一种LED过温调节电路设计

摘要：本文设计了一种LED过温调节电路，芯片内部温度达到过温调节起始温度时，进入过温调节保护，功率管的关断时间随温度上升而增大，从而降低功率管的平均电流，以达到降低芯片温度的目的，过温调节保护时LED电流也随温度升高而降低，因此看到LED亮度在过温调节时随温度升高而变暗，取代了传统带迟滞的过温保护交替进入保护和工作状态引起的灯闪烁现象。本电路设计采用CSMC 0.8um BCD工艺，用Hspice进行仿真验证，过温调节温度从140℃到155℃。

关键词：过温保护 LED 过温调节关断时间

中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0146-02

开关电源芯片中，虽然相比于线性电源具有很高的效率，很低的功耗，但由于开关功率管仍然有导通损耗，以及开、关过程中功率管开关损耗，特别是高频时，还是会使芯片内部温度升高较大，随着功耗的增加，芯片内部的温度也会变得很高，达到器件结温时会使元器件失效[1]，且高温时，失效率呈指数规律增加，导致可靠性下降，因此除了降低芯片功耗外，芯片内部通常采取过温保护避免元器件永久性损坏或增加可靠性。

传统LED过温保护电路采用滞回温度保护，在温度达到过温保护高阈值时，将功率管关断，待温度低于过温保护低阈值电压时解除保护状态，继续工作[2-3]，因此当芯片过温发生反复关断会看到LED闪烁。目前市场上的LED照明产品多采用临界导通模式控制恒流，通过检测退磁结束来产生开启功率管的信号，一般采用PWM或PFM控制模式，本文设计的一种应用于LED过温调节电路以PWM控制模式为例。

1 过温调节基本原理

本文设计的LED过温调节电路属于LED温度保护功能，是当温度达到过温调节温度的起始温度点Tst时，开始对功率管平均电流进行调节，温度越高，功率管平均电流越小，以减少功率管发热达到降低芯片温度的目的，同时LED的平均电流也会越小，也有利于灯具内部降温，因此不会像传统过温保护关断功率管，温度低于过温低阈值时退出过温保护状态重新工作，使LED发生闪烁，本文设计的LED过温调节只会在过温时LED亮度随温度升高而降低。如图1（a）所示，为临界导通模式下的电感电流，以BUCK拓扑结构为例，功率管在TON时间开启，产生热量造成芯片温度升高，功率管在退磁时间TD内关断，几乎不产生热量。过温调节原理示意图如图1（b）所示，TOTR时间为过温调节关断时间，即使退磁结束，仍然要等到经过TOTR时间才将功率管开启，电感才继续充电，相比之下过温调节关断时间更长。温度低于过温调节起始温度Tst时，一直有TOTR

因此过温调节时灯电流为：

因此可以看出高温时灯电流与过温调节关断时间TOTR成反比，工作时灯亮度随着温度升高而降低。

2 电路分析与设计

本文所设计的过温调节电路先利用内部电路对温度进行检测，再通过内部控制电路增加功率管每个周期的关断时间来减少功率管发热以保证芯片可靠性，同时也使LED平均电流下降。温度越高，功率管每周期关断时间越长，LED平均电流越小。通过降低开关功率管平均电流来减少发热，同时看到的是灯亮度随着温度的升高而减弱。

根据上述要求，因此内部电路主要分为两个部分，一是对温度的检测，二是将检测的温度转换为控制功率管关断的时间，如图2所示，我们选择二极管电压VBE来感应温度的变化，采用带负反馈的放大器来将二极管正向导通电压变化放大，以电流形式输出，输出的电流在电阻上产生的压降VOTR作为产生关断功率管时间电路的比较阈值，利用比较器检测恒定电流给电容充电电压是否达到比较阈值VOTR，产生关断功率管时间TOTR，即使退磁结束信号到来，也要等TOTR时间过后才会将功率管开启。

2.1 产生过温调节比较阈值VOTR电路

过温调节模块中检测温度和利用温度产生的比较阈值VOTR电路如图3所示，低温时VBE的电压远远大于VPTAT上的电压，但是VBE是负温度系数，约为-2mV/℃，电路的偏置电流IPTAT为正温度系数电流，虽然多晶硅电阻R1的温度系数为负温度系数，但由于其温度系数的绝对值小于IPTAT电流的温度系数，所以IPTAT电流流过R1电阻产生的电压VPTAT为正温度系数，因此在温度升高到某一点时，VPTAT会等于VBE，开始进入过温调节状态，之后随着温度的继续增高，VPTAT会大于VBE，N3管的栅极电压TCV会升高，N3管开启后，从P2抽取一路电流，因此流过R1电流减少，VPTAT有所下降，直到VPTAT电压降到与VBE电压相同，即进入过温调节后，变为一个带反馈的跨导放大器。因此温度越高，VBE电压越低，且进入过温调节后VPTAT电压跟随且等于VBE电压，TCV直流电压越高，N3管的电流越大，N4管按一定比例1：m镜像N3管电流，然后通过P7和P8组成的电流镜按一定比例1：n镜像，P8的电流流过R2电阻产生电压VOTR，所以，VOTR的压随温度上升而增大。图3中EN为使能信号，EN=0时，P9管将P1管栅极拉到VDD，N5将N3和N4栅极拉到地，N6将TCV电压拉到地，将此电路关断。

