如何在照明系統(tǒng)中實現(xiàn)LED電流的漸進啟動/停止的功能設(shè)計

采用安森美的NCP5*產(chǎn)品，在獲得精確匹配電流后，能精確驅(qū)動任何顯示屏背光或小功率手電筒中的一組四個led。由連接著IREF引腳和接地的外部電阻器設(shè)定輸出電流后，啟動引腳直接控制芯片。此輸出端提供給每個LED恒定的電流，使之在幾百微秒內(nèi)上升到設(shè)定值，借助參考引腳實現(xiàn)LED電流漸進啟動/停止。這種定制照明系統(tǒng)狀態(tài)的方法相對簡便，并已獲廣泛應(yīng)用。本應(yīng)用描述了該漸進技術(shù)相關(guān)的電路。

參考電流

輸出電流是通過設(shè)定流入外部電阻器的參考電流來設(shè)定的。如圖1所示，內(nèi)部子電路提供外部電阻600 mV的偏置電壓。IREF引腳上的電壓通過連接到NMOS M3的運算放大器U1和根據(jù)精確內(nèi)置帶隙電壓基準產(chǎn)生的600 mV參考電壓進行調(diào)節(jié)。流經(jīng)外部電阻器R2的電流通過PMOS M1 & M2產(chǎn)生鏡像，在硅片級調(diào)整M1/M2大小，獲取1:10的比例。如此，M1流過1mA時，M2漏極可產(chǎn)生10mA。

電流流經(jīng)NMOS M4/M5產(chǎn)生的電流鏡像，這兩個器件的凈比例為1:25，此時10mA可在M5漏極產(chǎn)生250mA電流。由于外部LED連接到該漏極，因而流入LED的電流即為漏極電流，且該值僅與外部電阻器設(shè)定的參考電流和M1/M5總比率的乘積有關(guān)。

顯然，子電路設(shè)計用于支持應(yīng)用中需要的參考電流水平。由于每個LED最大負載電流為25 mA，參考電流最大值為100mA。如果外部電阻器下降到5.2 kΩ以下，參考電流將下降，且LED電流不能進一步增大，參見NCP5*數(shù)據(jù)表中的公差。

上電次序

假設(shè)芯片連接到適當?shù)?a target="_blank">電源（置Vbat最小值為3V，最大值為5.5 V），啟動引腳設(shè)置為高時，內(nèi)置系統(tǒng)被啟動，參見圖2。此時，外部儲能電容充電完成前，LED無電流流過，Vout電壓必須高于正向電流產(chǎn)生前的LED Vf。另一方面，有意限制電池的啟動輸入電流，儲能電容上電壓的上升時間同樣受到限制，而啟動LED需要200ms。當然，對肉眼來說，200ms極快，同時對最終用戶來說，該照明轉(zhuǎn)瞬即逝。

另一方面，若LED關(guān)斷，或正向電流關(guān)閉，儲能電容緩慢放電：轉(zhuǎn)換器不會從零重新啟動，無需200ms也可達到LED Vf。

漸進啟動/停止過程

基本概念是當啟用信號設(shè)置為高或低時，逐漸打開/關(guān)閉LED，而不使用MCU端口上額外的輸入/輸出引腳。由于芯片未集成可編程寄存器，不可能用純數(shù)字的方法提供該功能。替代方法是采用連接內(nèi)置參考電流的模擬結(jié)構(gòu)以控制LED電流。

可以用偽鏡像結(jié)構(gòu)中的NPN晶體管開發(fā)簡單的應(yīng)用，強制參考電流按照如圖3的PSPICE模型所示流入IREF引腳。電流鏡像代表NCP5*電路，漸進功能用晶體管Q1和相連網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。電阻R2形成最大參考電流，從而實現(xiàn)LED最大正向電流流入?；旧希瑔有盘栍糜趯B接在晶體管Q1基極/接地之間的電容C1進行指數(shù)式充電。一旦電壓達到晶體管Vbe時，集電極電流流過，強制參考電流斜率根據(jù)R1/C1網(wǎng)絡(luò)達到所需的時間。最后，Q1集電極電壓受NCP5*提供的恒定電壓鉗制，參考電流為(Vref-Vcesat)/R2。一般來說，集電極/發(fā)射極壓降較?。ǚ秶?0 mV），在無高精度要求的應(yīng)用中可以忽略。

