（微电子学与固体电子学专业论文）低噪声大电流led电荷泵dcdc芯片的设计.pdf

摘要 摘要 本论文基于西安电子科技大学电路c a d 研究所关于“深亚微米电源管理类集 成电路的关键技术理论研究与设计”的科研项目，对低噪声大电流l e d 电荷泵 d c d c 芯片的工作原理作了深入全面的研究，并在此基础上进行了电路设计。文 中详细介绍了电荷泵升压型d c d c 芯片x d j 6 3 1 6 的设计过程，包括芯片指标的制 定、特性的分析计算、系统功能的电路实现及仿真验证。 本文全面而系统地研究了电荷泵d c d c 转换器的基本工作原理，为x d j 6 3 1 6 的设计与实现提供了理论指导。在输入电压为2 9 v 到4 4 v 的情况下，最大提供 1 a 的输出电流：设计采用外接编程电阻实现对输出电流的控制，能够设置独立的 低和高状态的电流输出；外部逻辑控制引脚用来选择输出电流组合，并能够使芯 片进入关断模式；当检测到持续减小的输出电流时，芯片会在1 x 、1 5 x 和2 x 几种 工作模式下自动转换；当输出电压衰减到等于或小于电源电压时，输出电压端将 连接到电源电压上；此外芯片还集成了过温保护、软启动和过流关断等多种功能。 芯片的设计采用x x 公司的0 6 1 x m c m o s 工艺，利用w o r k v i e w 、h s p i e e 等e d a 软件，对芯片在不同电压、温度条件下进行了前仿真验证，结果表明：在指定输 入电压和输出负载条件下可确保输出电流编程精确度达到4 ，输出电压有1 x 、1 5 x 和2 x 三种模式；其它各项指标也均满足设计要求，实现了预期的功能。 关键词：l e d电荷泵逻辑控制关断 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c t “t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e y t e c h n i q u ef o rd e e p - s u b m i c r o np o w e rm a n a g e m e n ti c ”a n dm a i n l yd e a l sw i t ht h ed e s i g n o fl o wn o i s ea n dh i 曲c u r r e n tl e dc h a r g ep u m pd c d cc o n v e r t e r ac m o sc h a r g e p u m ps w i t c h i n gv o l t a g ec o n v c t t s ri c ，n a m e dx d j 6 3 1 6 ，i sd e s c r i b e dd e t a i l l y , i n c l u d i n g d e f i n i t i o no ft h ei cs p e c i f i c a t i o n , f n l l l l e l a n a l y s i so ft h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d i m p l e m e n to f s u b s y s t e mc i r c u i t sa n ds i m u l a t i o no f t h e w h o l ec h i p t h eb a s i cp r i n c i p l e so fc h a r g ep u m pd c d cc o n v e r t e rw h i c hi st h et h e o r y g u i d a n c e o f t h e d e s i g na n d t h e i m p l e m e n t a t i o no f x d j 6 3 1 6 h a v e b e e na n a l y z e da n d s t u d i e di nt h i sp a p e r t h ec h i pi n c l u d e sac u r r e n t 自d n r c ec a p a b l eo fd r i v i n gl o a d sl e d u pt o1 af r o ma2 9 vt o4 4 vi n p u t i n d e p e n d e n tl o wa n dh i 曲c u r r e n ts e t t i n g sa r e p r o g r a m m e db yt w oe x t e r n a lp r o g r a m m i n gr e s i s t o r s s h u t d o w nm o d ea n dc u r r e n t o u t p u tl e v e l sa r es e l e c t e dv i at w oc o n t r o l1 0 9 i ci n p u t s i tw i l la u t o m a t i c