专利名称：一种可调恒流源的制作方法
技术领域：
本实用新型属于功率集成技术领域，具体涉及一种大功率线性可调恒流源的设计。
背景技术：
LED (Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。典型LED驱动器方案包括电阻、线性LED驱动器、开关LED驱动器及创新的照明管理LED驱动器等。一般而言，根据应用中LED电流大小的不同，在20到200mA的低电流应用中，可以选用分立元件(即电阻)或线性驱动方案；在200至500mA的中等电流
应用中，可以选用线性或开关驱动器方案；而在大于500mA的大电流应用中，一般选择开关驱动器方案。现有的应用于200至500mA的大功率线性恒流源如图I所示，包括放大器EA0、功率晶体管MO、检测电阻单元Rs，具体连接关系为检测电阻的一端接地，另一端接在N型功率晶体管MO的第二导通极，并连到放大器EA的反相输入端。放大器EA的同相输入端连接到参考电压Vctrl，放大器EA的输出端接在功率晶体管MO的控制极。功率晶体管MO的第二导通极接在负载(可以是LEDs)的第二端口，负载(可以是LEDs)的第一端口接到VCC0这样的技术方案要实现调光功能就须调节Vctrl的电压值，当Vctrl电压很低，即恒流源的电流值至较小时，功率晶体管的压降将会大增，使得恒流源效率降低；同时该技术方案若用在PWM调节的情况下，利用放大器EA进行功率晶体管MO电流的调制，在一定的电流前提下，PWM的频率将提不上去，这样就限制了恒流源的应用范围，例如应用在LED恒流时会出现频闪的情况，同时该方案中外接的参考电压增加了外围电路的复杂性，并且由于工艺条件的限制，之前较早应用该方案的工艺多数是BJT或者CMOS，BJT工艺条件下，实现低功耗需要其他方面的折中考虑，例如降低电路的速度，若要实现PWM调节，功率晶体管MO的第一导通极需要保证足够的耐压，CMOS工艺下将无法实现。
实用新型内容本实用新型的目的是为了解决现有的功率线性恒流源存在的上述问题，提出了一种可调恒流源。本实用新型技术方案为一种可调恒流源，包括基准电压单元、PWM单元、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管，第一电阻单元、第二电阻单元，第一放大器和第二放大器，功率晶体管和检测电阻单元，其中，基准电压单元用于产生基准电压，PWM单元用于产生PWM信号；具体连接关系为检测电阻的一端接地，另一端接在功率晶体管的第二导通极，并连到第二放大器的反相输入端，第二放大器的输出端与第七晶体管的控制极和第六晶体管的控制极相连接，第二导通极接在第一电阻单元的第一端口，第一电阻单元的第二端口接在第二电阻单元的第一端口，第二电阻单元第二端口接地，同时第一电阻单元的第二端口接在第二放大器的同相输入端，第七晶体管的第二导通极连接到第一放大器的反相输入端，基准电压单元的输出端接在第一放大器的同相输入端，第六晶体管的第二导通极与第四晶体管的第一导通极相连接，PWM单元的输出端与第一晶体管的控制极和第二晶体管的控制极相连，第一晶体的第一导通极连接到第一放大器的输出端，第二导通极接地；第二晶体管的第二导通极接地，第一导通极接在第三晶体管的控制极和第二导通极，第三晶体管的第二导通极接地，外部的参考电流源输入到第三晶体管的控制极；第三晶体管的控制极和第四晶体管的控制极相连，第四晶体管的第一导通极连接在第五晶体管的控制极，第五晶体管的第一导通极、第六晶体管的第一导通极和第七晶体管的第一导通极均与外部的第一电压源相连，第二导通极接在第一放大器的输出端和功率晶体管的控制极，功率晶体管的第二导通极作为所述可调恒流源的输出端。