从图3中可以看出，当电路进入过温调节状态后有：

正温度系数电流IPTAT由基准产生，通常为IPTAT=ΔVBE/R3，且R1、R2、R3匹配，且R2/R3=k1，R2/R1=k2，那么有：

其中h1=m*n*k1，h2=m*n*k2。VBE的温度系数约为-1.5mV/℃，ΔVBE的温度系数约为+0.087mV/℃[4]。实际上ΔVBE并非线性，但可认为VOTR的温度系数近似为线性，温度系数为（0.087*h1+1.5*h2）mV/℃，其中h1=mn*k1，h2=mn*k2。那么VOTR的温度系数可以通过调节m、n、R1、R2来进行调节，但通常情况下式调节m和n值以及R2，这是因为R1电阻主要是用来设定VPTAT=VBE的起始温度点，也就是过温调节的起始温度。

2.2 产生TOTR时间电路

考虑到TOTR的时间在高温时比较长，因此需要用到较大的电容，较小的充电电流。如图4所示，采用零温度系数电流IZCT通过电流镜P0镜像到P1，给电容C0充电，P2和N0为开关管，EN信号为使能信号，EN=1时，N0栅极电压为高，将电容C0上的电压拉低；EN=0时，若开关功率管导通时，即PGATE=1时，N0栅极电压为高，将电容C0上的电压拉低，PGATE=0时，P2栅极电压为0，因此P2导通，N0管关断，P1管电流通过开关管P2给电容C0充电，C0电容电压从0V开始线性上升，达到VOTR电压时，产生TOTR=1信号，因此TOTR时间为从开关功率管关断到TOTR=1信号产生，常温时，TOTR时间小于芯片最小退磁时间TDMIN，因此也小于退磁时间TD，所以常温时仍然是临界导通模式，随着温度升高，达到过温调节其实点Tst时，TOTR开始慢慢变长，若TOTR>TD，则进入断续模式，等到TOTR=1，才将开关功率管开启，同时也进入过温调节保护。对于不同的应用TD不同，因此对于不同应用，TOTR>TD的温度也不同，因此观察到的LED灯亮度降低的温度稍有不同。为了使芯片工作更加可靠安全，增加了OTP保护作为一个过温底线保护，即温度到达155℃时关断功率管，但有过温调节保护，环境温度不太高的时候通常不会达到过温关断温度。

3 仿真结果

对于产生过温调节比较阈值VOTR电路进行直流仿真结果如下，依次为VPTAT&VBE、IN4电流，VOTR电压和OTP信号随温度的仿真结果图5所示。

从图5中可以看出过温调节温度从140℃到155℃，且进入过温调节后VPTAT电焊随且等于VBE电压，且IN4电流和VOTR电压皆随温度升高而增大，当温度达到155℃时产生OTP=1过温关断信号，此时过温关断OTP信号作为过温保护的“底线”。在过温调节温度140℃～154℃，对过温调节电路进行整体瞬态仿真，得到过温调节时各温度对应的比较阈值电压VOTR和过温调节关断时间TOTR，对应关系如表1所示，其中140℃为过温调节的起始温度点。

根据表1描绘过温调节关断时间TOTR时间随温度变化曲线如图6所示，从图6可见TOTR时间和高温时的温度基本成线性关系。

4 结语

本文所设计的一种LED过温调节电路从140℃开始进行过温调节，芯片结温在140℃到155℃时，芯片过温调节产生的TOTR时间随温度为线性关系，能有效降低功率管平均电流，保证芯片工作时的可靠性。取代传统LED过温时交替进入过温和工作状态导致的LED闪烁，使芯片在过温时灯电流降低，亮度变暗，不会发生闪烁。

参考文献

[1]邹雪域，邵轲，郑朝霞，陈松涛.开关电源芯片中过温保护技术的研究和实现[J].微电子学与计算机，2006（7）：193.

[2]张慕辉，刘诗斌，冯勇.具有滞回功能的过温保护电路[J].仪表技术与传感器，2009（2）：94-95.

[3]刘明亮，明鑫，欧雪春，等.一种带过温保护和折返电流限的LDO设计[J].微电子学，2011（3）：411-415.

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

收稿日期：2016-09-05

作者简介：岑晨（1985―），女，天津人，本科，毕业于江南大学，上海交通大学在职工程硕士，资深版图工程师，研究方向：模拟集成电路设计。