a l l ys w i t c hf r o m l xm o d et o1 5 xm o d e ，a n ds u b s e q u e n t l yf r o m1 5 xm o d et o2 xm o d ew h e n e v e ra d r o p o u tc o n d i t i o n i sd e t e c t e d t h em a i ns w i t c h e sw i l lc o n n e c ts u p p l yi n p u tw i t ho u t p u t i nl xm o d eu n t i lt h eo u t p u tv o l t a g eh a sd e c a y e dt ol e s st h a no re q u a lt ot h ev o l t a g ea t t h es u p p l yi n p u t i na d d i t i o n , l o t so fp r o t e c t i o nc i r c u i t sa r ei n t e g r a t e di nt h ec h i p ，s u c h a st h e r m a lp r o t e c t i o n , s o f t s t a r t , o v e r c u r r e n ts h u t d o w n , a n ds oo n t h ec h i pi san o v da n a l o gi cb a s e do nt h e0 6 1 上l , ns t a n d a r dp r o c e s s a l ls i m u l a t i o n s h a v eb e e nc o m p l e t e du n d e rv a r i o u ss u p p l y - v o l t a g e sa n do p e r a t i n g - t e m p e r a t u r e sb y u s i n gt h ee d a s o f t w a r e ，s u c ha sw o r k v i e wa n dh s p i c e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s i n d i c a t et h a tt h ef u n c t i o no f x d j 6 3 1 6i se x c e l l e n tw i t ha4 l e dc u r r e n tp r o g r a m m i n g a c c u r a c ya sw e l la sl x ，1 5 xa n d2 xo u t p u tv o l t a g e a n da l lo f o t h e rc h a r a c t e r i s t i c sm e e t t h es p e c i f i c a t i o nt o o k e y w o r d ：l e dc h a r g ep u m p c o n t r o ll o g i es h u t d o w n 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志列本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：盏者 日期：垫亟：f ：兰! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或者使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，叮以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名 导师签名 耋多鸶 日期：兰! 1 21z ：! 茎 h 期：迦2 ：厶矿 第一章绪论 第一章绪论 本章主要结合国内外电源管理芯片的发展现状及趋势，说明了开关型转换器 的基本结构、分类及其发展。简要介绍了电荷泵的一些基本特点，最后对论文章 节做了安排。 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展和不断创新，科技产品也越来越人性化，提供给用 户更多样化的选择，也使得人们的生活水平越来越高。像手机、数码相机、掌上 电脑、r a p 3 和笔记本电脑等大量便携式设备进入了人们的生活。 便携式设备都依靠电池( 包括化学电池、太阳能电池) 提供能量，既要体积 小，又要待机时间长是当前便携式设备设计中的一个突出矛盾。便携式设备的功 能会越来越复杂( 如摄像头、闪光灯、l e d 背光、高亮度l c d 屏幕显示等) ，如 何有效利用电池存储的能量，即电源管理技术，成为当前便携式设备的关键。便 携式设备的电源管理要在便携式设备系统方案设计时就要综合考虑节能、成本、 体积和开发时间等多种因素，进行最佳折衷设计。