一款应用于LED驱动的过温保护电路

摘  要： 设计了一款电压随温度自适应变化，从而使驱动电流随温度自适应变化的过温保护电路。应用于LED驱动电路，具有滞回关断的特点，在恒流输出中增加温度自适应模块，设计简单而且比较稳定。基于0.5 μm CMOS工艺，使用Cadence Spectre对电路进行仿真。仿真结果表明，基准电压精度高，温漂低，温度系数为1.6×10-5/℃；LED电路在0～65 ℃，恒定输出350 mA，输出变化范围小于0.285%；在65～108 ℃范围内变化时，电流输出自适应范围为85 mA；在温度达到110 ℃时，关断信号为高电平，电路关断输出，直到温度下降到60 ℃时，电路重新开启。

    关键词： 恒流输出；温度自适应；滞回关断；LED驱动；过温保护

    中图分类号： TN432

    文献标识码： A

    DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.010


    中文引用格式： 崔晶晶，曾以成，夏俊雅. 一款应用于LED驱动的过温保护电路[J].电子技术应用，2017，43(6)：41-44.

    英文引用格式： Cui Jingjing，Zeng Yicheng，Xia Junya. Design of a circuit with overtemperature protection apply to LED driver[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：41-44.

0 引言

    LED是半导体发光二极管，作为发光源光效高、耗电少、寿命长、环保，是新一代绿色节能光源，因而被广泛推广使用[1]。LED的正常工作需要合适的驱动电源，目前LED的缺陷往往是驱动电源的寿命不够长，原因基本上是驱动芯片过热导致其受损。虽然高质量的驱动电路要全面考虑各种保护措施及其有效性，但过温保护是最基本的。过温保护LED驱动电路主要有以下几种：(1)过温即关断的方式[2]，电路频繁关断导通，容易发生热振荡，如LED用于道路照明，易引发事故；(2)滞回关断过温保护的LED驱动电路[3-4]，这种方案设计的电路没有温度自适应模块，容易使温度持续升高，影响电路工作寿命；(3)带自适应的过温保护电路[5-6]，这种电路比较适合照明，但是该电路没有过温滞回关断电路，若有不可控因素使温度过高，则不能保护电路；(4)文献[7]设计的电路比较新颖，能够有效避免上述3种传统电路的缺点，但是其自适应调控电路设计较为复杂，而且PTAT电流电路的M7、M8管两端源极电压在实际应用中由于晶体管之间的不匹配，并不能保持理想的等式。

    基于以上分析，设计一款应用于LED驱动的新型温度自适应滞回关断过温保护电路，电路在恒流输出中增加温度自适应模块，抑制温升，防止温度过高，即使有不可控因素使温度过高，亦能保护电路，防止电路发生热振荡，电路设计相对简单，而且稳定可靠。

1 LED驱动电路设计及原理分析

1.1 LED驱动电路设计

    LED驱动电路如图1所示。正常温度时，电路恒流输出；当温度升高到温度调控点时，自适应调控电路发挥作用，LED驱动电流随着自适应电压的减少而减少，从而减少功率，热量产生减缓，达到温度负反馈的效果；当不可控因素使得温度过高，即达到预设的过温点时，电路立即关断，保护电路。恒流输出中增加温度自适应模块，有效抑制温升，采用电流镜输出，提高驱动效率。

wdz2-t1.gif

    过温保护电路如图2所示，LED驱动电路中Vad、Vthermal即为过温保护电路中的温度自适应调控模块和滞回关断模块。

wdz2-t2.gif

1.2 原理

    利用自适应电压和R7确定温度自适应电流Iad，通过调节M27、M28的宽长比，进而调节LED驱动电流ILED。根据运放的钳位作用，V+和V-相等，那么自适应电流为：

wdz2-gs1-2.gif

    关断机制模块产生的Vthermal电压接在M25的栅极，控制LED驱动电路的通断。

    在温度小于自适应调控温度时，自适应调控电压等于基准电压，电流恒定输出为350 mA；当温度大于自适应调控温度小于过温保护温度时，自适应调控电压小于基准电压，温度自适应调控模块发挥作用，电流逐渐减小的同时抑制温升；当温度达到过温保护点时，M25导通，M26栅压拉低，M26关断，LED电路不工作，从而达到保护LED灯的作用；当温度降回到温度滞回点时，电路重新开启。

2 过温保护电路各模块设计

    过温保护电路各模块电路图如图2所示，主要包括以下几个部分：PTAT电流源及电压基准电路、电压随温度自适应调控电路、温度判决及滞回关断电路。

2.1 电压基准电路及PTAT电流源

    图2中，由M0～M7、R0～R2、Q0构成PTAT电流源及电压基准电路模块。MOS管M0～M5的电路结构形成了Va→Vb→Vc→Va负反馈环路，从而提高PSRR，减小电源电压变化对电流源的影响。

