（光学工程专业论文）18通道恒流led驱动器的设计研究.pdf

i 删y 脚1 删7 脚1 舢6 删1 胂舢2 f 2 脚 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：杰堑堇日期：硼o 年乡月彭日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔盘堇导师签名：二碰 日期：2 o o 年乡月工舌日 心 摘要 摘要 在人们日益关注环境与能源的今天，发光二极管( l e d ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 因为有着寿命长、耗能低、污染小等优点，必将代替传统光源成为新一代绿色光 源。l e d 在背光源、显示屏和装饰照明等方面的广泛应用，推动了l e d 驱动芯片 的研究与发展。各种新型的l e d 驱动芯片不断被提出以满足市场的需求，l e d 驱 动芯片的设计已经成为研究热点。 本论文设计了一种1 8 通道恒流l e d 驱动芯片，主要用于室内外l e d 显示屏， 走字屏和l e d 装饰照明系统。芯片中包含了1 4 4 位串行移位寄存器，数据锁存器， 带隙基准源，内部振荡器和高压可编程恒定电流输出驱动级，采用了c s m c ( c s m c ， c h i n as e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc o r p o r a t i o n ) 0 5 1 m ac m o s 工艺制造。芯片的工 作电压为3 3 v 5 5 v ，输出驱动级可以承受高达4 0 v 的输出电压，有1 8 路恒定电 流的输出，同时输出电流精度高，同一芯片各通道间的输出电流匹配度可达到士2 ， 不同芯片之间的输出电流匹配度可达到士4 。每个通道可输出高达3 0 m a 的恒定电 流。芯片采用了8 位p w m ( p w m ，p u l s ew i d em o d u l a t i o n ) 脉宽调制，可以实现 2 5 6 级l e d 灰度调节，并且具有过温保护功能。 本论文完成的工作主要包括了： 1 、在研究了大量l e d 驱动芯片设计的基础上，提出了具体设计指标、系统整 体电路结构及工作原理。 2 、对芯片中一些重要的子电路模块进行了详细介绍，包括基本工作原理、电 路结构，并在此基础上提出了性能更优的新型电路，采用c a d e n c e 的s p e c t r e 对各 子电路模块进行了仿真。 3 、完成芯片的设计后，对芯片进行了整体仿真，仿真结果表明芯片可以在p w m 灰度控制下输出恒定电流，整体性能达到了设计指标。采用c s m c0 5 1 a m 工艺对 版图进行了设计，整个芯片面积仅为1 9 6 3 x 1 2 2 9 肛m z 。 4 、芯片流片后，对其进行测试的结果表明，芯片工作正常，芯片通道间电流 匹配度达到了控，芯片间电流匹配度在4 之内，最大功耗约为7 8 m w 。 关键词：l e d 驱动电路，脉宽调制，恒流驱动 - a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gl o wc a r b o nl i v i n ge r ao f21s tc e n t u l y ) e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g y r e s o u r c eh a v eb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n d u et ol i g h te m i t t i n gd i o d e l i g h t i n ga d v a n t a g e s ，e g ，l o n gl i f e t i m e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n , l o wp o l l u t i o n , i tw i l l b e c o m en e wg e n e r a t i o no fg r e e nl i g h t i n gs o u r c eb yr e p l a c i n gt r a d i t i o n a ll i g h t i n g i th a s b e e na p p l i e di nb a c k l i g h t i n g ，l e dd i s p l a y sa n dd e c o r a t i v el e dl i g h t i n gs y s t e m ，e ta 1 t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nl