进一步的，所述PWM单元包括第三比较器、第四比较器、第五比较器，第三电阻单元、第一电容、RS触发器、第九晶体管，具体连接关系为第三电阻单元的第一端口和第三比较器的反相端相连接并同时与外部的基准电压相连，第二端口与第一电容的第一端口相连接，第一电容的第二端口接地，第一电容的第一端口又同时与第三比较器的同相端、第四比较器的反相端、第九晶体管的第一导通极和第五比较器的反相端相连接，第四比较器的同相端接地；第三比较器的输出端接在RS触发器的S端，第四比较器的输出端接在RS触发器的R端，RS触发器的输出端接在第九晶体管的控制极，第九晶体管的第二导通极接地，第五比较器的同相端接外部的参考电压，第五比较器的输出端即为所述PWM单元的输出端。本实用新型的有益效果是本实用新型的可调恒流源通过功率晶体管及其串联的电流检测电阻单元构成基本的恒流核心单元；第二放大器将检测电阻单元上与电流对应的电压放大；第一放大器将第二放大器的输出电压与参考电压比较，误差电压被放大后，驱动功率晶体管的栅极电压；基准电压单元为第一放大器提供所需的参考电压；电压控制的PWM单元实现恒流源的调节电流功能；通过在恒流源负反馈中建立一条低功耗快速的大信号控制通路提高了第一放大器的大信号响应速度，从而提高了恒流源的大信号响应速度。
图I是现有的恒流源实现的结构框图。图2是本实用新型的可调恒流源的结构框图。图3是本实用新型实施例的PWM单元的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。本实用新型的可调恒流源的结构框图如图I所示，包括基准电压单元、PWM单元、晶体管Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7，电阻单元Rl、R2，第一放大器AI和第二放大器A2，功率晶体管M8和检测电阻单元Rs，其中，基准电压单元用于产生基准电压，PWM单元用于产生PWM信号;具体连接关系为检测电阻的一端接地，另一端接在N型功率晶体管M8的第二导通极，并连到第二放大器A2的反相输入端，第二放大器A2的输出端与晶体管M7的控制极和晶体管M6的控制极相连接，晶体管M7的第一导通极与外部的第一电压源VDD相连，第二导通极接在电阻单元Rl的第一端口，电阻单元Rl的第二端口接在R2的第一端口，电阻单元R2的第二端口接地，同时电阻单元Rl的第二端口接在第二放大器A2的同相输入端，晶体管M7的第二导通极连接到第一放大器Al的反相输入端，基准电压单元的输出端接在第一放大器Al的同相输入端，M6的第一导通极接在外部的第一电压源VDD，第二导通极与晶体管M4的第一导通极相连接。PWM单元的输出端与晶体管Ml的控制极和晶体管M2的控制相连，Ml的第一导通极连接到第一放大器Al的输出端，第二导通极接地。晶体管M2的第二导通极接地，第一导通极接在晶体管M3的控制极和第二导通极，M3的第二导通极接地，外部的参考电流源Iref输入到M3的控制极和第一导通极；M3的控制极和M4的控制极相连，M4的第一导通极连接在晶体管M5的控制极，M5的第一导通极与外部的第一电压源VDD相连，第二导通极接在第一放大器Al的输出端和功率晶体管M8的控制极，M8的第二导通极作为所述可调恒流源的输出端。其中，功率晶体管M8和电阻单元Rs的连结组成了恒流核心单元，晶体管M3、M4、M5、M6的连结构成电流比较器。参考电流源Iref是在uA级，从而降低系统静态功耗。这里的，功率晶体管M8具体为N型功率晶体管。这里，外部的第一电压源VDD还需要为第一放大器Al和第二放大器A2供电，外部的第二电压源VCC为基准电压单元供电。在实际应用中，VDD可以通过VCC降压后提供，也可以由其它方式提供。需要说明的是这里的第一导通极可以这样理解，对于N型M0SFET，具体指代其漏极；对于N型BJT的功率器件，具体指代其集电极，对于P型M0SFET，具体指代其源极；对于P型BJT的功率器件，具体指代其发射极。这里的第二导通极可以这样理解，对于N型M0SFET，具体指代其源极；对于N型BJT,具体指代其发射极，对于P型M0SFET，具体指代其漏极；对于P型BJT，具体指代其集电极。