    由于M5和M1工作在亚阈值区，M5与M1的宽长比之比为K，根据亚阈值区MOS管源漏极电流表达式可以推导出：

wdz2-gs3.gif

2.2 电压随温度自适应调控电路

    电压随温度自适应电路由图2中镜像基准电压、M9、M10、R4、R5组成。M9与M0构成电流镜，M9与M0的宽长比之比为r，其M9漏极电流大小为：

wdz2-gs4-5.gif

    由式(5)可知VR4为PTAT电压。当VR4没有达到M10阈值电压时，M10不导通，其电阻视为无穷大，Vad=Vref；当VR4达到M10阈值电压时，M10开始导通，此时Vad=Vref-VR5，又VR4为M10的栅极电压，则ID10为PTAT电流，使Vad为CTAT电压，是随温度逐渐减小的电压，利用自适应电路降低功率，抑制温升，从而保护电路。

2.3 温度判决及滞回关断过温保护电路

    温度判决及滞回关断模块电路如图2中所示，通过PTAT电压与基准电压Vref相比较，输出经过三级反相器得到Vthermal，输出端接在M12的栅极。由Vthermal控制M12的工作，当有不可控因素使得温度过高时，M12导通，只有当温度降回到比过热温度还低的情况下电路才能重新开始工作，从而产生滞回关断的作用，避免产生热振荡的现象。利用MOS管M11、M12实现温度滞回特性，通过调节M11的宽长比可以调节温度滞回区间大小。

    当温度达到过温关断点时有关系式：

    wdz2-gs6-7.gif

    当温度降到滞回点时有关系式：

wdz2-gs8-9.gif

其中n6、n7、n11分别为M6、M7、M11与M0的宽长比之比。

    由式(7)、式(9)可得温度滞回区间大小即为ΔT=TH-TL。

3 仿真与结果分析

    电路基于CSMC 0.5 μm工艺，在标准芯片驱动电压VDD=5 V，LED供电电压VCC=10 V的情况下，利用Cadence Spectre对设计电路进行仿真验证。

    图3所示为Vref基准电压随温度变化的特性曲线，从图中曲线可以看出，当温度从0 ℃变化到120 ℃，基准电压保持恒定输出为1.25 V，温度系数为1.6×10-5/℃，因此电路具有良好的抑制温漂能力。

wdz2-t3.gif

    图4所示为电压随温度自适应变化的曲线。当温度小于64.9 ℃，Vad的电压等于Vref的电压，即为1.25 V；当温度大于64.9 ℃，电压随温度自适应变化，电压逐渐减小，从而减少功耗，抑制温升。图中可以看出，电路具有很好的电压自适应特性。

wdz2-t4.gif

    图5所示为Vref基准电压与VPTAT电压的仿真特性图。图中标记为×的曲线为Vref温度特性曲线，实线为温度升高时VPTAT电压随温度变化曲线，虚线为温度下降时VPTAT随温度的变化曲线。

wdz2-t5.gif

    图6所示为滞回关断过温保护电路随温度变化的曲线图。从图中可以看出，在110 ℃时滞回输出电路从低电平跳变为高电平；当温度降回60 ℃时，滞回输出从高电平跳变回低电平。关断温度与开启温度之间有50 ℃的迟滞温差，可以保证良好的温度滞回特性。

wdz2-t6.gif

    图7所示为LED驱动电流随温度变化的仿真曲线图。当温度在0～64.2 ℃时，电流恒定输出。当温度在64.2～108 ℃区间变化时，电流的变化范围为350～265 mA，恒流输出中增加温度自适应模块，降低功率，达到抑制温升的目的。当温度超过108 ℃时，电流突然下降，几乎为零，实现关断电路的目的。当温度重新降为60 ℃时，恢复正常工作，实现很好的温度滞回关断特性，避免电路产生热振荡。

wdz2-t7.gif

4 结束语

    应用于LED驱动电路的温度自适应过温保护电路利用基准电压与VPTAT电压相比较，产生滞回关断过温保护电路，并且设计了电压随温度升高而减小的自适应电路，在恒流输出中增加自适应，有效抑制温度上升，有一定的温度自适应范围。整个电路稳定可靠，灵敏度高，设计简单，为防止温度过高，设置温度滞回区间，避免发生热振荡，可以避免发生不必要的事故，由此可见，该电路的应用前景广阔，具有较强的实用性。

一款应用于LED驱动的过温保护电路