e dd r i v e ri sb e c o m i n ga ni m p o r t a n ti s s u e ， w h i c hi so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t si nl e dm o d u l e a l ls o r t so fn o v e lp a r e ml e d d r i v e r sh a v eb e e nd e v e l o p e dt om e e tt h en e e d so fm a r k e t n o w , t h er e s e a r c ho nl e d d r i v e rh a sb e c o m et h eh o tt o p i c i nt h i st h e s i s ，a n18c h a n n e lc o n s t a n tc u r r e n tl e dd r i v e r 谢t 1 1p r o g r a m m a b l ep w m o u t p u t sw a sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb ed e s i g n e df o ri n d o o r o u t d o o rl e dd i s p l a y sa n d d e c o r a t i v el e dl i g h t i n gs y s t e m t h ec h i pc o n t a i n s14 4b i t ss e r i a ls h i rr e g i s t e r s ，d a t a l a t c h e s ，b a n dg a pr e f e r e n c e ，i n t e r n a lo s c i l l a t o r , a n dp r o g r a m m a b l ec o n s t a n to u t p u t c u r r e n td r i v e r s t h ec h i pi sf a b r i c a t e di nc s m c0 5l x ms t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y i t h a s18c o n s t a n tc u r r e n td r i v i n gc h a n n e l sa n de a c hc h a n n e lc a nd r i v eac o n s t a n tc u r r e n t u pt o3 0m a t h ec h i p si n p u tv o l t a g er a n g e di n3 3 5 5va n di t so u t p u tc h a n n e l sc a n a f f o r d4 0vo u t p u tb i a s o u t p u td r i v i n gc u r r e n to ft h ec h i pi sv e r yp r e c i s e i tc a nb e r e a c h e d4 - 2 b e t w e e nc h a n n e l si nac h i pa n d4 - 4 b e t w e e nc h i p s t h ec h i pu s e s8 b i t g r a yl e v e lc o n t r o l ，b e c a u s et h e8b i tg r a yd a t ac a ne a s i l yr e a l i z e2 5 6l e dg r a yl e v e l s c o n t r o l l i n g t h ef o l l o w i n gi st h ec o n t e n to ft h i sw o r k ： 1b yr e s e a r c h i n gs e v e r a lk i n d so fl e dd r i v e r s ，t h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n db l o c k d i a g r a ma n d f u n d a m e n tw o r k i n gt h e o r yw a sp r o p o s e d 2s o m ei m p o r t a n ts u b c i r c u i t sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l i tc o n t a i n s