关键词：高速；恒流驱动

1 引言
     目前，LED的驱动方式有恒压和恒流两种[1-2]。恒流驱动在显示领域获得了广泛的应用。人们对LED显示屏画面质量的要求越来越高，这就要求恒流驱动芯片有很快的响应速度以满足较高的视觉刷新率，并且有平稳的输出电流以保证画面的柔和[3-5]。

      传统LED恒流驱动的通道开启时间较长，并且通道电流易发生振荡，难以应用于画面质量要求较高的场合。本文分析了传统结构中问题产生的原因，在此基础上改进了通道结构并设计了Charge Block电路，明显提高了通道的稳定性和开启速度。
2 传统电路结构与问题分析
2.1 LED恒流驱动拓扑
      图1是现今广泛使用的LED恒流驱动的典型拓扑，分为两个部分：电压产生电路VGEN和输出通道Channel 1～ Channel N[6-7]。
2.2 传统输出通道的局限
       一般情况下，应用于显示领域的LED恒流驱动芯片的单通道电流在几毫安到几十毫安，为了扩展单个通道串联LED数量，输出管MO通常采用耐压超过15V的高压管。因此，MO多由数个并联的大尺寸高压管组成。
      本设计中输出管的W/L=60/1，m=25，工艺参数TOX= 13.2nm，COX=27.2×10-4F/m2，忽略栅源和栅漏交叠电容，估算出输出管的栅极电容为：(1)
      由于高压管的交叠电容很大，过大的节点电容，会引起诸多问题。首先，该电容作为两级运放的负载，会影响系统的环路稳定性，引起通道电流振荡。其次，在通道开启时，大电容充电使输出管的栅极电压上升缓慢，从而降低通道的开启速度。
3 改进的恒流输出通道
3.1 通道结构和运放设计
      基于上述问题，本文设计了改进的恒流输出通道单元。图2是该输出通道的示意图。
      改进的输出通道中，输出不稳的问题可通过采用自补偿的共源共栅运算放大器很好的加以解决。为了解决大电容充电引起的通道开启速度慢的问题，设计了Charge Block电路。该模块在通道开启时接入电路，给输出管的栅极电容充电，加速通道开启速度；充电加速完成后，该模块可自行关断。
      改进的输出通道中包含两个环路：一个由OP3、MO和MN构成，称作外环，另一个由OP3、M2和M1构成，作为内环。通道开启时，外环导通，通道可以正常的输出电流。通道关断时，内环导通，OP3仍处于工作状态，这样做不但增强了通道中环路的稳定性，并且可以省掉通道开启时运放的建立时间而加快开启速度。通道的具体工作过程如下：
      通道开启时，S2、S3和S4闭合。S4闭合把ChargeBlock打开，给输出管的栅极电容充电，输出通道快速开启，S2、S3闭合使外环导通，产生恒流输出；通道关断时， S1、S5闭合。S5闭合可以泄放MO的栅极电荷，快速的关断输出通道，S1闭合使得运放OP3和M2形成内环。
3.2 Charge Block的设计
       通道快速开启的关键是Charge Block。在通道开启的瞬间打开，为输出管栅电容充电；在通道开启以后，为了不影响环路的稳定，该模块断开与环路的连接。实现电路如图3所示，M1、M2和M3为偏置电路。通道开启时，开关S4打开，M5产生的电流镜像到M7、M8、M9，为输出管的栅极电容充电。当栅电压VG上升到期望值时，M4导通，拉低M5的栅极电压，关断充电电流，结束充电。
     充电电流与通道开启时间的关系如式(2)所示，IOP为运放输出的电流，ICHA为快速充电电流，通过设置ICHA可以调节通道开启时间。
      应当注意，ICHA的取值应适中。ICHA过大，会使得M4来不及切断充电电流，造成输出管的栅级电压瞬间过冲；相反，ICHA过小会减缓通道的开启速度。为使本设计适应宽输出电流范围，设计了分段充电模式。将一个大的恒流输出范围分成几个小的区间，不同的区间采用不同的充电电流进行充电。
4 电路仿真结果及性能分析
       整个电路基于国内BCD工艺设计，利用HSPICE仿真平台进行仿真。
       图4为通道电流为40mA时的瞬态仿真结果。VM为通道开启的使能信号，信号在90μs有效，与此同时，Charge Block模块产生1060μA的充电电流ICHA为栅极电容CG充电，栅压VG快速上升。随后， ICHA关断，停止充电。整个过程Charge Block可以很好的工作。
     图5为通道开启时间的仿真结果。可以看出，当通道电流为40mA时，传统通道的开启时间为519ns，而改进高性能通道的开启时间仅为3.9ns，通道开启速度有了很大的提高。
5 结 论
       通过对传统LED恒流输出通道进行分析，揭示了通道电流振荡和开启速度慢的原因，并设计了改进的恒流输出单元。预充电加速电路采用分段充电模式，整个恒流区间内的通道开启时间稳定在4ns左右，可以有效减小电流尖峰。通道的开启速度比传统结构提升了10倍以上。该恒流输出设计已成功应用于深圳齐普光电的LED恒流驱动控制系统中。