專利名稱：一種可調(diào)恒流源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于功率集成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率線性可調(diào)恒流源的設(shè)計。
背景技術(shù)：
LED (Light Emitting Diode),發(fā)光二極管,是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。典型LED驅(qū)動器方案包括電阻、線性LED驅(qū)動器、開關(guān)LED驅(qū)動器及創(chuàng)新的照明管理LED驅(qū)動器等。一般而言，根據(jù)應(yīng)用中LED電流大小的不同，在20到200mA的低電流應(yīng)用中，可以選用分立元件(即電阻)或線性驅(qū)動方案；在200至500mA的中等電流
應(yīng)用中，可以選用線性或開關(guān)驅(qū)動器方案；而在大于500mA的大電流應(yīng)用中，一般選擇開關(guān)驅(qū)動器方案?，F(xiàn)有的應(yīng)用于200至500mA的大功率線性恒流源如圖I所示，包括放大器EA0、功率晶體管MO、檢測電阻單元Rs，具體連接關(guān)系為檢測電阻的一端接地，另一端接在N型功率晶體管MO的第二導(dǎo)通極，并連到放大器EA的反相輸入端。放大器EA的同相輸入端連接到參考電壓Vctrl，放大器EA的輸出端接在功率晶體管MO的控制極。功率晶體管MO的第二導(dǎo)通極接在負載(可以是LEDs)的第二端口，負載(可以是LEDs)的第一端口接到VCC0這樣的技術(shù)方案要實現(xiàn)調(diào)光功能就須調(diào)節(jié)Vctrl的電壓值，當Vctrl電壓很低，即恒流源的電流值至較小時，功率晶體管的壓降將會大增，使得恒流源效率降低；同時該技術(shù)方案若用在PWM調(diào)節(jié)的情況下，利用放大器EA進行功率晶體管MO電流的調(diào)制，在一定的電流前提下，PWM的頻率將提不上去，這樣就限制了恒流源的應(yīng)用范圍，例如應(yīng)用在LED恒流時會出現(xiàn)頻閃的情況，同時該方案中外接的參考電壓增加了外圍電路的復(fù)雜性，并且由于工藝條件的限制，之前較早應(yīng)用該方案的工藝多數(shù)是BJT或者CMOS，BJT工藝條件下，實現(xiàn)低功耗需要其他方面的折中考慮，例如降低電路的速度，若要實現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)，功率晶體管MO的第一導(dǎo)通極需要保證足夠的耐壓，CMOS工藝下將無法實現(xiàn)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的功率線性恒流源存在的上述問題，提出了一種可調(diào)恒流源。本實用新型技術(shù)方案為一種可調(diào)恒流源，包括基準電壓單元、PWM單元、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第七晶體管，第一電阻單元、第二電阻單元，第一放大器和第二放大器，功率晶體管和檢測電阻單元，其中，基準電壓單元用于產(chǎn)生基準電壓，PWM單元用于產(chǎn)生PWM信號；具體連接關(guān)系為檢測電阻的一端接地，另一端接在功率晶體管的第二導(dǎo)通極，并連到第二放大器的反相輸入端，第二放大器的輸出端與第七晶體管的控制極和第六晶體管的控制極相連接，第二導(dǎo)通極接在第一電阻單元的第一端口，第一電阻單元的第二端口接在第二電阻單元的第一端口，第二電阻單元第二端口接地，同時第一電阻單元的第二端口接在第二放大器的同相輸入端，第七晶體管的第二導(dǎo)通極連接到第一放大器的反相輸入端，基準電壓單元的輸出端接在第一放大器的同相輸入端，第六晶體管的第二導(dǎo)通極與第四晶體管的第一導(dǎo)通極相連接，PWM單元的輸出端與第一晶體管的控制極和第二晶體管的控制極相連，第一晶體的第一導(dǎo)通極連接到第一放大器的輸出端，第二導(dǎo)通極接地；第二晶體管的第二導(dǎo)通極接地，第一導(dǎo)通極接在第三晶體管的控制極和第二導(dǎo)通極，第三晶體管的第二導(dǎo)通極接地，外部的參考電流源輸入到第三晶體管的控制極；第三晶體管的控制極和第四晶體管的控制極相連，第四晶體管的第一導(dǎo)通極連接在第五晶體管的控制極，第五晶體管的第一導(dǎo)通極、第六晶體管的第一導(dǎo)通極和第七晶體管的第一導(dǎo)通極均與外部的第一電壓源相連，第二導(dǎo)通極接在第一放大器的輸出端和功率晶體管的控制極，功率晶體管的第二導(dǎo)通極作為所述可調(diào)恒流源的輸出端。