f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e ，t r a d i t i o n a la n di m p r o v e dc i r c u i ts t r u c t u r e a n dt h es i m u l a t i o n h a sb e e nc a r r i e do u tb yu s i n gc a d e n c es o f t w a r e t h es y s t e mo fl e dd r i v e rw a ss i m u l a t e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a t t h ec h i pc a l ls u p p l yc o n s t a n tc u r r e n tb yp w mc o n t r o l l i n g ，a n dt h ep e r f o r m a n c e sa r e n i i i 目录 目录 第一章绪论l 1 1l e d 的概述1 1 1 1l e d 的特性l 1 1 2l e d 的发展状况及应用3 1 2l e d 驱动电路的概述5 1 2 1l e d 驱动器的特性5 1 2 2l e d 驱动方式简介8 1 3l e d 驱动器的国内外发展1 3 1 4 本课题研究的意义及主要内容1 4 第二章驱动芯片的整体结构设计1 5 2 1 芯片的系统工作原理1 5 2 1 1电路模块1 5 2 1 2 芯片的主要特性参数及输入输出引脚1 9 2 2 芯片的主要设计指标2 0 2 3p 1 l m 灰度控制2 0 第三章子模块电路的设计与仿真2 4 3 1 基准电压源2 4 3 1 1 带隙基准电压源基本原理2 4 3 1 2 带隙基准电压源电路设计2 6 3 1 3 带隙基准电压电路的完整结构及仿真结果3 0 3 2 振荡器3 2 3 2 1 振荡器的原理3 2 3 2 2 片内振荡器的设计3 5 3 2 3 仿真结果3 7 i v 目录 3 3 比较器3 8 3 3 1 迟滞比较器的基本原理3 9 3 3 2 迟滞比较器的设计3 9 3 3 3 仿真结果4 0 3 4 过热保护电路4 l 3 4 1 过热保护电路的基本原理4 1 3 4 2 过热保护电路具体电路的设计及仿真结果4 2 3 5 输出级驱动4 3 3 5 1 基本原理4 3 3 5 2 输出驱动级的设计4 4 3 5 3 仿真结果4 7 第四章芯片的整体仿真和版图设计4 9 4 1 芯片的整体仿真4 9 4 2 芯片的版图设计5 0 4 2 1c m o s 工艺简介5 1 4 2 2 数字版图设计5 1 4 2 3 模拟版图设计5 2 第五章芯片的测试5 6 5 1 芯片封装管脚分布5 6 5 2 芯片的测试5 7 5 2 1i v c c 测试5 8 5 2 2 内部振荡器频率f o s c 测试5 8 5 2 3v i r e f 测试5 9 5 2 4 输出电流测试5 9 5 2 5 输出占空比控制测试6 0 第六章总结与展望6 1 致谢6 2 参考文献6 3 v - v i 6 5 6 6 一 ， 第一章绪论 1 1l e d 的概述 第一章绪论 半导体发光二极管是采用p n 结或异质结的注入式场致发光的方法发光。当在 l e d 两端加正向电压时，p 区的多数载流子空穴便会由p 区进入n 区，同时n 区 的多数载流子电子注入p 区，进入对方区域的部分少数载流子与多数载流子进行 复合后会将多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换成为光能。 基于l e d 的众多优点，它必将成为新一代光源第四代电光源，以代替白炽 灯、高压气体放电灯和荧光灯等传统光源。它寿命长、耗能低；应用灵活，可以 做成点、线、面等各种形式的轻薄的产品；污染小辐射低，l e d 属于典型的绿色 照明光源；控制方便，通过调整电流便可随意调光；不同光色的组合变化多，采 用时序控制电路，便能产生丰富多彩的动态变化效果l l j 。l e d 技术的发展已经引 起了国内外的普遍关注，并成为了一项具有影响力和良好发展前景的新技术产品。 近几年，随着城市的建设以及电子信息化产业的迅猛发展，人们对光源的需求急 剧增加。因此，l e d 产品的研制开发已经成为发展前景诱人的朝阳产业。 1 1 1l e d 的特性 1 1 1 1l e d 的光学特性 ( 1 ) 光谱分布和峰值波长 发光二极管所发的光并不是单一波长，其光谱分布曲线如图1 - 1 所示。由图可 见，该发光二极管所发的光中某一波长厶的光强最大，该波长为峰值波长【2 】。 ( 2 ) 发光强度及发光强度角分布 发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能。