部分就是电流采样功能的具体实现电路[4];下面的电路为数字电路模块，在芯片电路中控制采样电路的有序开启与关闭，使得系统得以正常的运行工作。具体分析如下：

（1）输入信号IBP，给MOS晶体管MP1，MP2一个栅极电压信号，使得MOS管工作在饱和区，从而MN1和MN2构成的电流镜也就正常的工作了，镜像电流IBP，通过MP4和MP5构成的电流镜偏置到后续的电流采样电路中去，使得采样电路正常工作[5-6]。其中，MP3用作电容，起到补偿的作用。

在采样电路中，如图2所示的MN7，MN8，MN9为高压MOS管，MN10为功率高压MOS管，引脚INGND结MN10的源级，IN接MN10的漏端。当RST1_0为高电平时，MOS管MN7，MN8导通，此时RST1_1为低电平，MOS管MN9关断。根据前面的偏置电路分析，MP6，MP7，MP5，MP8，MN3和MN4构成的共源共栅电流镜，从而使得流过MOS管MN3，MN4的电流I1，I2大小相等。因为MN3和MN4的栅极电压相等，所以它们的源级电压也被钳位相等。即：

Vs_MN3=VS_MN4

在设计电流采样电路时，电阻R1和R2完全相等，又有高压MOS管MN7和MN8完全匹配，故两个MOS管的导通电阻相等，所以两条分支电路的总电阻相等，设RM等于RN。

由图2可知，晶体管MP5，MP6，MP10，MP11也构成电流镜结构，故采样电流ICS与流过晶体管MN5的电流相等。节点M的电压VM=RM×（I1+ICS），N点的电压为电阻R2，高压MOS管MN8的导通电阻以及功率MOS管MN10的导通电阻上的电压之和，即：

VN=R2×I2+RDS×IL。

可以得出：

3    实验结果

本设计使用了CSMC的BCD工艺，在电源电压3.7 V的状态下，仿真瞬态，看采样电流采样电路的仿真波形，如图3所示。

在仿真电路中，使采样电阻RA=RN，则采样电压为VCS=RDS×IL，功率MOS管的导通电阻为20.14 kΩ，可以从图3中看到采集到的采样电压与功率MOS管上的电感电流波形流向基本吻合。當电感峰值为48.5 μA，采样电压VCS的峰值为856.2 mV，与理论计算基本一致，说明本设计的电流采样电路在芯片电路中可以正常工作。

[参考文献]

[1]沈亚丹.汽车电子中的LED驱动电路的研究设计[D].杭州：浙江大学，2013.

[2]顾星煜，史博文，赵保付，等.一种新型原边反馈反激式数字控制LED驱动电源设计[J].电子器件，2015（2）：291-299

[3]寇武杰.大电流Buck变换器高效驱动控制研究与设计[D].成都：电子科技大学，2017.

[4]王程左.采用新型无损电流采样的同步整流BUCK DC-DC控制器研究[D].成都：电子科技大学，2015.

[5]马卓，谢伦国，赵振宇，等.用于电压岛式功耗管理的无运放结构高精度电流采样电路[J].国防科技大学学报，2009（6）：29-33.

[6]杨彭林.基于源极驱动的原边反馈AC-DC LED驱动电路的设计[D].南京：东南大学，2015.