電子設計 發表於 2019-05-15 08:12:00
採用安森美的NCP5*產品，在獲得精確匹配電流後，能精確驅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定輸出電流後，啟動引腳直接控制晶片。此輸出端提供給每個LED恆定的電流，使之在幾百微秒內上升到設定值，藉助參考引腳實現LED電流漸進啟動/停止。這種定製照明系統狀態的方法相對簡便，並已獲廣泛應用。本應用描述了該漸進技術相關的電路。
參考電流
輸出電流是通過設定流入外部電阻器的參考電流來設定的。如圖1所示，內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和根據精確內置帶隙電壓基準產生的600 mV參考電壓進行調節。流經外部電阻器R2的電流通過PMOS M1 & M2產生鏡像，在矽片級調整M1/M2大小，獲取1:10的比例。如此，M1流過1mA時，M2漏極可產生10mA。
電流流經NMOS M4/M5產生的電流鏡像，這兩個器件的淨比例為1:25，此時10mA可在M5漏極產生250mA電流。由於外部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定的參考電流和M1/M5總比率的乘積有關。
顯然，子電路設計用於支持應用中需要的參考電流水平。由於每個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*數據表中的公差。
上電次序
假設晶片連接到適當的電源（置Vbat最小值為3V，最大值為5.5 V），啟動引腳設置為高時，內置系統被啟動，參見圖2。此時，外部儲能電容充電完成前，LED無電流流過，Vout電壓必須高於正向電流產生前的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，該照明轉瞬即逝。
另一方面，若LED關斷，或正向電流關閉，儲能電容緩慢放電：轉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置為高或低時，逐漸打開/關閉LED，而不使用MCU埠上額外的輸入/輸出引腳。由於晶片未集成可編程寄存器，不可能用純數字的方法提供該功能。替代方法是採用連接內置參考電流的模擬結構以控制LED電流。
可以用偽鏡像結構中的NPN電晶體開發簡單的應用，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，漸進功能用電晶體Q1和相連網絡實現。電阻R2形成最大參考電流，從而實現LED最大正向電流流入。基本上，啟動信號用於對連接在電晶體Q1基極/接地之間的電容C1進行指數式充電。一旦電壓達到電晶體Vbe時，集電極電流流過，強制參考電流斜率根據R1/C1網絡達到所需的時間。最後，Q1集電極電壓受NCP5*提供的恆定電壓鉗制，參考電流為(Vref-Vcesat)/R2。一般來說，集電極/發射極壓降較小（範圍是50 mV），在無高精度要求的應用中可以忽略。
但是，計算外部電阻器時將其納入考慮範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。儘管這並非關鍵性問題，但一些應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體來實現。圖6根據圖5 PSPICE基本電路圖給出了波形，說明了通過接入D2和R8可以實現的性能。
典型應用如圖7所示，時序可以調整，以便應對不同的狀態。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用。如前所述，無需MCU的額外輸入/輸出即可激發漸進時序，啟動信號即可實現兩種功能。
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，可補償電晶體Q1的Vcesat。
圖8、圖9中的波形說明了採用Rb=1.3 MΩ/Cbe=2.2mF產生軟啟動時，輸出至4個LED的電流均為25 mA。當然，通過調整Rb/Cbe網絡可以增加或減小斜升延遲。但1.5 MΩ以上的Rb值將造成系統對環境噪聲敏感。如前所述，Cbe電容不可採用低成本電解電容，必須採用陶瓷型電容，以實現所期望的長時序。
可以採用小信號NMOS器件替代外部電晶體Q1，如BSS138。由於門極輸入不吸收電流，可以產生更大時延。雖然還可以採用更小的器件運行這種應用，但必須避免所選NMOS的大Rdson造成的非受控工作電流。實際上，對於Rdson額定值為5000Ω的器件，上述參數變化較大（在整個溫度範圍內大概為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，由於NMOS的Vt大於雙極型器件Vbe的兩倍，採用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，範圍在1.5 V。圖10和圖11中的PSPICE波形解釋了這種狀態。設計人員可選擇適當的器件類型，實現這種功能。
圖7所示的電路圖按照軟啟動觀點的預期進行工作，但由於EN為低時，啟動信號關閉直流/直流轉換器，停止時序突然縮短，造成其它停止時序不相關。為避免形成這樣的機制，當停止時序為關鍵問題時，應採用額外無源網絡。圖12中的電路圖說明了將R/C/D網絡連接到EN引腳方面的改進。
當啟動信號升高時，二極體D1對電容C5快速充電，並且在EN引腳上產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產生一個延遲，使直流/直流轉換器保持足夠長時間的工作，在關閉過程中產生漸進的調光。如果EN引腳永久連接到高（可能為Vbat），將NMOS用作啟動/關閉系統，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定。
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