总的来讲，要从提高电能的转 换效率和提高电能的使用效率两方面着手进行便携式设备的整体电源管理i ”。 对此，必须在两个方面取得突破：首先是系统级的高性能电源管理，即在同 样的电池容量下，功能的增加不会带来功耗的显著增加；其次需要加快研发更高 容量的电池，以延长便携式设备的使用时间。 由于电池技术目前己相对成熟，在近期不会出现较大的突破，电池供电时间 已经变成影响当今无线通信市场和便携式消费类电子产品进一步发展的最大阻碍 因素，因此只有在电源供电及管理方案上下功夫。现阶段电源管理朝以下几个方 面进行发展： 一是提高器件转换效率、降低功耗。采用低压低功耗c m o s 工艺，来减小静 态电流，提高转换效率。如美国国家半导体采用“低电压低功耗c m o st 艺”来 减小静态电流，提高转换效率。改变传统的发展摸式，采用全新的设计方法，全 面顾及整个系统的用电要求，以智能型电源管理芯片管理系统的性能及功耗。比 如“动态供电”技术，即根据系统负载的变化，对供电做出相应调整，在不同状 态下把功率损耗减至最低。实现“动态供电”需要处理器与电源管理器件相互配 合，延长电池工作寿命。由于l d o 稳压器器件的功率转换效率相当低，使用己 日益减少，开关型稳压器器件转换效率商而得到广泛地使用。 二是减小器件的体积。减小器件的体积主要是进一步提高集成度，并采用更 先进的封装技术，如c s p 、l l p 和m i c r os m d 等等。如今封装技术的发展重点有 三方面：封装越来越小，现在的封装芯片已可基本接近裸片的大小；封装的厚度 2 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 不断减小；i o 密度不断提高。 三是采用能有效抑制电源噪声的技术。这是由开关器件的固有特性决定的， 线性电路在这方面仍有自己的优势。现在通过采用固定频率工作和片内扩展频谱 等技术来解决开关器件带来的噪声己取得实质性的进展。 四是提高电源管理芯片与系统的整合度，使系统整体功耗减少。在设计中不 仅要使电源管理芯片本身的功耗降至最低，而且还要从电子产品的整个系统来考 虑，这样才能设计出整体功耗最小的产品。这对下一代消费电子产品尤为重要。 以手持移动产品为例，显示背光、c p u 、数字基带射频和其他部分对电能的消耗 分别为5 0 、2 5 、1 5 和1 0 ，对主要部分显示背光和c p u 电路功耗优化成 为省电关键。可使用软、硬件协同电源管理和高集成度开关电源等技术来提高电 源管理芯片与系统的整合度，优化系统的供电方案。 五是开发能够满足多方面需求的单片解决方案。这样不仅可以减少i c 数量， 还可以省去用于对这些i c 提供支持的分立组件。从而降低产品成本，减小产品体 积。例如为了克服电荷泵电路固有的缺陷，将电荷泵和l d o 稳压器结合起来， 利用这种结构可以得到任意的输出电压，而且降低了输出噪声。包含d c d c 升 压转换器和l d o 稳压器的单片器件。将升压型d c 仍c 转换器与l d o 相结合可 实现两个功能，即低噪声升压和高效率的升降压。 随着对电源管理效率要求的不断提高，便携式设备中的电源变换从以往的线 性电源逐渐更换为开关式电源，但二者有各自的优势和劣势，适用于不同场合。 开关式电源主要分为两类：电感式开关电源、电容式开关电源一电荷泵，其中电 荷泵由于本身的各种优势应用更是越来越广泛。 1 2 电荷泵概述 电荷泵( c h a r g e p u m p ) 是主要利用电荷守恒原理工作的开关电源，以电容作 为储能元件，使用内部的开关管阵列控制电容的充放叫2 3 1 。不同于线圈升压方式， 它是一个直流到直流的升压( b o o s t ) 电路，又因为升压电荷泵的输出需要若干个时 钟周期才能稳定，因此这种电荷泵又称为s t e p u p 型。 电荷泵工作时通过周期性的开关电容通路以达到电容电压的转换。起初，先 将电容与电源电压相连，然后再将电容与输出端相连。电荷泵根据输出电压与输 入电压的关系可分为正向电荷泵和负向电荷泵。同一个电荷泵电路结构中，能够 通过配置不同开关的状态得到一组不同的电压增益，这就提供了一种当输入电压 变化范围很宽时，可以得到一个动态的电压校准输出，而且又可以得到很高转换 效率的解决方案，解决的思路就是在片上选择开关电容的开关配置增益，让输出 电压最接近于给定的输入电压。 第一章绪论 当输出电压与输入电压成一定倍数关系如1 5 倍或2 倍时，最高的效率可达 9 0 以上。但效率会随着两者之间的比例关系而变化，也会低至7 0 以下，应尽 量利用电荷泵的最佳转换工作条件。开关信号的占空比通常为5 0 ，这样能产生 最佳的电荷转移效率。由于储能电容的限制，其输出电压一般不超过输入电压的 3 倍，而输出电流不超过3 0 0 m a 。 而电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件，为负载提供持续不断的 电流，通过不同的拓扑结构可以完成降压、升压和负压的功能。电感式开关电源 具有非常高的转换效率。电感式开关电源的缺点是电源方案的整体面积较大( 主要 是电感和电容) ，输出电压的纹波较大，在p c b 布板时必须格外小心以避免电磁 干扰( e m i ) 。