高精度可編程恆流驅動白光led晶片的製作方法
2023-09-21 03:07:45 1
專利名稱：高精度可編程恆流驅動白光led晶片的製作方法
技術領域：
目前，白光LED已成為一種通用的照明源。用白色LED為顯示器或其他照明設備做背光源時，需要提供給LED正嚮導通的高壓和恆流驅動，以減小電池電壓變化時所引起的亮度變化和不同LED之間的亮度不匹配。恆流驅動有兩種方式，串聯和並聯驅動LED。串聯方式保持固有的匹配特性，但需要更高的供電電壓。常用的並聯方式驅動結構驅動能力小，且未考慮製造工藝中每一道工序的不確定性和MOS器件的閾值電壓的失配等對電流精度影響。而這些因素在增大負載電流時，電流匹配性及電流精度將受到很大的影響。因此為了提高輸出驅動能力，並且保證高的電流精度，設計的恆流源結構考慮了器件的失配，採用自動調零技術消除放大器的失調以提高電流輸出精度。為了避免驅動電流超出最大額定 值，使LED管受損，增加了過流和過溫保護電路。
發明內容
本發明了提供了高精度可編程橫流驅動白光LED晶片，使用自動調零技術在內部集成了自動調零運算放大器，並採用外接電阻和使能設計控制恆定LED驅動電流，可在219V到414V的工作電壓範圍內提供3個不同的恆定驅動電流，最大驅動電流可達1A。一種高精度可編程橫流驅動白光LED晶片，包括帶隙基準電壓源、可編程控制電流電路、8個相同的內部含有自動調零電路的恆流輸出和保護電路。其中，可編程控制電流電路由運算放大器和跟隨器，外接電阻以及使能信號控制的兩個管子組成。其中，自動調零電路的恆流輸出由運算放大器和功率管構成的跟隨器、功率管及開關以及兩個電阻構成。本發明的具體實施方式
請見後文所述。
圖I是設計的恆流驅動結構圖；圖2是AZT放大器基本原理圖；圖3是低失調運算放大器的電路圖；圖4是不同的溫度輸出電流ILED與ILED/ISET的圖；圖5是不同模型參數下輸出電流ILED與ILED/ISET的結果；圖6是外接電阻控制輸出電流圖；圖7是輸出電流隨電源電壓的變化圖；圖8是恆流驅動電路晶片照片；圖9是輸出電流ILED與ILED/ISET的測試結果圖。
具體實施例方式下面給出本發明的較佳的實施例，這些實施例並非限制本發明的內容。實施例I本發明提供的一種高精度可編程橫流驅動白光LED晶片的結構如圖I所示。整個晶片可以分為4個部分帶隙基準電壓源、可編程控制電流電路、8個相同的內部含有自動調零電路的恆流輸出和保護電路。可編程控制電流電路由運算放大器Al和Ml管構成的跟隨器，外接電阻RSETl，RSET2以及使能信號ENl，EN2控制的兩個管子組成。8個含有自動調零電路的恆流輸出由A2和功率管M3構成的跟隨器、M2及開關SI，S2和S3以及兩個電阻Rl和R2構成。通過設置不同的RSETl和RSET2值產生不同的電流。從結構圖上容易看出，流過LED的電流ILED為 「 n T e Va — Vos e KIset Ri — Vos
0090 I τ τ τ*ι W —.............................................................. ..............................................................................................….................................... ...........................................................................................................................
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j式中，VA是A點的電壓，VOS是運算放大器A2的失調電壓。VREF是內部基準電壓。從式⑴不難看出，驅動電流ILED大小和M2與Ml鏡像比例N、基準電壓VREF，R1和R2的比值、RSETX以及運算放大器的失調電壓有關。因此，要保證輸出電流的精度，不僅要考慮基準電壓的穩定性和電阻的匹配性，也要考慮運算放大器的失調電壓。自動調零技術(AZT)是一種採樣技術，通過對低頻噪聲和失調進行採樣，然後在運算放大器的輸入或輸出端，將它們從輸出信號的瞬時值中減去，實現對失調和ι/f噪聲的降低。由於其對寬帶白噪聲是一種欠採樣過程，會造成白噪聲的混疊，即在降低Ι/f噪聲的同時又會增大低頻端的白噪聲，因此AZT更適用於開關電容等離散信號電路。AZT包括兩個階段失調採樣階段和輸入信號處理階段。在失調採樣階段，放大器和輸入信號斷開。失調被測量並存儲在電容中。在輸入信號處理階段，放大器放大輸入信號並從輸出信號中減去前一階段存儲的失調電壓。AZT放大器基本原理圖如圖2所示。它包括基本放大器Gml，補償放大器Gm2，第二級放大器A4和反饋放大器A3，電容Ch，和兩個開關SI，S2。Ro是Gml和Gm2的輸出阻抗(I)在失調採樣階段，開關S2和b點相連，使得Gml的輸入端短接並與輸入信號斷開，因此Gml在輸入端只有失調電壓VOSl。失調電壓產生的失調電流Il為Il = GmlVosl. (2)開關SI閉合，放大器A3反饋輸出電壓到Gm2的反相端。Gm2輸出電流12為12 = -Gm2 (A3Vo_Vos2)，(3)Vo = Ro (11+12) A4, (4)Vos2是Gm2的輸入失調電壓，Vo為輸出電壓。12為電流補償基本放大器Gml的失調電流，它和輸出失調電壓方向相反並且成比例。將式(2)和式(3)代入式(4)中，可解得補償電壓VC