发光二极管的发光强度通常是 指法线( 对圆柱形发光管是指其轴线) 方向上的发光强度，发光强度的角分布是 描述l e d 发光在空间各个方向上光强分布，它主要取决于封装的工艺( 包括支架、 模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否) 3 1 。 ( 3 ) 光通量和辐射通量 发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，即光功率。光源发射 电子科技大学硕士学位论文 的辐射通量中可以引起人眼感知的那部分，称为光通量。它与工作电流有直接的 关系，l e d 的光通量随着电流的增加而增加。 波长a ，叫 图1 - 1 光谱分析和峰值波长 ( 4 ) 发光效率和视觉灵敏度 发光效率是l e d 最重要的特性，它是辐射出的光能量( 发光量) 与输入电能 的比值。 ( 5 ) 发光亮度 发光亮度也是l e d 发光性能的一个重要指标，有很强的方向性。指定方向上 发光体表面亮度为发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量。 正法线方向的亮度 l， 岛= 1 形 ( 1 - 1 ) 其中，i o 为光通量，a 为投射面积。如果光源的表面为理想的漫反射面，亮度 为常数，与方向无关。l e d 的亮度与外加的电流密度相关，一般情况下，l e d 的 发光亮度随着电流密度的增加而增加。除此之外，环境温度也会对发光亮度产生 一定的影响，环境温度升高，会引起复合效率的下降，从而亮度减小，环境温度 不变时，电流的增大会引起p n 结结温升高，温度升高后，亮度呈饱和状态 4 1 。 1 。1 1 2l e d 的电学特性 在进行l e d 驱动芯片研究开发时，l e d 的电学特性是我们所最关心的。其中， l e d 的正向伏安特性是最为重要的。l e d 的正向伏安特性具有单向导电性和非线 性，外部加正向偏置电压时，表现为低电阻，反之为高电阻。 2 o 嘲靛霉 第一章绪论 l e d 伏安特性的数字模型为： = u 一铆+ 愿丘+ ( a u pi a t ) ( t 一2 5 ) ( 1 - 2 ) 式中：u 胁为l e d 的启动电压；t 为环境温度；风为伏安特性曲线的斜率； u p a t 为l e d 正向电压温度系数，它的典型值为2 m v * c 。六个白光l e d 的正 向伏安特性曲线如图1 2 所示，不同曲线代表不同的l e d 正向伏安特性曲线。 从图1 2 及式1 2 可看出，在l e d 上所加的电压大于导通电压时，伏安特性曲 线变化比较剧烈，正向电压发生微小的变化就会导致正向电流发生很大的变化； 环境温度对l e d 的电气特性也有较大的影响；不同的白光l e d 的特性曲线有很大 的差异，用单一电压驱动这些l e d 时，可造成正向电流0 m a - 5 0 m a 的差异。 墨 墀 删 厘 h | ， ， | f | 矿 ， ，j ，厂 ，厂 l i 一， ， ， 。 ， ， ，j ， ， ，一， ? ，7，7 一 一， - ，p | i l 。，_ ， 。 j 夕矽i ? ， 。钐哆二二一 ，r 一豸辔二一一 ， 一够 - - 一 2 s童o3 23 43 6 3 8一0 正向电匿月 图1 - 2 白光l e d 正向伏安特性曲线 1 1 2l e d 的发展状况及应用 1 1 2 1 l e d 的发展状况 h e n r yj o s e p hr o u n d 于1 9 0 7 年第一次在碳化硅里观察到了电致发光现象。但 是，一方面由于其发出的黄光非常弱，并不适合实际应用；另一方面，碳化硅与 电致发光不能很好的适应，因此研究并没有继续。1 9 3 6 年，g e o r g ed e s t i a u 发表了 3 如 钌 柏 驺 荔 柏 岱 5 o 电子科技大学硕士学位论文 一个关于硫化锌粉末发射光的报告。后来人们进一步加深了对电流的认识以及对 它的应用，从而出现了“电致发光”。随后，二十世纪6 0 年代，英国的一位科学 家通过采用砷化镓推出了世界上第一个有着现代意义的l e d 。在早期的商用l e d 仅仅可以发出不可视的红外光，但是仍然在一些光电等领域得到广泛应用。这些 早期的红色l e d 每瓦大约能提供o 1 流明( 1 u m e n s ) 的输出光通量，比一般的6 0 至 1 0 0 瓦白炽灯的1 5 流明要低上1 0 0 倍。1 9 6 8 年，利用氮掺杂工艺使g a a s p 器件的 效率达到了l 流明瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光，l e d 的研究发展取得 了突破性进展。直到1 9 9 3 年，出现了利用稼合物制造的蓝色l e d ，这个突破性的 进展推动了l e d 的迅速发展，引起了人们对l e d 灯研究开发的一股热潮。