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。

    过温保护电路如图2所示，LED驱动电路中V_ad、V_thermal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。

1.2 原理

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

    关断机制模块产生的V_thermal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V_a→V_b→V_c→V_a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：

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：

    由式(5)可知V_R4为PTAT电压。当V_R4没有达到M10阈值电压时，M10不导通，其电阻视为无穷大，V_ad=V_ref；当V_R4达到M10阈值电压时，M10开始导通，此时V_ad=V_ref-V_R5，又V_R4为M10的栅极电压，则I_D10为PTAT电流，使V_ad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V_ref相比较，输出经过三级反相器得到V_thermal，输出端接在M12的栅极。由V_thermal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：

    当温度降到滞回点时有关系式：

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=T_H-T_L。

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V_DD=5 V，LED供电电压V_CC=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V_ref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。

    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 ℃，V_ad的电压等于V_ref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。

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

    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。

    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。

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V_PTAT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。

参考文献

[1] 周太明，宋贤杰，周伟，等.LED-21世纪照明新光源[J].照明工程学报，2001，12(4)：37-40.

[2] 李祥，曾以成，石合地.带过温保护功能的LED恒流驱动电路设计[J].电路与系统学报，2013，18(2)：108-111.

[3] 吴俊，邹雪城，李思臻，等.一种改进的高精度低功耗过温保护电路[J].微电子学与计算机，2009，26(2)：103-106.

[4] 宋德夫，邓联文，廖聪维，等.一种高灵敏度过温保护电路的设计[J].微电子学，2015，45(5)：652-656.

[5] 石合地，曾以成，李祥.电流自动可调低功耗LED驱动电路[J].电路与系统学报，2013，18(1)：353-356，347.

[6] 石合地，曾以成，李祥.电流自适应高寿命低功耗LED驱动器[J].固体电子学研究与进展，2013，33(4)：389-393，404.

[7] 武世明，曾以成，陶亮.一种电流自适应温度的LED驱动电路[J].微电子学，2015，45(4)：465-468，473.

[8] HU Y，JOVANOVIC M M.LED driver with self-adaptive drive voltage[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(6)：3116-3125.

[9] CHIU H J，LO Y K，Chen J T，et al.A high-efficiency dimmable LED driver for low-power lighting applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(2)：735-743.

[10] 郭嘉帅，王小力.便携式系统中高效率、高精度、低噪声LED驱动电路设计研究[J].微电子学与计算机，2010，27(2)：80-84.

[11] CHEN W，HUI S Y R.Elimination of an electrolytic capacitor in AC/DC light-emitting diode(LED) driver with high input power factor and constant output current[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(3)：1598-1607.

作者信息：

崔晶晶，曾以成，夏俊雅

（湘潭大学 微电子科学与工程系，湖南 湘潭411105）