「如% ^ Λ A GteiRcV ml +\'c = AsVo = AsA4 -;-:；'—...........7:- ,(S)
I— A4 AjRiliiii(2)在輸入信號處理階段，開關S2和a點相連，使得Gml的輸入端和輸入信號相連，反饋迴路被斷開(SI關斷)，這時VC電壓存儲在Ch中。由於CMOS電路中開關用MOS管實現，在輸入信號處理階段，AZT剩餘的失調電壓分析必須考慮開關轉換時溝道電荷注入效應。當開關SI關斷時，溝道電荷部分注入到節點VC，改變了 Ch存儲的電壓。電壓變化為$Vc = qinj/Ch. (6)在輸入信號處理階段輸出電壓為V6= GwE0AiVi+ A4........- AiGfciRa ·( )
i- (_fcR#A;A4O/Vi是輸入信號。剩餘的失調電壓VOSres為差分輸入信號為零時輸出的電壓。
τ 』 _I h· O _"V ClSl 'VoS2C|25i/ L 」O ·(8)從式(8)中可見，Gml失調電壓減小到I/(GmlRoA3A4)，Gm2放大器的失調電壓減小到 l/(Gm2RoA3A4)。發明人提出的低失調運算放大器的電路圖如圖3所示。2級跨導Gml和Gm2分別由2個差分對構成，Gml由MPl和MP2實現，Gm2由摺疊式共源共柵對MP3，MP4和麗3，MN4構成。輸入信號通過第二級MN5和MN6放大輸出。失調電壓再經過第三級麗7和MN8放大，通過跟隨器MN9存儲在Chl電容上。Gm2的正相端MP4的柵沒有接地，使得正相端和反相端有同樣的共模信號。偏置電路由管子MP5 MP16構成，VBl和VB2是外接的偏置信號。Rl和Cl構成米勒補償電路。為了進一步減小電荷注入，所有的開關可以用傳輸門來實現。基於Hynix O. 16Lm CMOS工藝。圖4是電源電壓為316V，設計的恆流源N = 2，Rl=6128, R2 = 38, VREF = 1122V，不同溫度下輸出電流ILED與ILED/ISET的仿真結果。圖5是溫度為室溫時在不同的模型參數下輸出電流ILED與ILED/ISET的結果。圖4中ILED/ISET的最大值是3273，最小值是3245 ;圖5中最大值是3271，最小值是3242。在不同的溫度和不同的模型參數下變化了 16%。電流精度為O. 1049%。圖6是通過外接電阻RSETI，RSET2控制供給LED的電流，最大輸出電流可達IA。圖7是輸出電流隨電源電壓變化的仿真結果。當電源電壓在219V和417V之間變化時，輸出電流從798mA到80117mA變化，變化了 317mA，相對變化小於O. 146%。圖8是晶片的照片。由於輸出驅動電流較大，而每個壓焊點金絲承受電流應力有限，用了 8路恆流驅動電路並聯，每路提供最大電流為125mA。圖8中實線圍住的部分是其中I路含有自動調零電路的恆流驅動電路，它含有自動調零運算放大器和I個功率M0SFET。25個樣片輸出電流ILED與ILED/ISET的測試結果如圖9。ILED/ISET的值在3314與3165之間。電流精度為21.3%。測量值大於仿真值，是因為基準電壓變化較大，最小值11205V，最大值 11255V。表I是對樣片和ILED有關參數的測試結果。ILED漏失電壓隨著驅動電流的增加而增大，驅動電流200mA時，漏失電壓115mV。過流檢測電流ISET不能超過330LA，大於330LA時，過流保護電路使得驅動輸出電流ILED為O。表I 測試結果(VIN = 316V, Ta = 25e，LED 外接 5V 電壓)
權利要求
1.ー種高精度可編程橫流驅動白光LED晶片，包括帶隙基準電壓源、可編程控制電流電路、8個相同的內部含有自動調零電路的恆流輸出和保護電路。
2.如權利要求I所述的LED晶片，其特徵在於，可編程控制電流電路由運算放大器和跟隨< 器，外接電阻以及使能信號控制的兩個管子組成。
3.如權利要求I所述的LED晶片，其特徵在幹，自動調零電路的恆流輸出由運算放大器和功率管構成的跟隨器、功率管及開關以及兩個電阻構成。
全文摘要
本發明提出一種高精度可編程橫流驅動白光LED晶片。內部電路採用自動調零技術減小了運算放大器的失調電壓，極大的提高了輸出電流精度。調節外接電阻的大小，可提供不同的恆定驅動電流，最大驅動電流可達1A。當驅動電流從200mA變化到800mA時，ILED/ISET的變化小於213％，電源電壓跳變10％的情況下，驅動電流變化小於0.146％。
文檔編號H05B37/02GK102843817SQ20111017434
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者由磊, 戴文慧 申請人:上海邊光實業有限公司