发展到 2 0 世纪9 0 年代后期，自光的l e d 灯终于面世，但存在很多缺点，如色泽不均匀， 使用寿命短，价格高等。随着人们对环境及资源问题的日益关注以及技术的不断 进步，近年来白光l e d 节能灯的发展相当迅速，白光l e d 节能灯的发光效率已经 可以达到3 8 流明瓦，实验室研究成果甚至达到7 0 流明瓦，l e d 必定要成为下一 代的照明光源p j 。 1 1 2 2l e d 的主要应用 ( 1 ) l e d 的主要应用领域之一背光源。相对于冷阴极荧光灯( c c f l ) 背光源 和电致发光( e l ) 背光源，l e d 背光源的色彩好，亮度均匀，更为重要的一点是 污染小，比较环保。l e d 背光源早已经在手机等小尺寸的液晶面板背光源中得到 广泛应用。但是由于手机的增长速度已经逐渐放缓，必定会影响小尺寸的l c d 背 光源的需求量【6 1 。因此，现在l e d 背光源市场已经转向了大尺寸的l c d 背光源。 目前，市面上已经有多款的l e d 背光屏笔记本电脑，并将随着技术的不断完善， 最终成为主流。除了笔记本电脑，液晶电视和台式电脑也将会进一步推动l e d 背 光源市场。 ( 2 ) 汽车是l e d 产品的另一巨大市场。奥迪r 8 是第一款全部采用l e d 车灯 的车型，随后一些国际上的高档轿车都开始逐渐推出各式各样l e d 车灯的车型。 l e d 车灯的省电、响应速度快、体积小、易于控制和抗震性好等优点使得很多公 司都在大力研究开发l e d 车灯。汽车l e d 灯根据应用可分为配光用灯和装饰用灯 两种。配光灯主要用于仪表的指示灯、背光显示、前后转灯、刹车指示灯、倒车 灯、雾灯、阅读灯等功能性方面；装饰灯主要用于汽车灯光色彩变换，起到车内 外美化作用【刀。此外，白光l e d 用于汽车车灯才刚刚起步，它的亮度能逐渐增大， 所以白光l e d 在汽车前照灯中的应用前景非常乐观。2 0 0 9 年在一汽产出了中国的 4 第一章绪论 第1 0 0 0 万辆汽车，在继美国和日本之后，中国成为了第三个汽车年产破千万辆的 国家，进入了汽车大国行列。中国已成为不折不扣的汽车大国，今年全年产销量 将达到1 2 0 0 万辆左右。因此l e d 汽车车灯市场具有巨大的发展潜力。 ( 3 ) 景观照明和装饰照明。半导体照明具有省电、富于变化、色彩亮丽、寿命 长等显著特点，正在景观照明工程中得到广泛应用。2 0 0 8 年，这两种照明在我国 照明市场所占规模达到了1 3 0 亿元，仅仅在北京奥运会中的应用就接近5 亿元。 2 0 1 0 年的上海世博会的召开和城市建设的加快，将会带给l e d 在景观照明领域应 用的更大市场【8 j 。例如在北京奥运会会场上升起的奥运五环标志，仅这部份就用掉 了4 5 ，0 0 0 颗l e d 灯，正是由于这些l e d 灯的存在，才使得北京奥运会更加的绚 丽夺目。 ( 4 ) 特种照明：如今，手电筒、矿灯、航标灯等特种照明产品已经逐渐放弃了 使用传统的照明光源，而采用了l e d 照明，l e d 已经逐渐成为了主流产品；此外， l e d 灯在太阳能灯、舞台灯、应急照明灯、阅读台灯等的使用也逐渐增多：一些 新兴的应用市场，如紫外消毒、医学、农业等也正在形成。据调查，2 0 0 8 年l e d 特种照明产品市场规模约为2 0 亿元。 ( 5 ) l e d 显示屏：据报道，全球的l e d 显示屏市场规模将会达到1 1 1 6 亿美元。 2 0 0 8 年北京奥运会，2 0 1 0 上海世博会和广州亚运会的召开都会极大的推动l e d 显示屏的发展，市场空间不断扩大。例如，在奥运会上，为了方便在场观众更清 楚的观看比赛，会场看台上采用了日本松下电器打造的l e d 转播屏幕，奥运会场 l e d 显示屏总计达到1 2 9 0 6 平方公尺，这些屏幕采用r g b3 色l e d ，视角可达 到1 4 0 0 ，保证了观众的观看效果网。此外，将要举办的2 0 1 0 上海世博会也会成为 l e d 的大秀场。据悉，在世博会的主题馆内有七块大型条状全彩的l e d 显示屏， 可以保证游客在任何角度都可以清楚地观看显示屏上的图像文字。同样，广州亚 运会也将为l e d 显示屏市场提供更多的机会。 1 2l e d 驱动电路的概述 1 2 1l e d 驱动器的特性 ( 1 ) 直流控制 l e d 的发光强度主要取决于它的正向电流，以下是控制l e d 正向电流的两种 方法。 如图1 - 4 所示，l e d 的电流取决于参考电压u r e f 和电阻值r 。串联的l e d 用该电 路驱动时，可以保证流过每个l e d 的电流相等，驱动并联l e d 时需要在每个支路 中串联一个限流电阻，但是这样会降低电路的工作效率。 ( 2 ) 高功率转换效率 便携式电子设备应用中，电池的寿命至关重要。因此，实用的l e d 驱动器就 必须具备高效性。