一款用于白光LED驅(qū)動(dòng)的電流型電荷泵設(shè)計(jì)方案

0、引言

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

　　白光LED驅(qū)動(dòng)的電荷泵主要有兩種類(lèi)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)LED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LED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(mǎn)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