提高开关频率可以有效的减小电感和电容的体积及输出电压纹波。 电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之问，具有较高的效率和相对简单 的外围电路设计，e m i 和纹波居中，但有输出电压和输出电流的限制。电荷泵电 源因其大输出电流的特点常被选用来做系统的主电源，需求量也在逐渐上升。它 的另一特点是无需电感，只需要几个外接电容器，因此体积较小，成本较低，效 率也足够高。电荷泵在单片集成电路应用中，增加电荷泵电路的电容和开关数对 控制电路的复杂度影响并不是很大。 电荷泵的缺点是开关噪声和静态电流都比较大。此外，这种电路的输出电压 只能取输入电压的倍数，虽然使用多个充电泵仍可获得其它倍数的输出屯压，然 而成本和静态电流也会增加，因而限制了它的使用范围。若对电荷泵的性能要求 较高，则选用串联电阻较小的电容( 例如，陶瓷电容) 。 1 3 论文的主要工作和章节安排 本论文来源于重点科研项目“深亚微米电源管理类集成电路的研究与设计”， 主要研究电荷泵d c d c 转换器芯片的设计与实现。结合科研项目，基于x x 公司 的o 6 1 t mc m o s - 1 - 艺，利用w o r k v i e w 和h s p i e e 等e d a 软件，设计了一款低噪 声大电流l e d 电荷泵d c d c 转换器芯片) j 6 3 1 6 。 论文的工作可大致分为理论研究和设计实践两大过程，理论研究和资料收集 为芯片的成功设计打下了坚实基础，而设计实践中，本着大胆构想、小心求证的 原则对理论进行了实现和验证，进一步提升了设计水平。 首先，深入了解电荷泵的工作原理、设计难点及其关键特性与性能的各种解 决方案，并针对特定的市场需求，查找国内外同类芯片的发展动向，确立芯片的 电特性与性能指标。 接着，采用全定制的a s i c 设计流程完成芯片设计。其中包括芯片的结构设计、 电路设计、电路优化、功能验证、特性及性能验证1 1 4 垮。设计工作的重点在于电 路特性及性能的实现及调试，通过在各种温度、各种输入电压等多种条件下对电 4 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 路进行调试与改进，使芯片在各种苛刻要求下均能正常工作，达到良好性能。 本论文共分为五章，各部分安排为： 第一章为绪论，对电源管理i c 的发展及电荷泵进行了简单的介绍； 第二章，详细分析了电荷泵的工作原理，并讨论了白光l e d 技术的发展历程 和驱动方式； 第三章，对芯片x d j 6 3 1 6 的系统结构及其应用特点做了概述，最后给出了具 体电特性指标； 第四章，详细介绍了芯片中关键模块的功能定义、电路实现及仿真结果； 第五章，对芯片的整体电路在不同电压、温度下进行了仿真验证，给出了仿 真波形图及电特性参数比较表，证明达到设计要求。 最后是结束语。 第二章电荷泵和白光l e d 的理论分析 5 第二章电荷泵和白光l e d 的理论分析 本章首先介绍了电荷泵的基本工作原理，然后介绍了白光l e d 技术的发展历 程，最后介绍了几种常见的白光l e d 的驱动方式。 2 1 电荷泵的基本工作原理 本芯片是基于电荷泵技术的d c d c 转换器，主要为手机和数码相机提供l e d 背光和闪光灯照明功能，首先介绍电荷泵作为l e d 背光驱动的工作原理，在闪光 灯照明应用中与之类似。 l e d 背光驱动功能f 3 】通常由一个恒定直流电流源实现，以保持恒定的亮度。 在采用单节锂离子电池供电的便携式应用中，l e d 与电流源上的电压降之和可以 比电池电压高或低，这意味着l e d 某些时候需要对电池电压进行升压。实现这样 应用的最好办法是使用电荷泵升压d c d c 转换器，也称为开关电容转换器。这 种方法大大地优化了效率，且与普通的电感式转换器相比节省了成本和p c b 面 积。 v c ( a )( b ) 盛叫叫h 。 1 i f - 6 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压转换器的整体转换效率有很 大的影响。实际电容充电的等效电路如图2 k c ) 所示，其中r s w 是开关的电阻。 充电电流路径具有串行电感，通过适当的器件布局设计可以减小这个串行电感。 ( a ) 卜卜卜n “ nnnn t ( b ) 图2 2 ( a ) 电荷泵电路，相关的波形 旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。 电容的寄生效应限制峰值充电电流，并增加电荷转移时间。因此，电容的电荷累 积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷泵就利用了这种 电容特性，如图2 2 ( a ) 所示。电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段期间， 开关s 1 和s 2 关闭，而开关s 3 和s 4 打开，充电到输入电压： + 一v c l 一= + = ( 2 - 2 ) 在第二个阶段，开关s 3 和s 4 关闭，而s 1 和s 2 打开。