進一步的，所述PWM單元包括第三比較器、第四比較器、第五比較器，第三電阻單元、第一電容、RS觸發(fā)器、第九晶體管，具體連接關(guān)系為第三電阻單元的第一端口和第三比較器的反相端相連接并同時與外部的基準電壓相連，第二端口與第一電容的第一端口相連接，第一電容的第二端口接地，第一電容的第一端口又同時與第三比較器的同相端、第四比較器的反相端、第九晶體管的第一導(dǎo)通極和第五比較器的反相端相連接，第四比較器的同相端接地；第三比較器的輸出端接在RS觸發(fā)器的S端，第四比較器的輸出端接在RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器的輸出端接在第九晶體管的控制極，第九晶體管的第二導(dǎo)通極接地，第五比較器的同相端接外部的參考電壓，第五比較器的輸出端即為所述PWM單元的輸出端。本實用新型的有益效果是本實用新型的可調(diào)恒流源通過功率晶體管及其串聯(lián)的電流檢測電阻單元構(gòu)成基本的恒流核心單元；第二放大器將檢測電阻單元上與電流對應(yīng)的電壓放大；第一放大器將第二放大器的輸出電壓與參考電壓比較，誤差電壓被放大后，驅(qū)動功率晶體管的柵極電壓；基準電壓單元為第一放大器提供所需的參考電壓；電壓控制的PWM單元實現(xiàn)恒流源的調(diào)節(jié)電流功能；通過在恒流源負反饋中建立一條低功耗快速的大信號控制通路提高了第一放大器的大信號響應(yīng)速度，從而提高了恒流源的大信號響應(yīng)速度。

圖I是現(xiàn)有的恒流源實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新型的可調(diào)恒流源的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本實用新型實施例的PWM單元的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明。本實用新型的可調(diào)恒流源的結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示，包括基準電壓單元、PWM單元、晶體管Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7，電阻單元Rl、R2，第一放大器AI和第二放大器A2，功率晶體管M8和檢測電阻單元Rs，其中，基準電壓單元用于產(chǎn)生基準電壓，PWM單元用于產(chǎn)生PWM信號;具體連接關(guān)系為檢測電阻的一端接地，另一端接在N型功率晶體管M8的第二導(dǎo)通極，并連到第二放大器A2的反相輸入端，第二放大器A2的輸出端與晶體管M7的控制極和晶體管M6的控制極相連接，晶體管M7的第一導(dǎo)通極與外部的第一電壓源VDD相連，第二導(dǎo)通極接在電阻單元Rl的第一端口，電阻單元Rl的第二端口接在R2的第一端口，電阻單元R2的第二端口接地，同時電阻單元Rl的第二端口接在第二放大器A2的同相輸入端，晶體管M7的第二導(dǎo)通極連接到第一放大器Al的反相輸入端，基準電壓單元的輸出端接在第一放大器Al的同相輸入端，M6的第一導(dǎo)通極接在外部的第一電壓源VDD，第二導(dǎo)通極與晶體管M4的第一導(dǎo)通極相連接。PWM單元的輸出端與晶體管Ml的控制極和晶體管M2的控制相連，Ml的第一導(dǎo)通極連接到第一放大器Al的輸出端，第二導(dǎo)通極接地。晶體管M2的第二導(dǎo)通極接地，第一導(dǎo)通極接在晶體管M3的控制極和第二導(dǎo)通極，M3的第二導(dǎo)通極接地，外部的參考電流源Iref輸入到M3的控制極和第一導(dǎo)通極；M3的控制極和M4的控制極相連，M4的第一導(dǎo)通極連接在晶體管M5的控制極，M5的第一導(dǎo)通極與外部的第一電壓源VDD相連，第二導(dǎo)通極接在第一放大器Al的輸出端和功率晶體管M8的控制極，M8的第二導(dǎo)通極作為所述可調(diào)恒流源的輸出端。其中，功率晶體管M8和電阻單元Rs的連結(jié)組成了恒流核心單元，晶體管M3、M4、M5、M6的連結(jié)構(gòu)成電流比較器。參考電流源Iref是在uA級，從而降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗。這里的，功率晶體管M8具體為N型功率晶體管。這里，外部的第一電壓源VDD還需要為第一放大器Al和第二放大器A2供電，外部的第二電壓源VCC為基準電壓單元供電。在實際應(yīng)用中，VDD可以通過VCC降壓后提供，也可以由其它方式提供。需要說明的是這里的第一導(dǎo)通極可以這樣理解，對于N型M0SFET，具體指代其漏極；對于N型BJT的功率器件，具體指代其集電極，對于P型M0SFET，具體指代其源極；對于P型BJT的功率器件，具體指代其發(fā)射極。