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一種用于白光LED驅動的電荷泵電路的設計方案

作者: 時間:2017-10-27 來源:網(wǎng)絡 收藏

  0 引 言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/368605.htm

  目前用于白光驅動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等問題,而電路結構簡單,EMI較小,得到了廣泛的應用。

  白光驅動的主要有兩種類型:電壓模式和電流模式。相對于電壓模式可能造成每個亮度不匹配的缺點,電流模式每路單獨輸出恒定電流,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動的電流型電荷泵電路的設計方案。該設計方案采用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)字調光方式,可提供32級灰度輸出,滿足不同場合的要求。系統(tǒng)結構如圖1所示。主要可分為以下部分:帶隙基準電路,軟啟動電路,振蕩器,1.5倍壓電荷泵,數(shù)字調光模塊。當EN/SET端輸入高電平時,芯片啟動,Vin經過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)字調光模塊可記錄下脈沖個數(shù),然后轉換成不同的輸出電流,實現(xiàn)調光功能。

  

  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通過驅動電路,控制S1~S7的導通與關斷。時序如下:第一時刻,開通S1、S4、S6,Vin對電容C1充電,C2短接,使VC1=V1,VC2=0;第二時刻,關閉S1、S4、S6,開通S2、S3、S5、S7,C1對C2充電,使VC1=VC2=1/2 V1,最后加上V1對C3充電,周而復始,VCUT經過電阻分壓,與基準電壓做比較,控制上端MOS管的導通電阻,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為控制脈沖時序圖,其中D1為S1的驅動信號,低有效;D2為S4、S6的驅動信號,高有效;D3為S2、S3、S5、S7的驅動信號,低有效。為了防止時鐘饋通,驅動電路中包含了非交疊時鐘電路。

  

  

  1.2 實際電路設計

  整個開關管網(wǎng)絡由5個PMOS管S1、S2、S3、S5、S7及2個NMOS管S4、S6組成,如圖4所示。以P管S1和N管S4為例,計算開關管的寬長比。根據(jù)版圖設計規(guī)則的要求,單個管子的寬長比W/L可以設定為2.8μm/0.6μm.假設S1的寬長比為x(W/L),S4的寬長比為y(W/L)。本設計采用CSMC0.6 μm工藝,根據(jù)工藝及設計要求,V1=3.3 V,unCOX=50μA/V2 VTHN=0.7 V,|VTHP|=1 V,2up=un,因為

  

  其它管子的寬長比也可以同理求得。由于流過開關管的電流比較大,開關管的寬長比很大,一般采用晶體管并聯(lián)的形式,在版圖上通常以waffle的結構實現(xiàn)。

  如果開關管的襯底未與源端相接,則會產生襯底偏置效應,使開關管產生閾值損失,導致電荷泵電壓無法升至設定值。如圖4所示,開關管S1、S3、S4、S5、S6的源漏端能比較容易的判斷出來,S2、S7的兩端電壓高低未定,因此如果處理不妥當,會引起襯底偏置效應,本設計采用了一種方式,比較好地解決了這個問題。通過一個比較器對V1和Vout進行比較,如果Vout》V1,則讓S2、S7的襯底端接Vout端,如果Vout

  

  

  2 調光功能實現(xiàn)

  越來越多應用場合希望白光器能夠支持LED光亮度的調節(jié)。目前調光技術主要有兩種:PWM調光、數(shù)字調光。PWM(脈寬調制)調光方式是一種利用寬、窄不同的數(shù)字式脈沖,反復開關白光器來改變輸出電流,從而調節(jié)白光LED的亮度。但需要一個專用PWM口,同時會產生人耳聽得見的噪聲。本設計采用一種新型的數(shù)字調光技術。相比PWM控制有明顯的優(yōu)點:將時序信號存儲在內部的寄存器中,使數(shù)據(jù)寄存器輸出一連串的控制信號,如果需要改變白光LED的亮度,則重新通過EN/SET對ROM進行修改即可,不需要一直給EN/SET連續(xù)的PWM信號來控制白光LED的亮度,這個特性大大減輕了微處理器的負擔,也減少了噪聲。

  其工作原理如下,EN/SET的第一個上升沿脈沖開啟IC并且初始化設置LED電流到最低的549 μA.當最終的時鐘序列輸入為想得到的亮度級別時,EN/SET引腳維持高電平來維持裝置輸出電流在程序設置的級別。當EN/SET引腳置低TOFF=480μs以后,裝置關閉。整個調光模塊可分為四大部分:延時控制,計數(shù)器,ROM,恒流源。

 ?。?) ROM與恒流源

  白光LED的亮度和通過它的電流成正比。本設計采用并聯(lián)恒流源的方式,最大輸出為20 mA,亮度分為32個等級。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”為該恒流源無效。

  

  以第5級亮度為例,如圖8所示,EN/SET端輸入5個脈沖后保持高電平,經過減數(shù)計數(shù)器計數(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級調光×7~×0的數(shù)據(jù)及對應輸出電流。

  

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

  

 ?。?) 數(shù)字延時

  本設計設置了如下功能,如果EN端輸入低電平時間超過480 us,則裝置關閉。其原理如圖10所示,其中IN為EN進行脈沖整形后得到的波形,時序與EN相同。IN端輸入高電平時,PMOS管M3導通,VDD對C1進行充電,使NMOS管M5導通,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IN端輸入低電平時,M3截止,C1通過電流源M2進行放電,使M5截止,施密特觸發(fā)器輸入被拉高,OUT端輸出高電平。放電時問由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478 μs后,OUT端輸處高電平,使芯片關閉。

  

  

  3 振蕩器

  本文設計一個600 kHz定頻率電流控制振蕩器,原理如圖12,首先假設Q端為“0”,則PMOS管M1導通,電流源通過M1向C1充電,同時PMOS管M3導通,R1無效,此時比較器反相端電壓VTH=VDD-R2I3,等C1兩端電壓略大于VTH時,比較器輸出高電平,使Q端變?yōu)?ldquo;1”,C1通過NMOS管M2進行放電,同時M3截止,R1與R2串聯(lián),此時比較器反相端電壓VTL=VDD-(R1+R2)I3,等到C1兩端電壓略小于VTL時,比較器輸出又發(fā)生翻轉,周而復始。波形通過4個反相器的整形,輸出600 kHz的方波。設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電路,溫度保護電路,軟啟動電路等等,限于篇幅,在此不作累述。

  

  4 結 論

  本文分享了一個用于白光的電流型電荷泵的設計方案,周邊只使用3個小的陶瓷電容器,可驅動4個白光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×分數(shù)倍頻模式,效率可達93%.具有32級數(shù)字調光功能,可以滿足不同需要。根據(jù)CSMC 0.6 μm工藝,通過Cadence Spectre軟件進行了仿真,仿真結果表明,該電路滿足設計方案的要求,具有較廣闊的應用前景。



關鍵詞: LED LED驅動 電荷泵

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