因为电容两端的电压降不 能立即改变，输出电压跳变到输入电压值的两倍： + 一一= v o 。一= 一= 2 ( 2 3 ) 使用这种方法可以实现电压的倍压。开关信号的占空比通常为5 0 ，这通常 能产生最佳的电荷转移效率。下面将具体的介绍电荷转移过程以及开关电容转换 器寄生效应如何影响其工作的。 图2 2 ( b ) 中显示了开关电容电压倍压器的稳态电流和电压波形。根据功率守 恒的原理，平均的输入电流是输出电流的两倍。在第一阶段，充电电流流入到c l 。 该充电电流的初始值决定于电容c l 两端的初始电压、c l 的e s r 以及开关的电阻。 在c 1 充电后，充电电流呈指数级地减小。充电时间常数是开关周期的几倍，更 小的充电时间常数将导致峰值电流增加。在这个时间内，输出电容c r m l 提供负载 电流线性放电的电量，放电量等于： ， 。= 等：k ( 2 4 ) j i 。h d l 在第二阶段，c i + 连接到输出，放电电流( 电流大小与前面的充电电流相同) 通过 第二章电荷泵和白光l e d 的理论分析 7 s l 流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2 i o t r r 。尽管这个电流变 化应该能产生一个输出电压变化为2 i o u t e s r ch d l ，使用低e s r 的陶瓷电容使得 这种变化可以忽略不计。此时，c i d l 按下面的量线性地充电： w2 互瓦1 0 u t ( 2 - 5 ) 当c 1 连接到输入和地之间时，c h d l 按下面的量线性地放电： r o u t2 j 万1 0 u = t ( 2 - 6 ) 下面给出了总的输出纹波峰一峰电压值： v j u e p ”兰互瓦l o u t ( 2 - 7 ) 更高的开关频率可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波。电荷泵的寄生 效应导致输出电压随着负载电流的增加而下降。事实上，总是存在2 1 0 l r r 的r m s 电流流过c 。和两个开关( 2 p s w ) ，导致产生下面的功耗： b r = ( 2 ，d w ) 2 ( 2 r ，+ e s r c i ) = 1 2 0 u t ( 8 r s w + 4 e s r c l )( 2 - 8 ) 除了这些纯粹的电阻损耗，1 0 l r r 的r m s 电流流过开关电容c 1 的等效电阻，产生 的功耗为： 屹钉2 m - “2 ”寺( 2 - 9 ) 流过c t m l 的r m s 电流等于i o u r ，导致产生下面的功耗： 一m m = 1 2 0 u t e s r c m ( 2 - 1 0 ) 所有这些损耗可以用下面的等效输出电阻进行汇总： 1 r m 鄙r 口“腑c l + 玄+ 脚c m 月m ( 2 1 1 ) 这样一来，电荷泵的输出电 压可以用下面的等式模仿： 口= 2 一厶。 ( 2 - 1 2 ) 总之，因为陶瓷电容低的 e s r 以及高的开关频率，输出纹 波以及输出电压降取决于开关电 阻。利用更多的开关和电容可以 实现附加的电压转换，图2 - 3 就 是使用电容的这个特性的电路。 同样的，电压转换在两个阶段内 图2 3 具有1 倍和1 5 倍增益的开关电容电路 实现。在第一个阶段，开关s 1 到s 3 关闭，而开关s 4 到s 8 打开。因此，c l 和 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 c 2 并联，假设c 1 等于c 2 ，则充电到一半的输入电压： 矿 ， 。一。一= ：+ 一：一= w 一= 半j w = z v 。 ( 2 - 1 3 ) 二 输出电容c h d l 提供输出负载电流。随着这个电容的放电，输出电压降低到期望的 输出电压以下，第二个阶段被激活来将输出电压增高到这个值以上。在第二阶段， c l 和c 2 并联，连接在v 玳和v o u t 之间。开关s 4 到s 7 关闭，而s 1 到s 3 和 s 8 打开。因为电容两端的电压降并不能突变，输出电压跳变到输入电压值的1 5 倍；若关闭s 8 并保持s l 到s 7 打开，则电压转换可以获得l 倍的增益。 2 2 白光l e d 技术的发展历程 由于本芯片是用来给白光l e d 提供驱动，因此需要简要介绍一下白光l e d 的发 展历程和技术特性，使得本芯片的工作原理和功能特性能够更容易理解。 2 2 1 半导体照明的发展历程和应用前景 ( 1 ) 半导体照明的发展历程和应用前景 发光二极管( l e d ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是p n 结型半导体，它具有小型、坚固、 寿命长、不易发热、低耗电量且功能稳定等特性【4 1 。虽然目前l e d 发光效率还很低， 但随着国内外研究机构的不断努力，其发光效率不断的在提升。