恒流多功能LED手电筒驱动芯片设计

程君永

（台州市椒江万胜电子有限公司，浙江台州 318000）

恒流多功能LED手电筒驱动芯片设计

程君永

（台州市椒江万胜电子有限公司，浙江台州 318000）

针对目前LED手电筒的广泛应用，该文设计了一个带有多种功能的，更加节能的LED手电筒驱动芯片。该驱动芯片具有低功耗、高效率、不受温度和电压影响的线性恒流特性，并且很少的外围电路。本次电路的设计基于CSMC 5V 0.35μm CMOS工艺下完成，线路的仿真验证基于cadnce软件，通过spectre仿真器仿真。

LED手电筒；低功耗；恒流；CMOS

0 引言

LED(中文意思为发光二极管)是一种新型半导体固态冷光源，它是一种能够将电能转化为可见光的光电器件。主要是由P型半导体和N型半导体组成的PN结，即正向导通、反向截止和击穿特性[1]。在正向电压下，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光子或部分以光子的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，为照明所用。LED之所以能够优越于传统光源的白炽灯，主要表现有一是发光效率高，节能耗电量少，且光的单色性好、光谱窄，无需过滤即可直接发出有色可见光；二是寿命长，可以长期使用；三是安全和环保，是典型的绿色光源，无热辐射，全固态发光体，机械强度高，耐震、耐冲击而不易破碎；四是体积小、重量轻等。要体现LED灯的优势，其驱动电路设计非常重要。目前市场上的LED手电筒销量很大，设计一个性能高价格低的手电筒驱动芯片非常需要。

1 LED手电筒简介

目前的手电筒基本上是采用单颗LED灯珠，灯珠的种类比较多，但基本上用3类。低端的手电筒还是采用Q5的灯珠，高端的手电筒里面采用T6或者μ2的灯珠，这些灯珠都具有聚光好，高亮度，通电流能力强。Q5的灯珠适合1A左右电流，T6和2适合2A的电流或者电流还更大些。以前手电筒的外壳采用塑料的，不利于手电筒的散热，改进后外壳上采用铝合金工艺，有利于散热，并不容易摔坏，能够增加手电筒的使用寿命。LED灯珠的VTF电压约在3V～4V之间，所以这种用一节18650的锂电池就能刚好适合LED手电筒，不需要进行升压就能直接驱动，电光的转换效率非常出色。但是，目前市场上便宜的LED手电筒的驱动电路大都比较差，有的采用前级控制外加MOS管驱动LED；有的采用单片机芯片和大功率MOS管驱动LED。这些设计的最大缺陷是在锂电池电压比较高的时候，流过LED灯的电流非常大，且都是靠LED本身限流，这样不但浪费了电池的电量，降低了电能转化为光能的效率，而且很容易烧坏LED灯珠，大幅降低使用寿命，对用户来说是最大的损失。因此本文主要研究设计适合LED手电筒上的驱动芯片。

2 恒流多功能的LED驱动电路

恒流多功能的LED驱动电路采用最简洁又可靠的控制技术和宽电压设计方案，较宽的工作电压，范围可达2.5～6.0V，输出具有全亮、半亮、1/4亮、慢闪和SOS功能，并且能够恒流驱动5W的LED灯。芯片的工作电流非常小，大约180μA，最大的静态电流约10μA，最大输出恒流驱动电流2A。芯片主要由9个模块构成，下面简单介绍各个模块功能。

2.1 软启动模块。主要是防止芯片刚接通电源的时候，LED出现亮度的闪烁现象。

2.2 过温保护模块。因为LED灯是电能转化为光能，会产生一定的热量，一旦温度升高了不但影响到LED灯的光通量，而且还有可能烧坏LED灯珠和驱动芯片，所以芯片内部的过温保护非常重要。