目前比较高的功率转换效率可达8 0 - 9 0 ，一般可达6 0 8 0 。 ( 3 ) p w m 亮度调制 现在许多l e d 应用中都要求可以进行亮度调制，如在l c d 背光源应用中就可 以调节亮度及对比度。实际设计中可采用两种调光方式：模拟调光方式和脉宽调 6 第一章绪论 制( p w m ) 方式。模拟调光技术是通过向l e d 施加最大电流的一半，从而使需要 采用模拟控制信号的亮度减小5 0 ，但是这种方法的使用率一般不高，因为它需 要采用模拟控制信号，并且会出现l e d 颜色偏移例。p w m 调制方式是目前比较常 用的，本文设计的驱动芯片便是采用p w m 亮度调制方法，它是通过改变脉冲电流 占空比来改变l e d 的亮度。并且由于每个脉冲周期内的正向电流持续保持一致， 色坐标便不会产生偏移。为了确保人的肉眼不会察觉这个p w m 脉冲电流，p w m 信号的频率通常要高于1 0 0 h z t l 0 。 图1 - 4 驱动l e d 的恒流电源 ( 4 ) 过压保护 工作在恒流模式下的电源，无论负载是多少都可以输出恒定的电流。因此为了 保证恒定电流的输出，在负载电阻增大时，电源的输出电压也要相应增大。如果 负载电阻过大，或是负载断开，则输出电压可能会超过集成电路或其他分立电路 元件的电压额定值，因此需要过压保护功能。 一种过压保护的方法是将一个齐纳二极管与l e d 并联，一旦当输出电压大于 齐纳二极管的击穿电压时，齐纳二极管便会导通，输出电流流过齐纳二极管和电 流检测电阻。这种方法可以将输出电压限制为电源电压和齐纳二极管击穿电压之 和。另一种方法是监控输出电压，一旦输出电压达到过压的设定值便关闭电源， 这种方法可以降低功耗，延长电池的使用寿命。 ( 5 ) 负载断开 负载断开功能是l e d 驱动电器的一个重要功能，在电源失效时可以将l e d 和 7 电子科技大学硕士学位论文 - _ _ l _ _ _ l _ _ _ - - _ _ - _ - - _ - _ - _ - - _ _ _ _ l _ _ - _ 一 电源断开。如图1 - 4 所示，升压转换器在断电时，l e d 仍然通过电感器和电源相 连接。这样会产生一个小的泄露电流，若升压转换器断电时间很长，会累积消耗 大量电能，缩短电池寿命【l j 。 p w m 调制空闲期间，输出电容器仍与l e d 保持相连。如果没有负载断开功能， 则电容器会通过l e d 放电，直到p w m 脉冲再次打开电源。电容器在每个p w m 循环开始时已经部分放电，所以电源须在每个p w m 循环开始时给电容器充电，这 样便会产生电容充电电流脉冲，从而降低了系统效率。 ( 6 ) 使用方便 ( 7 ) 尺寸小 尺寸小是设计便携式电子设备电路特别重要的一点。实现小型驱动的一个重要 方法是将各种功能集成到控制i c 里，这样一方面可以大大缩小驱动芯片的尺寸， 另一方面可以降低总成本。 1 2 2l e d 驱动方式简介 1 2 2 1 按照l e d 的连接方式划分 按照电路负载l e d 的连接方式划分，l e d 驱动芯片可以分为串联驱动、并联 驱动和混联驱动。 ( 1 ) 并联驱动 l e d 应用于便携式电子设备等任何电源电压有限的场合时，l e d 的高工作电 压使得其只能以并联的方式进行多个连接。图1 5 是驱动并联l e d 的三种电路。 不同的l e d 的正向工作电压有一定偏差，会导致不同的l e d 的工作电流产生不匹 配。 8 第一章绪论 ( a ) 电路一 ( b ) 电路二 ( c ) 电路三 图1 - 5 并联驱动l e d 电路 电路一中集成了l e d 电流调节器，可以独立的调节流过每个白光l e d 的电流。 电路二采用了稳压输出电源驱动电路，通过调节电源电压，利用白光l e d 的一致 性和串联电阻使电流匹配。电路三是通过调整流过一个l e d 的电流，利用白光l e d 的一致性和串联电阻使余下的自光l e d 的电流得到匹配。 ( 2 ) 串联驱动 采用串联驱动电路时，流过每个白光l e d 的电流相同，从而可以得到均匀的 亮度，消除l e d 亮度不匹配的问题。图1 6 为串联驱动l e d 电路。串联驱动的驱 动电压是各自光l e d 的正向电压之和，驱动器的输出电压幅值应该满足l e d 串联 后需要的驱动电压。为了在高压时得到高效率，需要使用电感式升压开关变换器。 9 l工= 电子科技大学硕士学位论文 串联驱动的不足之处是：在外接l e d 时需要使用电感器，电感组件不仅成本 比较高，体积大，还会带来一定的e m i 辐射干扰。 图1 - 6 串联驱动l e d 电路 ( 3 ) 混联驱动 图1 7 是混联驱动l e d 的电路图，混联驱动是将串联并联混合使用的驱动方 式。在需要驱动比较多数目的l e d 的时候，一般会采用混联驱动方式。 