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          一種用于白光LED驅(qū)動(dòng)的電荷泵電路的設(shè)計(jì)方案

          作者: 時(shí)間:2017-10-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            0 引 言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368605.htm

            目前用于白光驅(qū)動(dòng)的升壓型電路主要有電感型DC-DC電路和電路。電感型DC-DC電路存在EMI等問(wèn)題,而電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,EMI較小,得到了廣泛的應(yīng)用。

            白光驅(qū)動(dòng)的主要有兩種類型:電壓模式和電流模式。相對(duì)于電壓模式可能造成每個(gè)亮度不匹配的缺點(diǎn),電流模式每路單獨(dú)輸出恒定電流,使亮度可以較好地匹配,而且不需要外圍平衡電阻,大大節(jié)省了空間。

            本文所提出的用于白光驅(qū)動(dòng)的電流型電荷泵電路的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案采用1.5倍壓升壓,比傳統(tǒng)的2倍壓升壓模式提高了效率,并采用數(shù)字調(diào)光方式,可提供32級(jí)灰度輸出,滿足不同場(chǎng)合的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要可分為以下部分:帶隙基準(zhǔn)電路,軟啟動(dòng)電路,振蕩器,1.5倍壓電荷泵,數(shù)字調(diào)光模塊。當(dāng)EN/SET端輸入高電平時(shí),芯片啟動(dòng),Vin經(jīng)過(guò)1.5倍壓電荷泵升壓,使輸出電壓穩(wěn)定在5 V,如果EN/SET端輸入一串脈沖后置高電平,則數(shù)字調(diào)光模塊可記錄下脈沖個(gè)數(shù),然后轉(zhuǎn)換成不同的輸出電流,實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

            

            1 1.5 倍壓電荷泵原理

            1.1 基本原理

            1.5倍壓電荷泵 原理如圖2所示,其基本控制思想如下:OSC通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路,控制S1~S7的導(dǎo)通與關(guān)斷。時(shí)序如下:第一時(shí)刻,開(kāi)通S1、S4、S6,Vin對(duì)電容C1充電,C2短接,使VC1=V1,VC2=0;第二時(shí)刻,關(guān)閉S1、S4、S6,開(kāi)通S2、S3、S5、S7,C1對(duì)C2充電,使VC1=VC2=1/2 V1,最后加上V1對(duì)C3充電,周而復(fù)始,VCUT經(jīng)過(guò)電阻分壓,與基準(zhǔn)電壓做比較,控制上端MOS管的導(dǎo)通電阻,改變充電回路的RC充電常數(shù),最終使輸出穩(wěn)定在5 V.圖3為控制脈沖時(shí)序圖,其中D1為S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào),低有效;D2為S4、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào),高有效;D3為S2、S3、S5、S7的驅(qū)動(dòng)信號(hào),低有效。為了防止時(shí)鐘饋通,驅(qū)動(dòng)電路中包含了非交疊時(shí)鐘電路。

            

            

            1.2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

            整個(gè)開(kāi)關(guān)管網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)PMOS管S1、S2、S3、S5、S7及2個(gè)NMOS管S4、S6組成,如圖4所示。以P管S1和N管S4為例,計(jì)算開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比。根據(jù)版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的要求,單個(gè)管子的寬長(zhǎng)比W/L可以設(shè)定為2.8μm/0.6μm.假設(shè)S1的寬長(zhǎng)比為x(W/L),S4的寬長(zhǎng)比為y(W/L)。本設(shè)計(jì)采用CSMC0.6 μm工藝,根據(jù)工藝及設(shè)計(jì)要求,V1=3.3 V,unCOX=50μA/V2 VTHN=0.7 V,|VTHP|=1 V,2up=un,因?yàn)?/p>

            

            其它管子的寬長(zhǎng)比也可以同理求得。由于流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流比較大,開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比很大,一般采用晶體管并聯(lián)的形式,在版圖上通常以waffle的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

            如果開(kāi)關(guān)管的襯底未與源端相接,則會(huì)產(chǎn)生襯底偏置效應(yīng),使開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生閾值損失,導(dǎo)致電荷泵電壓無(wú)法升至設(shè)定值。如圖4所示,開(kāi)關(guān)管S1、S3、S4、S5、S6的源漏端能比較容易的判斷出來(lái),S2、S7的兩端電壓高低未定,因此如果處理不妥當(dāng),會(huì)引起襯底偏置效應(yīng),本設(shè)計(jì)采用了一種方式,比較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)一個(gè)比較器對(duì)V1和Vout進(jìn)行比較,如果Vout》V1,則讓S2、S7的襯底端接Vout端,如果Vout

            

            

            2 調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)

            越來(lái)越多應(yīng)用場(chǎng)合希望白光器能夠支持LED光亮度的調(diào)節(jié)。目前調(diào)光技術(shù)主要有兩種:PWM調(diào)光、數(shù)字調(diào)光。PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式是一種利用寬、窄不同的數(shù)字式脈沖,反復(fù)開(kāi)關(guān)白光器來(lái)改變輸出電流,從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。但需要一個(gè)專用PWM口,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。本設(shè)計(jì)采用一種新型的數(shù)字調(diào)光技術(shù)。相比PWM控制有明顯的優(yōu)點(diǎn):將時(shí)序信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部的寄存器中,使數(shù)據(jù)寄存器輸出一連串的控制信號(hào),如果需要改變白光LED的亮度,則重新通過(guò)EN/SET對(duì)ROM進(jìn)行修改即可,不需要一直給EN/SET連續(xù)的PWM信號(hào)來(lái)控制白光LED的亮度,這個(gè)特性大大減輕了微處理器的負(fù)擔(dān),也減少了噪聲。