2.3 欠压保护模块。当锂电池电压比较低的时候，芯片需要对锂电池保护，否则会把锂电池的电量全部放完，对锂电池的使用寿命影响非常大。

2.4 LED短路保护模块。LED一旦短路了，很有可能烧坏芯片，所以此模块主要为保护芯片。

2.5 带隙基准模块。通过产生正负电压的特性，设计一个不随温度和电压变化等影响的基准电压，为恒定电流提供基准[2]。

2.6 振荡模块。对频率的波动要求不严格，所以采用简单的自激振荡来实现。

2.7 VDD检测模块。内部比较器通过检测VDD的变化，产生多种状态的循环切换。

2.8 恒流驱动模块。采用高性能的运放和恒流电路实现对LED的驱动。

2.9 多功能控制模块。通过开关按钮的切换，实现全亮、半亮、1/4亮、慢闪和SOS功能。

3 恒流驱动线路设计

基于这个芯片的电路模块比较多，因此着重对恒流驱动的线路做详细说明，线路图如图1所示，其余模块的具体线路相对简单，在此不作介绍。

图1 恒流驱动线路

恒流驱动线路的设计，直接决定手电筒恒流性能的好坏，因此这个部分显得非常重要。这里运放采用两级放大，折叠共源共栅差分输入级和共源增益输出级[3]，辅助电路为偏置电路和频率补偿电路。PMOS高摆幅电流镜负载，共源级采用NMOS放大管，PMOS管作有源负载。信号由折叠共源共栅差分对管两端输入，差模电压被转化为差模电流，差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压，信号电压被第1次放大后由共源共栅结构被转化为单端输出，随即进入共源级再一次被放大后输出给负载。选择这个结构主要考虑：其一是输入共模范围大，由于采用了PMOS折叠式差分输入结构，输入共模范围可以做到很大，甚至可以低到地电位GND。其二是输出摆幅大，第一级折叠式差分结构克服了套筒式结构的缺点，输出范围本身就已经可以很大。同时，有第二级放大结构的存在，输出范围可以进一步增大，以达到全摆幅输出。其三是开环增益高，共源共栅结构的输出电阻很大，同时又是两级放大，因此开环增益可以做到很高。其四是稳定性好，电路中采用了密勒补偿，提高了相位裕度，增加了电路稳定性[4]。

恒流驱动电路的具体参数如下：偏置电路由M1、M2、M3、M4、M5构成；M1的宽长比为10μ/5μ，M2的宽长比为80μ/1μ，M3的宽长比为80μ/1μ，M4的宽长比为80μ/4μ，M5的宽长比为80μ/4μ。第一级放大电路由M7、M8、M9、M10、M12 和M13构成，M12、M13作为输入管，要采用交叉布局，增加匹配，减少失调电压。M7和M8的宽长比为80μ/4μ，M9和M10的宽长比为80μ/1μ，M12和M13的宽长比为160μ/2μ。第二级放大电路由M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20和M21构成。其宽长比M14、M20、M21和M15的宽长比为100μ4μ，M16、M17、M18和M19的宽长比为100μ/1μ。控制电路有M6、M11和M25构成，其宽长比M6和M25的宽长比为2μ/0.5μ，M11的宽长比为4μ/0.5μ。镜像电路由M22、M23和M24构成，其宽长比M22的宽长比为120μ/0.6μ，M23的宽长比为20μ/1.5μ，M23的宽长比为20μ*20000/1.5μ，C2电容采用2.2pF。

4 LED手电筒驱动的工作原理

图2 典型应用图

LED手电筒的典型应用图如图2所示，电池采用一个18650的3.7V的锂电池，并且开关是带有自锁功能。当开关按下放开后，开关会一直处于关闭状态，电池对电容充电，产生一个上升沿，提供给芯片内部的VDD检测电路，以此产生第1种状态。接通电源后，各模块开始正常工作，并且输出恒流2A的电流驱动LED。当芯片发热很严重时，过温保护电路开始工作，降低LED驱动输出电流，使得芯片的功耗降低，保证LED灯正常工作。当第1次按下，LED灯输出100%的亮度，当第2次按下，LED灯输出50%的亮度，当第3次按下，LED灯输出25%的亮度，当第4次按下，LED灯输出2HZ慢闪的状态，当第5次按下，LED灯输出SOS状态，当第6次按下，回到第1种状态，LED灯输出100%的亮度。具体输出波形如图3所示。

图3 LED输出波形

5 结论

本次设计完成了恒流多功能的LED手电筒驱动芯片的逻辑线路，并且使得每个模块的电路得到优化。通过模拟仿真验证，实现了精准的电流恒流特性，不受温度和电压的影响，并且能够输出多种波形的LED驱动电路。恒流的LED驱动，不但延长了电池每次的耐用时间，而且还延长了LED灯珠的使用寿命。通过精心合理的布局layout版图[5]，并且这个芯片的版图已经流片成功[6]，通过封装测试，可以得到各项参数都满足设计的目标，并已经批量生产。

[1]韩霜.LED照明多领域渗透高效节能带来光明前景[J].世界电子元器件，2009（12）：65-66.

[2]Avoinne C,Rashid T,Chowdhury V,et a1.Second-Order Compensated Bandgap Reference with ConvexCorrection[J]. Electronics Lettem 3rd March,2005,41(5):276-277.

[3]PAllen.CMOS IC design[M].2版.北京:电子工业出版社，2005：138-185.

[4]陈贵灿，程军，张瑞智.模拟CMOS集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社，2003：275-276.

[5]Alan Hastings.The Art of Analog Layout[M].New York: Prentice Hall,2001:72-116.

[6]张为.模拟电路版图的艺术[M].2版.北京:电子工业出版社，2007：440-447.

（责任编校：马余平）

Design of Driver Chip of Constant Current LED Multifunctional Flashlight

CHENG Jun-yong
(Jiaojiang Taizhou Wansheng Electronics Co.,Ltd.,Taizhou,Zhejiang 318000)

Aiming at the widely used LED flashlight,this paper designed a more fuel-efficient LED flashlight driver chip. The circuit structure is of low power consumption,high efficiency,linear constant current and few peripheral circuit etc.The circuit is designed on CSMC 5V 0.35um CMOS basis,and verified by spectre simulator with the help of cadnce software.

LED flashlight;low power;constant current;CMOS

TN 36

A

1672-738X(2015)01-0095-03

2014-12-08

程君永（1980—），男，浙江临海人，助理工程师。主要研究方向：集成电路设计。