图1 - 7 混联驱动l e d 电路 1 2 2 2 按照电路拓扑结构划分 按照电路的拓扑结构划分，l e d 驱动电路可以分为线性结构、电容式开关结 构和电感式开关结构。 ( 1 ) 线性结构 线性稳压源通常被用于各种便携设备中的背光用l e d 的驱动。线性稳压源主 要包括低压稳压器( l d o ，l o wd r o p o u t ) 这种电路结构，该电路只能实现降压驱动。 l d o 的另一个特点是输出噪声非常小，有两方面原因：一是相对于其他的开关式 1 0 第一章绪论 非线性驱动方案，l d o 属于线性结构，因此不存在开、关时大电流所引起的电磁 干扰；另外，l d o 属于一个低通滤波器，因此它对于高频段的噪声有一定抑制作 用。在很多电源管理系统中，开关变换器的输出都会加上一个低压稳压器来降低 输出电压的纹波和输出噪声。l d o 的不足之处在于只能完成降压功能，以及在某 些应用条件下效率很低【l 。 如图1 8 所示，l d o 由电压误差放大器，基准电压源，p m o s 调整管，以及两 个电阻组成。当输出电压v o u t 过高时，将导致a 点的电压升高，通过误差放大器 b 点电压也将升高，从而流过电阻r l 和r 2 的电流下降，输出电压降低。 图1 - 8 l d o 电路原理图 ( 2 ) 电容式开关结构 电荷泵( c h a r g ep u m p ) 也称为开关电容式d c d c 变换器，是一种利用电容来 储能的d c d c 变换器，它既可以使输入电压升高、降低，也可以产生负电压。其 泵电容的充电和放电由内部的开关阵列控制，从而使输出电压以一定因数倍增或 降低，得到需要的输出电压【1 2 1 。电荷泵的内部结构如图1 - 9 所示。s l 和s 4 闭合， s 2 和s 3 断开，v 矾给电容充电至v d d ，然后s l 和s 4 断开，s 2 和s 3 闭合，电容器上 级板作为输出，这样v o 叮= 2 。图中控制器根据输出电压来控制开关的闭合和 断开。 电子科技大学硕士学位论文 图l - 9 电荷泵的内部结构 电荷泵可分为无调整电容式电荷泵和可调整电容式电荷泵，如图1 1 0 所示。 无调整电容式电荷泵没有调整电路，而可调整电容式电荷泵在基本电荷泵后端增 加了线性调整器或电荷泵调制器。无电压调节的电荷泵具有较高的功率转换效率 ( 一般超过9 0 ) ，带电压调节的电荷泵是在基本电荷泵输出后增加了低压差的线 性调节器，但是其效率由于后端调节器的功耗而下降【l j 。 ( a ) 无调整电容式电荷泵( b ) 可调整电容式电荷泵 图1 1 0 无调整和可调整电容式电荷泵 ( 3 ) 电感式开关结构 电感式开关结构是将电感作为储能器件，为负载提供持续的电流。按照外 围拓扑结构的不同，电感式开关结构可以分为降压式( b u c k ) d c d c 变换器、 升压式( b o o s t ) d c d c 变换器和反转式( i n v e r t i n g ) d c d c 变换器【1 3 1 。 降压式变换器如图1 1 1 所示，开关s 的闭合与断开由调制器控制，通过改 变方波的占空比来改变开关的通断时间。开关s 闭合时，二极管两端加反向电 压，二极管截止，输入电压给电感l 充电，并为电阻r l 和电容c 提供电流。 1 2 第一章绪论 当电路工作频率比较高时，若电容和电感足够大并为理想元件，则电路进入稳 态时，可认为输出电压为常数，电感电流线性增大。s 断开时，电感中的电流 不会突变，因此电感上的感应电动势会使二极管导通，电感电流逐渐减小，电 容和电感共同提供负载电流。 图1 1 1 降压式( b u c k ) 变换器 升压式变换器如图1 1 2 ，开关s 闭合，输入电压给电感l 充电，二极管防 止电容c 通过开关放电，电感l 电流线性增大，电容c 通过负载r l 放电。开 关s 断开，电感电流减小，电感释放能量，与输入电压一起向负载及电容充电。 图1 1 2 升压式( b o o s t ) 变换器 1 3t e l ) 驱动器的国内外发展 近年来，随着l e d 市场的蓬勃发展，对l e d 驱动器产生了巨大的需求。因此许 多有实力的i c 厂商，包括日本的东芝( t o s h i b a ) 、索尼( s o n y ) ，美国的德州仪 器( t i ) ，台湾的聚积( m b i ) 和点晶科技( s i t i ) 等，开始生产l e d 专用驱动芯片【1 4 j 。 例如，台湾聚积科技在2 0 0 8 年推出了m b l 5 0 3 9 芯片，它具有全屏实时静默错误侦 测技术( s i l e n te r r o rd e t e c t i o n ) ，符合了l e d 显示屏应用的高规格需求。聚积科技实 现实时的全屏错误侦测功能的驱动芯片，包括实时的亮点与暗点错误侦测，使得 m b l 5 0 3 9 不仅适合l e d 交通显示屏应用，更提升以客户为导向的商业l e d 显示屏应 用需求。