            其工作原理如下,EN/SET的第一個(gè)上升沿脈沖開(kāi)啟IC并且初始化設(shè)置LED電流到最低的549 μA.當(dāng)最終的時(shí)鐘序列輸入為想得到的亮度級(jí)別時(shí),EN/SET引腳維持高電平來(lái)維持裝置輸出電流在程序設(shè)置的級(jí)別。當(dāng)EN/SET引腳置低TOFF=480μs以后,裝置關(guān)閉。整個(gè)調(diào)光模塊可分為四大部分:延時(shí)控制,計(jì)數(shù)器,ROM,恒流源。

            (1) ROM與恒流源

            白光LED的亮度和通過(guò)它的電流成正比。本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)恒流源的方式,最大輸出為20 mA,亮度分為32個(gè)等級(jí)。如圖7所示。ROM總共為8塊,組成32×8 bit容量。恒流源由PMOS管組成,由電荷泵輸出的5 V電源供電,每個(gè)恒流源icell電流為19.6μA.恒流源具有使能端,根據(jù)ROM中的數(shù)據(jù)決定該恒流源是否有效,其中ROM輸出“0”為該恒流源有效,“1”為該恒流源無(wú)效。

            

            以第5級(jí)亮度為例,如圖8所示,EN/SET端輸入5個(gè)脈沖后保持高電平,經(jīng)過(guò)減數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出Q4~Q0數(shù)據(jù)為“11011”,ROM輸出×7~×0數(shù)據(jù)為“11110100”,即×3,×1,×0所接恒流源有效。輸出電流為:

            icell×32+icell×8+icell×4=0.863 mA

            表1列出了32級(jí)調(diào)光×7~×0的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)輸出電流。

            

            數(shù)字調(diào)光部分的仿真波形如圖9所示,32個(gè)脈沖為一個(gè)循環(huán)。

            

           ?。?) 數(shù)字延時(shí)

            本設(shè)計(jì)設(shè)置了如下功能,如果EN端輸入低電平時(shí)間超過(guò)480 us,則裝置關(guān)閉。其原理如圖10所示,其中IN為EN進(jìn)行脈沖整形后得到的波形,時(shí)序與EN相同。IN端輸入高電平時(shí),PMOS管M3導(dǎo)通,VDD對(duì)C1進(jìn)行充電,使NMOS管M5導(dǎo)通,施密特觸發(fā)器輸入被拉低,OUT端輸出低電平,芯片正常工作。當(dāng)IN端輸入低電平時(shí),M3截止,C1通過(guò)電流源M2進(jìn)行放電,使M5截止,施密特觸發(fā)器輸入被拉高,OUT端輸出高電平。放電時(shí)問(wèn)由C1的電容值和放電電流決定。仿真波形如圖11所示。在IN端輸入低電平超過(guò)478 μs后,OUT端輸處高電平,使芯片關(guān)閉。

            

            

            3 振蕩器

            本文設(shè)計(jì)一個(gè)600 kHz定頻率電流控制振蕩器,原理如圖12,首先假設(shè)Q端為“0”,則PMOS管M1導(dǎo)通,電流源通過(guò)M1向C1充電,同時(shí)PMOS管M3導(dǎo)通,R1無(wú)效,此時(shí)比較器反相端電壓VTH=VDD-R2I3,等C1兩端電壓略大于VTH時(shí),比較器輸出高電平,使Q端變?yōu)?ldquo;1”,C1通過(guò)NMOS管M2進(jìn)行放電,同時(shí)M3截止,R1與R2串聯(lián),此時(shí)比較器反相端電壓VTL=VDD-(R1+R2)I3,等到C1兩端電壓略小于VTL時(shí),比較器輸出又發(fā)生翻轉(zhuǎn),周而復(fù)始。波形通過(guò)4個(gè)反相器的整形,輸出600 kHz的方波。設(shè)I1為充電電流,I2為放電電流,T1為充電周期,T2為放電周期,則振蕩器的頻率為:

            

            調(diào)節(jié)充放電電流,使I1=I2=IC,則振蕩頻率可表示為:

            

            式中:IC為充放電電流。圖13為振蕩器輸出及C1電容上的電壓仿真波形。

            該電荷泵還包括帶隙基準(zhǔn)電路,溫度保護(hù)電路,軟啟動(dòng)電路等等,限于篇幅,在此不作累述。

            

            4 結(jié) 論

            本文分享了一個(gè)用于白光的電流型電荷泵的設(shè)計(jì)方案,周邊只使用3個(gè)小的陶瓷電容器,可驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED,單路最大輸出電流20 mA.與電壓型電荷泵相比,不同LED之間亮度匹配較好,由于不需要鎮(zhèn)流電阻,因此節(jié)省了面積。電路采用1.5×分?jǐn)?shù)倍頻模式,效率可達(dá)93%.具有32級(jí)數(shù)字調(diào)光功能,可以滿足不同需要。根據(jù)CSMC 0.6 μm工藝,通過(guò)Cadence Spectre軟件進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,該電路滿足設(shè)計(jì)方案的要求,具有較廣闊的應(yīng)用前景。



          關(guān)鍵詞: LED LED驅(qū)動(dòng) 電荷泵

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