這里的第二導(dǎo)通極可以這樣理解，對于N型M0SFET，具體指代其源極；對于N型BJT,具體指代其發(fā)射極，對于P型M0SFET，具體指代其漏極；對于P型BJT，具體指代其集電極。這里利用PWM單元產(chǎn)生的PWM信號控制恒流源的負反饋環(huán)路的工作情況，使得負載上的電流被PWM信號調(diào)制，從而調(diào)節(jié)恒流值，其控制通路由PWM單元、晶體管Ml、晶體管M2的連接實現(xiàn)。這里的可調(diào)恒流源內(nèi)需要的參考電壓通過基準電壓單元由帶隙基準提供，帶隙基準單元產(chǎn)生的電壓具有良好的溫度系數(shù)，從而保證恒流源的溫度穩(wěn)定性。基準電壓單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于本領(lǐng)域的公知常識，不再進行詳細描述。這里通過在恒流源負反饋中建立一條低功耗快速的大信號控制通路，提高恒流源的大信號響應(yīng)速度，其控制通路由晶體管M3、M4、M5、M6的連接實現(xiàn)。具體如圖2所示，恒流源負載單元的電流流入恒流核心單元中的功率晶體管M8的第一導(dǎo)通極，在恒流核心單元中的電阻單元Rs上產(chǎn)生檢測電壓，將該電壓通過第二放大器A2放大，得到的電壓與帶隙基準單元的輸出電壓相比較，差值被第一放大器Al放大，進而驅(qū)動恒流核心單元中功率晶體管M8的控制極電壓,最終構(gòu)成負反饋環(huán)路，同時第一放大器Al是復(fù)輸出，其另一輸出表征了恒流核心單元功率晶體管M8的電流大小，小于電流比較器的電流閾值時，控制晶體管M5導(dǎo)通，加速恒流核心單元的電流增加。這就實現(xiàn)了電流比較器的功能，通過建立快速通路，在PWM的上升沿時，提高了對功率晶體管M8柵極電容的充電速度。第一放大器Al是一個高阻抗輸出的放大器,這樣第一放大器Al就可以被PWM信號調(diào)節(jié)，PWM信號是通過晶體管Ml實現(xiàn)控制第一放大器Al的輸出，進而調(diào)節(jié)恒流核心單元的電流。PWM信號通過控制晶體管Ml和M2的狀態(tài)，使得第一放大器Al的輸出被PWM信號調(diào)制，進而調(diào)節(jié)恒流源的大小。圖3給出了一種PWM單元的內(nèi)部實現(xiàn)原理結(jié)構(gòu)圖。具體包括比較器A3、A4、A5，電阻單元R3、電容Cl、RS觸發(fā)器、晶體管M9，具體連接關(guān)系為電阻單元R3的第一端口和比較器A3的反相端相連接并同時與外部的基準電壓相連，第二端口與電容Cl的第一端口相連接，電容Cl的第二端口接地，電容Cl的第一端口又同時與比較器A3的同相端、比較器A4的反相端、M9的第一導(dǎo)通極和比較器A5的反相端相連接，比較器A4的同相端接地；比較器A3的輸出端接在RS觸發(fā)器的S端，比較器A4的輸出端接在RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器的輸出端接在晶體管M9的控制極，M9的第二導(dǎo)通極接地，比較器A5的同相端接外部的參考
電壓Vctrl，比較器A5的輸出端即為所述PWM單元的輸出端。這里的外部的基準電壓Vref可以由基準電壓單元提供。充電周期內(nèi)，供電基準Vref通過電阻單元R3給電容Cl充電；充到臨近電源電壓時，比較器A3產(chǎn)生正脈沖，觸發(fā)RS觸發(fā)器的S端，設(shè)置RS觸發(fā)器輸出為高；晶體管M9將電容Cl的電荷泄放。充電周期內(nèi)，電容Cl上的電荷通過晶體管M9將電荷泄放；電容電壓降到臨近GND時，比較器A4產(chǎn)生正脈沖，觸發(fā)RS觸發(fā)器的R端，設(shè)置RS觸發(fā)器輸出為低；晶體管M9關(guān)斷，電容Cl停止泄放電荷，轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。最終在電容Cl上產(chǎn)生類鋸齒波的信號，輸入到比較器A5的反相端，與外部的參考電壓Vctrl比較，在比較器A5輸出得到了 PWM信號。假設(shè)圖3中的類鋸齒波信號幅度為Vm，則占空比D = ^。圖2反饋環(huán)路中的參考
m
電壓為帶隙基準;再假設(shè)圖2中的放大器A2的放大倍數(shù)為Av，最終可以得到Isink電流表達式如下
「00311 I , =DxV f x—^—=l^xV ,x^—,