同样由聚积推出的m b l 5 0 3 0 是全世界第一款内建1 6 位元p w m 的智能型 电子科技大学硕士学位论文 l e d 驱动芯片，可建立最高达6 5 ，5 3 6 种灰阶应用的全彩显示屏，足以提供较宽影 像处理能力，符合高阶的l e d 显示屏对于色彩、灰阶表现的高规格要求。在2 0 0 8 北京奥运开幕式上长1 4 7 公尺，宽2 2 公尺的画卷就是采用了5 7 0 ，0 0 0 颗聚集科技的 s - p w m 专利技术驱动芯片m b l 5 0 3 0 ，取得了很好的效果。 我国在高亮度l e d 这一领域起步较晚，中科院半导体所、北京大学等单位在 国家8 6 3 计划和自然科学基金的支持下，在1 9 9 3 年才开始了一些这方面的研究工 作。所以这些导致了l e d 驱动芯片的开发比起国外来也起步较晚。国内的一些芯 片企业规模较小，技术水平较低，成本很难降低，所以与国外同行难以形成竞争。 国内实际有能力进行芯片设计和蓝绿外延加工的且具备一定规模的主要是厦门三 安、大连路美、士兰微电子等几家公司。士兰微电子是一家传统的集成电路设计 企业，在l e d 驱动芯片设计与制造上可以有所作为，公司已有这方面的产品推出， 所以士兰微的发展前景较好。 1 4 本课题研究的意义及主要内容 l e d 作为一种新的材料和技术，其本身的一些优异特性是其它光源所无法取 代的。虽然目前我国的l e d 产业处于比较落后的阶段，但是市场空间还是很大的。 l e d 灯照明的应用很广泛，照明灯就是一个最大的市场，如果所有的照明灯都采 用l e d 灯的话，市场的空间便是不可估量的【”】。 本论文的主要工作是设计了一个1 8 通道恒流l e d 驱动器，论文共分为六章， 内容如下： 第一章绪论，本章简单介绍了l e d 的一些特性，如光学特性、电学特性等， 并对l e d 驱动电路的特性，及主要的驱动方式进行了概述，最后介绍了l e d 驱动 器的国内外发展动态。 第二章驱动芯片的整体结构设计，本章对芯片的系统工作原理、主要设计指标 等进行了说明。 第三章子模块电路的设计与仿真，本章详细介绍了芯片的一些模块的设计与仿 真结果，如振荡器、带隙基准电压源、p w m 比较器等。 第四章芯片的整体仿真和版图设计。 第五章芯片测试。 第六章总结与展望。 1 4 第二章驱动芯片的整体结构设计 第二章驱动芯片的整体结构设计 2 1 芯片的系统工作原理 本文所设计的芯片是一个有着恒定电流输出的l e d 驱动芯片，可以应用于室 内和室外的l e d 显示屏、走字屏和一些装饰照明系统。芯片采用c s m c0 5 9 i n d p t mc m o s 工艺。 2 1 1 电路模块 s d i c k i s d o c k o 图2 - 1 芯片内部基本结构 芯片的内部基本结构如图2 1 所示。本芯片为1 8 通道恒流l e d 驱动芯片，每 个通道均能输出高达3 0 m a 恒定电流，芯片具有p w m 亮度调制功能。芯片内部包 含的主要模块有内部振荡器、带隙基准源、1 4 4 位串行移位寄存器，、数据锁存器， p w m 灰度比较器和恒定电流输出驱动级。图2 1 中数据和时钟输出缓冲器被设计 1 5 电子科技大学硕士学位论文 来用于串接其它的芯片。芯片还具有过温保护功能，当内部温度达到1 5 0 0 c 时候， 芯片能够自动关断输出，此后芯片温度会下降，当温度降至1 2 5 0 c 时候，芯片通道 打开，恢复正常工作。 芯片的典型应用电路如图2 2 所示。在外部时钟信号c k i 的上升沿，灰度数据 进入芯片的移位寄存器，在数据输入完成后，芯片会将输入的灰度数据与内部产 生的8 b i t 数据进行比较，实现2 5 6 阶灰度调制，产生恒定电流输出。芯片的恒定 输出电流可以通过在i r e f 引脚接一个到地的电阻来调节。芯片输出引脚c k i 和 c k o 用来级联下一个芯片，所以本芯片很适合应用于需要级联的场合。芯片的工 作流程图如图2 3 所示。 i 讲 g n d 噩逆霉 n c c k i 缸) i g b r g b r g b l 勰 22 5 3猫 42 7 5掰 6 72 2 82 l 9 l o1 9 l l1 8 1 21 7 1 31 6 h1 5 v c c c k o 曩匝p n c c k 】 缸x o 【y r l 8 o 【疆1 7 g o d 窿l a 硭 o b 万1 5 b 供玎1 i g 供玎1 3 r o d 玎1 2 ，= b o d r l l ，= g & g b r g b仪玎6 跫 o u t 7 g o l r r l 0z r b 图2 2 芯片的典型应用电路 啦 雨 22 5 3弘 42 7 5弱 6嚣 7笠 82 l 9如 1 01 9 】l1 8 1 21 7 玎1 6 l 毒1 5 a 盱1 8 o u l q 7 g o u t l 6 r o u t l 5 b o