如何在照明系统中实现LED电流的渐进启动/停止的功能设计

采用安森美的NCP5*产品，在获得精确匹配电流后，能精确驱动任何显示屏背光或小功率手电筒中的一组四个led。由连接着IREF引脚和接地的外部电阻器设定输出电流后，启动引脚直接控制芯片。此输出端提供给每个LED恒定的电流，使之在几百微秒内上升到设定值，借助参考引脚实现LED电流渐进启动/停止。这种定制照明系统状态的方法相对简便，并已获广泛应用。本应用描述了该渐进技术相关的电路。

参考电流

输出电流是通过设定流入外部电阻器的参考电流来设定的。如图1所示，内部子电路提供外部电阻600 mV的偏置电压。IREF引脚上的电压通过连接到NMOS M3的运算放大器U1和根据精确内置带隙电压基准产生的600 mV参考电压进行调节。流经外部电阻器R2的电流通过PMOS M1 & M2产生镜像，在硅片级调整M1/M2大小，获取1:10的比例。如此，M1流过1mA时，M2漏极可产生10mA。

电流流经NMOS M4/M5产生的电流镜像，这两个器件的净比例为1:25，此时10mA可在M5漏极产生250mA电流。由于外部LED连接到该漏极，因而流入LED的电流即为漏极电流，且该值仅与外部电阻器设定的参考电流和M1/M5总比率的乘积有关。

显然，子电路设计用于支持应用中需要的参考电流水平。由于每个LED最大负载电流为25 mA，参考电流最大值为100mA。如果外部电阻器下降到5.2 kΩ以下，参考电流将下降，且LED电流不能进一步增大，参见NCP5*数据表中的公差。

上电次序

假设芯片连接到适当的电源（置Vbat最小值为3V，最大值为5.5 V），启动引脚设置为高时，内置系统被启动，参见图2。此时，外部储能电容充电完成前，LED无电流流过，Vout电压必须高于正向电流产生前的LED Vf。另一方面，有意限制电池的启动输入电流，储能电容上电压的上升时间同样受到限制，而启动LED需要200ms。当然，对肉眼来说，200ms极快，同时对最终用户来说，该照明转瞬即逝。

另一方面，若LED关断，或正向电流关闭，储能电容缓慢放电：转换器不会从零重新启动，无需200ms也可达到LED Vf。

渐进启动/停止过程

基本概念是当启用信号设置为高或低时，逐渐打开/关闭LED，而不使用MCU端口上额外的输入/输出引脚。由于芯片未集成可编程寄存器，不可能用纯数字的方法提供该功能。替代方法是采用连接内置参考电流的模拟结构以控制LED电流。

可以用伪镜像结构中的NPN晶体管开发简单的应用，强制参考电流按照如图3的PSPICE模型所示流入IREF引脚。电流镜像代表NCP5*电路，渐进功能用晶体管Q1和相连网络实现。电阻R2形成最大参考电流，从而实现LED最大正向电流流入。基本上，启动信号用于对连接在晶体管Q1基极/接地之间的电容C1进行指数式充电。一旦电压达到晶体管Vbe时，集电极电流流过，强制参考电流斜率根据R1/C1网络达到所需的时间。最后，Q1集电极电压受NCP5*提供的恒定电压钳制，参考电流为(Vref-Vcesat)/R2。一般来说，集电极/发射极压降较小（范围是50 mV），在无高精度要求的应用中可以忽略。

但是，计算外部电阻器时将其纳入考虑范围可适当补偿这种压降。PSPICE模型捕捉的波形展示了这种电路特性（图4）。

可以看到，关闭时的曲线比打开时平缓，原因是两个时间段的参考电压有很大不同。尽管这并非关键性问题，但一些应用可能需要更对称的时序，可以将额外电阻连接到小信号二极管来实现。图6根据图5 PSPICE基本电路图给出了波形，说明了通过接入D2和R8可以实现的性能。

典型应用如图7所示，时序可以调整，以便应对不同的状态。任何情况下，延迟电容（图7电路图中的C5）必须为陶瓷型，以减小漏电流，低成本的电解电容不适合在这应用。如前所述，无需MCU的额外输入/输出即可激发渐进时序，启动信号即可实现两种功能。

另一方面，电流参考电阻（图7电路图中的R3）减小到5.6 kΩ时，可补偿晶体管Q1的Vcesat。

图8、图9中的波形说明了采用Rb=1.3 MΩ/Cbe=2.2mF产生软启动时，输出至4个LED的电流均为25 mA。当然，通过调整Rb/Cbe网络可以增加或减小斜升延迟。但1.5 MΩ以上的Rb值将造成系统对环境噪声敏感。如前所述，Cbe电容不可采用低成本电解电容，必须采用陶瓷型电容，以实现所期望的长时序。

可以采用小信号NMOS器件替代外部晶体管Q1，如BSS138。由于门极输入不吸收电流，可以产生更大时延。虽然还可以采用更小的器件运行这种应用，但必须避免所选NMOS的大Rdson造成的非受控工作电流。实际上，对于Rdson额定值为5000Ω的器件，上述参数变化较大（在整个温度范围内大概为1:2），且输出电流同时变化，使得LED亮度不均匀。因此，必须选择Rdson较小的器件，以确保LED在正常工作中可准确控制。

另外，由于NMOS的Vt大于双极型器件Vbe的两倍，采用NMOS器件一般不会在开始时序上增加工作延迟：Vbe为0.6 V时，范围在1.5 V。图10和图11中的PSPICE波形解释了这种状态。设计人员可选择适当的器件类型，实现这种功能。

图7所示的电路图按照软启动观点的预期进行工作，但由于EN为低时，启动信号关闭直流/直流转换器，停止时序突然缩短，造成其它停止时序不相关。为避免形成这样的机制，当停止时序为关键问题时，应采用额外无源网络。图12中的电路图说明了将R/C/D网络连接到EN引脚方面的改进。

当启动信号升高时，二极管D1对电容C5快速充电，并且在EN引脚上产生一个可以忽略的延迟。但启动信号降低时，情况有所不同：此时与电容C5相连的电阻R2产生一个延迟，使直流/直流转换器保持足够长时间的工作，在关闭过程中产生渐进的调光。如果EN引脚永久连接到高（可能为Vbat），将NMOS用作启动/关闭系统，或者如图13和图14所示，提供一个额外控制NMOS的引脚，便获得更精确的时序设定。