L 」SI"噸 AvRs Vm ref AvRs同時可以得到Ismk (max) = Vref X = Vref x其中，OV< Vref < Vni。從上述的式子可以看出，調(diào)節(jié)V,ef從OV到Vm之間變化時，Isink相應(yīng)地從0變化到Isink(Hiax)，兩者之間呈正比例線性相關(guān)。本實用新型的可調(diào)恒流源通過控制恒流源負反饋環(huán)路，解決了現(xiàn)有大功率線性恒流源IC不便于PWM調(diào)節(jié)的缺點；通過改善恒流源內(nèi)的參考電壓溫度穩(wěn)定性，解決現(xiàn)有大功率線性恒流源IC隨溫度變化的缺點；通過建立快速通路，解決現(xiàn)有大功率線性恒流源啟動慢的缺點。本實用新型中的恒流源可以利用高壓BCD工藝，提高耐壓，增大應(yīng)用范圍，特別適用于200至500mA電流的情況。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應(yīng)被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實用
新型實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種可調(diào)恒流源，其特征在于，包括基準電壓單元、PWM單元、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第七晶體管，第一電阻單元、第二電阻單元，第一放大器和第二放大器，功率晶體管和檢測電阻單元，其中，基準電壓單元用于產(chǎn)生基準電壓，PWM單元用于產(chǎn)生P麗信號； 具體連接關(guān)系為檢測電阻的一端接地，另一端接在功率晶體管的第二導(dǎo)通極，并連到第二放大器的反相輸入端，第二放大器的輸出端與第七晶體管的控制極和第六晶體管的控制極相連接，第二導(dǎo)通極接在第一電阻單元的第一端口，第一電阻單元的第二端口接在第二電阻單元的第一端口，第二電阻單元第二端口接地，同時第一電阻單元的第二端口接在第二放大器的同相輸入端，第七晶體管的第二導(dǎo)通極連接到第一放大器的反相輸入端，基準電壓單元的輸出端接在第一放大器的同相輸入端，第六晶體管的第二導(dǎo)通極與第四晶體管的第一導(dǎo)通極相連接，PWM單元的輸出端與第一晶體管的控制極和第二晶體管的控制極相連，第一晶體的第一導(dǎo)通極連接到第一放大器的輸出端，第二導(dǎo)通極接地； 第二晶體管的第二導(dǎo)通極接地，第一導(dǎo)通極接在第三晶體管的控制極和第二導(dǎo)通極，第三晶體管的第二導(dǎo)通極接地，外部的參考電流源輸入到第三晶體管的控制極；第三晶體管的控制極和第四晶體管的控制極相連，第四晶體管的第一導(dǎo)通極連接在第五晶體管的控制極，第五晶體管的第一導(dǎo)通極、第六晶體管的第一導(dǎo)通極和第七晶體管的第一導(dǎo)通極均與外部的第一電壓源相連，第二導(dǎo)通極接在第一放大器的輸出端和功率晶體管的控制極，功率晶體管的第二導(dǎo)通極作為所述可調(diào)恒流源的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)恒流源，其特征在于，所述的功率晶體管具體為N型功率晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)恒流源，其特征在于，所述PWM單元包括第三比較器、第四比較器、第五比較器，第三電阻單元、第一電容、RS觸發(fā)器、第九晶體管，具體連接關(guān)系為第三電阻單元的第一端口和第三比較器的反相端相連接并同時與外部的基準電壓相連，第二端口與第一電容的第一端口相連接，第一電容的第二端口接地，第一電容的第一端口又同時與第三比較器的同相端、第四比較器的反相端、第九晶體管的第一導(dǎo)通極和第五比較器的反相端相連接，第四比較器的同相端接地；第三比較器的輸出端接在RS觸發(fā)器的S端，第四比較器的輸出端接在RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器的輸出端接在第九晶體管的控制極，第九晶體管的第二導(dǎo)通極接地，第五比較器的同相端接外部的參考電壓，第五比較器的輸出端即為所述PWM單元的輸出端。
專利摘要本實用新型公開了一種可調(diào)恒流源，包括基準電壓單元、PWM單元、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第七晶體管，第一電阻單元、第二電阻單元，第一放大器和第二放大器，功率晶體管和檢測電阻單元。功率晶體管和檢測電阻單元構(gòu)成基本的恒流核心單元；通過第二放大器將檢測電阻單元上與電流對應(yīng)的電壓放大；第一放大器將第二放大器的輸出電壓與參考電壓比較，誤差電壓被放大后，驅(qū)動功率晶體管的柵極電壓；基準電壓單元為第一放大器提供所需的參考電壓；電壓控制的PWM單元實現(xiàn)恒流源的調(diào)節(jié)電流功能；通過在恒流源負反饋中建立一條低功耗快速的大信號控制通路提高了恒流源的大信號響應(yīng)速度。
文檔編號H05B37/02GK202587506SQ201220175640
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者李澤宏, 黃斌, 張仁輝, 吳明進, 任敏, 張金平, 張波 申請人:電子科技大學(xué)