这里利用PWM单元产生的PWM信号控制恒流源的负反馈环路的工作情况，使得负载上的电流被PWM信号调制，从而调节恒流值，其控制通路由PWM单元、晶体管Ml、晶体管M2的连接实现。这里的可调恒流源内需要的参考电压通过基准电压单元由带隙基准提供，带隙基准单元产生的电压具有良好的温度系数，从而保证恒流源的温度稳定性。基准电压单元的内部结构属于本领域的公知常识，不再进行详细描述。这里通过在恒流源负反馈中建立一条低功耗快速的大信号控制通路，提高恒流源的大信号响应速度，其控制通路由晶体管M3、M4、M5、M6的连接实现。具体如图2所示，恒流源负载单元的电流流入恒流核心单元中的功率晶体管M8的第一导通极，在恒流核心单元中的电阻单元Rs上产生检测电压，将该电压通过第二放大器A2放大，得到的电压与带隙基准单元的输出电压相比较，差值被第一放大器Al放大，进而驱动恒流核心单元中功率晶体管M8的控制极电压,最终构成负反馈环路，同时第一放大器Al是复输出，其另一输出表征了恒流核心单元功率晶体管M8的电流大小，小于电流比较器的电流阈值时，控制晶体管M5导通，加速恒流核心单元的电流增加。这就实现了电流比较器的功能，通过建立快速通路，在PWM的上升沿时，提高了对功率晶体管M8栅极电容的充电速度。第一放大器Al是一个高阻抗输出的放大器,这样第一放大器Al就可以被PWM信号调节，PWM信号是通过晶体管Ml实现控制第一放大器Al的输出，进而调节恒流核心单元的电流。PWM信号通过控制晶体管Ml和M2的状态，使得第一放大器Al的输出被PWM信号调制，进而调节恒流源的大小。图3给出了一种PWM单元的内部实现原理结构图。具体包括比较器A3、A4、A5，电阻单元R3、电容Cl、RS触发器、晶体管M9，具体连接关系为电阻单元R3的第一端口和比较器A3的反相端相连接并同时与外部的基准电压相连，第二端口与电容Cl的第一端口相连接，电容Cl的第二端口接地，电容Cl的第一端口又同时与比较器A3的同相端、比较器A4的反相端、M9的第一导通极和比较器A5的反相端相连接，比较器A4的同相端接地；比较器A3的输出端接在RS触发器的S端，比较器A4的输出端接在RS触发器的R端，RS触发器的输出端接在晶体管M9的控制极，M9的第二导通极接地，比较器A5的同相端接外部的参考
电压Vctrl，比较器A5的输出端即为所述PWM单元的输出端。这里的外部的基准电压Vref可以由基准电压单元提供。充电周期内，供电基准Vref通过电阻单元R3给电容Cl充电；充到临近电源电压时，比较器A3产生正脉冲，触发RS触发器的S端，设置RS触发器输出为高；晶体管M9将电容Cl的电荷泄放。充电周期内，电容Cl上的电荷通过晶体管M9将电荷泄放；电容电压降到临近GND时，比较器A4产生正脉冲，触发RS触发器的R端，设置RS触发器输出为低；晶体管M9关断，电容Cl停止泄放电荷，转入充电状态。最终在电容Cl上产生类锯齿波的信号，输入到比较器A5的反相端，与外部的参考电压Vctrl比较，在比较器A5输出得到了 PWM信号。假设图3中的类锯齿波信号幅度为Vm，则占空比D = ^。图2反馈环路中的参考
m
电压为带隙基准;再假设图2中的放大器A2的放大倍数为Av，最终可以得到Isink电流表达式如下
「00311 I , =DxV f x—^—=l^xV ,x^—,
L 」SI"吨 AvRs Vm ref AvRs同时可以得到Ismk (max) = Vref X = Vref x其中，OV< Vref < Vni。从上述的式子可以看出，调节V,ef从OV到Vm之间变化时，Isink相应地从0变化到Isink(Hiax)，两者之间呈正比例线性相关。本实用新型的可调恒流源通过控制恒流源负反馈环路，解决了现有大功率线性恒流源IC不便于PWM调节的缺点；通过改善恒流源内的参考电压温度稳定性，解决现有大功率线性恒流源IC随温度变化的缺点；通过建立快速通路，解决现有大功率线性恒流源启动慢的缺点。本实用新型中的恒流源可以利用高压BCD工艺，提高耐压，增大应用范围，特别适用于200至500mA电流的情况。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用