但是，計算外部電阻器時將其納入考慮范圍可適當補償這種壓降。PSPICE模型捕捉的波形展示了這種電路特性（圖4）。

可以看到，關(guān)閉時的曲線比打開時平緩，原因是兩個時間段的參考電壓有很大不同。盡管這并非關(guān)鍵性問題，但一些應(yīng)用可能需要更對稱的時序，可以將額外電阻連接到小信號二極管來實現(xiàn)。圖6根據(jù)圖5 PSPICE基本電路圖給出了波形，說明了通過接入D2和R8可以實現(xiàn)的性能。

典型應(yīng)用如圖7所示，時序可以調(diào)整，以便應(yīng)對不同的狀態(tài)。任何情況下，延遲電容（圖7電路圖中的C5）必須為陶瓷型，以減小漏電流，低成本的電解電容不適合在這應(yīng)用。如前所述，無需MCU的額外輸入/輸出即可激發(fā)漸進時序，啟動信號即可實現(xiàn)兩種功能。

另一方面，電流參考電阻（圖7電路圖中的R3）減小到5.6 kΩ時，可補償晶體管Q1的Vcesat。

圖8、圖9中的波形說明了采用Rb=1.3 MΩ/Cbe=2.2mF產(chǎn)生軟啟動時，輸出至4個LED的電流均為25 mA。當然，通過調(diào)整Rb/Cbe網(wǎng)絡(luò)可以增加或減小斜升延遲。但1.5 MΩ以上的Rb值將造成系統(tǒng)對環(huán)境噪聲敏感。如前所述，Cbe電容不可采用低成本電解電容，必須采用陶瓷型電容，以實現(xiàn)所期望的長時序。

可以采用小信號NMOS器件替代外部晶體管Q1，如BSS138。由于門極輸入不吸收電流，可以產(chǎn)生更大時延。雖然還可以采用更小的器件運行這種應(yīng)用，但必須避免所選NMOS的大Rdson造成的非受控工作電流。實際上，對于Rdson額定值為5000Ω的器件，上述參數(shù)變化較大（在整個溫度范圍內(nèi)大概為1:2），且輸出電流同時變化，使得LED亮度不均勻。因此，必須選擇Rdson較小的器件，以確保LED在正常工作中可準確控制。

另外，由于NMOS的Vt大于雙極型器件Vbe的兩倍，采用NMOS器件一般不會在開始時序上增加工作延遲：Vbe為0.6 V時，范圍在1.5 V。圖10和圖11中的PSPICE波形解釋了這種狀態(tài)。設(shè)計人員可選擇適當?shù)钠骷愋?，實現(xiàn)這種功能。

圖7所示的電路圖按照軟啟動觀點的預(yù)期進行工作，但由于EN為低時，啟動信號關(guān)閉直流/直流轉(zhuǎn)換器，停止時序突然縮短，造成其它停止時序不相關(guān)。為避免形成這樣的機制，當停止時序為關(guān)鍵問題時，應(yīng)采用額外無源網(wǎng)絡(luò)。圖12中的電路圖說明了將R/C/D網(wǎng)絡(luò)連接到EN引腳方面的改進。

當啟動信號升高時，二極管D1對電容C5快速充電，并且在EN引腳上產(chǎn)生一個可以忽略的延遲。但啟動信號降低時，情況有所不同：此時與電容C5相連的電阻R2產(chǎn)生一個延遲，使直流/直流轉(zhuǎn)換器保持足夠長時間的工作，在關(guān)閉過程中產(chǎn)生漸進的調(diào)光。如果EN引腳永久連接到高（可能為Vbat），將NMOS用作啟動/關(guān)閉系統(tǒng)，或者如圖13和圖14所示，提供一個額外控制NMOS的引腳，便獲得更精確的時序設(shè)定。