新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种可调恒流源，其特征在于，包括基准电压单元、PWM单元、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管，第一电阻单元、第二电阻单元，第一放大器和第二放大器，功率晶体管和检测电阻单元，其中，基准电压单元用于产生基准电压，PWM单元用于产生P丽信号； 具体连接关系为检测电阻的一端接地，另一端接在功率晶体管的第二导通极，并连到第二放大器的反相输入端，第二放大器的输出端与第七晶体管的控制极和第六晶体管的控制极相连接，第二导通极接在第一电阻单元的第一端口，第一电阻单元的第二端口接在第二电阻单元的第一端口，第二电阻单元第二端口接地，同时第一电阻单元的第二端口接在第二放大器的同相输入端，第七晶体管的第二导通极连接到第一放大器的反相输入端，基准电压单元的输出端接在第一放大器的同相输入端，第六晶体管的第二导通极与第四晶体管的第一导通极相连接，PWM单元的输出端与第一晶体管的控制极和第二晶体管的控制极相连，第一晶体的第一导通极连接到第一放大器的输出端，第二导通极接地； 第二晶体管的第二导通极接地，第一导通极接在第三晶体管的控制极和第二导通极，第三晶体管的第二导通极接地，外部的参考电流源输入到第三晶体管的控制极；第三晶体管的控制极和第四晶体管的控制极相连，第四晶体管的第一导通极连接在第五晶体管的控制极，第五晶体管的第一导通极、第六晶体管的第一导通极和第七晶体管的第一导通极均与外部的第一电压源相连，第二导通极接在第一放大器的输出端和功率晶体管的控制极，功率晶体管的第二导通极作为所述可调恒流源的输出端。
2.根据权利要求I所述的可调恒流源，其特征在于，所述的功率晶体管具体为N型功率晶体管。
3.根据权利要求I所述的可调恒流源，其特征在于，所述PWM单元包括第三比较器、第四比较器、第五比较器，第三电阻单元、第一电容、RS触发器、第九晶体管，具体连接关系为第三电阻单元的第一端口和第三比较器的反相端相连接并同时与外部的基准电压相连，第二端口与第一电容的第一端口相连接，第一电容的第二端口接地，第一电容的第一端口又同时与第三比较器的同相端、第四比较器的反相端、第九晶体管的第一导通极和第五比较器的反相端相连接，第四比较器的同相端接地；第三比较器的输出端接在RS触发器的S端，第四比较器的输出端接在RS触发器的R端，RS触发器的输出端接在第九晶体管的控制极，第九晶体管的第二导通极接地，第五比较器的同相端接外部的参考电压，第五比较器的输出端即为所述PWM单元的输出端。
专利摘要本实用新型公开了一种可调恒流源，包括基准电压单元、PWM单元、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管，第一电阻单元、第二电阻单元，第一放大器和第二放大器，功率晶体管和检测电阻单元。功率晶体管和检测电阻单元构成基本的恒流核心单元；通过第二放大器将检测电阻单元上与电流对应的电压放大；第一放大器将第二放大器的输出电压与参考电压比较，误差电压被放大后，驱动功率晶体管的栅极电压；基准电压单元为第一放大器提供所需的参考电压；电压控制的PWM单元实现恒流源的调节电流功能；通过在恒流源负反馈中建立一条低功耗快速的大信号控制通路提高了恒流源的大信号响应速度。
文档编号H05B37/02GK202587506SQ201220175640
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者李泽宏, 黄斌, 张仁辉, 吴明进, 任敏, 张金平, 张波 申请人:电子科技大学