l e d 使用的材料 全部都是化合物半导体，半导体发光材料的发展大致经历了下面的三个阶段： 以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从2 0 世纪5 0 年代开始的，目前 硅材料仍然是电子信息产业最主要的半导体器件材料，但是硅材料带隙( 禁带) 较窄 和击穿电压较低等物理属性的特点限制了其在光电子领域和高频高功率器件方面 的应用。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着无线通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高 速公路与互联网的兴起，以砷化稼( g a a s ) 和磷化锢( t h e ) 为代表的第二代半导体材 料开始崭露头角。目前g a a s 几乎垄断了手机制造中的功放器件市场。 第三代半导体材料的兴起，是以g a n ( 氮化稼) 材料p 型掺杂的突破为起点，以 高亮度蓝光发光二极管( l e d ) 和蓝光激光器的研制成功为标志的 6 1 。g a n 半导体材 料的商业应用研究开始于1 9 7 0 年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性 质，从一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是g a n 的生长技术和器件制 造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。 ( 2 ) 半导体照明产业的光明前景 在丰富了色彩的同时，g a n 基l e d 最诱人的发展前景是其用作普通白光照明。 半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。与传统的照明工具 相比，半导体照明工具，尤其是氮化稼基白光l e d 照明，在功耗及寿命方面均有 第二章电荷泵和白光l e d 的理论分析 9 不可比拟的优越性。传统白炽灯泡采用热发光技术，浪费了9 0 的能源。而发光二 极管的效能转换率却非常高。g a n 成为半导体照明产业的“发动机”。 按照目前的技术水平和发展趋势，半导体普通白光照明市场的开始启动大约 会在2 0 0 6 年前后，而某些特殊照明市场己经开始启动。除了具备发出蓝光和绿光 的本领，g a n 基高亮度l e d 在能蛋转换过程中不辐射热盆，并且具有较长的寿命。 在节能和减少环境污染受到普遍重视的今天，g a n 基高亮度l e d 比普通l e d 和灯泡 具有更好的发展潜力。很多汽车制造商己经开始用g a n 基高亮度l e d 来装备车灯尤 其是汽车尾灯。 由于可以激发荧光，g a n 基高亮度l e d 一个具有革命性的应用领域是普通白光 照明市场，不过要想在普通光照明市场获得市场份额和竞争能力，目前g a n 基l e d 的亮度至少要提高5 倍以上。专家认为这个革命性市场的启动至少在5 1 0 年以后。 不过作为手机彩色显示的白光背景，g a n 基白光l e d 目前具有很好的市场竞争力。 目前包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国大公司正积极与g a b 器件领域的项 尖制造商合作，共同开发汽车和照明应用中的g a n 基l e d 产品。 传统白炽灯泡采用热发光技术，浪费了9 0 的能源。而发光二极管的效能转换 率却非常高。专家指出，自光l e d 照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的1 0 2 0 。 普通灯泡寿命只有1 0 0 0 d 、时：而白光l e d 灯寿命却可以达n l o 万小时。g a n 基白光 l e d 照明另外一个突出的优点就是环保。只用3 伏的直流电压保证其没有电磁干 扰，同时寿命长又保证产生更少的废物，不像日光灯点亮后会产生汞蒸汽等污染 物。除此之外，g a n 基白光l e d 照明光源体积小、重量轻、方向性好，并可耐各种 恶劣条件，比如可以泡放在水中等。这些优点使它足以对传统光源市场造成巨大 冲击。 虽然白光l e d 在照明领域还没有大规模应用，但其在手持便携式设备背光照 明、电子仪表显示照明方面的使用，己经显示出了巨大的市场潜力。尤其在手机 ( a ) 不加偏置时的异质结能带图0 0 ) 加正向偏置时的异质结能带图 图2 4l e d 发光原理 和p d a 等低电源应用领域中，用户对背光和显示色彩的要求越来越高，也使得白 光l e d 这这些领域的应用已经非常广泛。 0 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 2 2 2 白光l e d 概述 ( 1 ) 白光l e d 发光机理 g a n 基白光l e d 属于异质结注入发光。采用异质结的目的就是为了提高载流子 注入效率，图2 4 ( a ) 表示未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度 的势垒【5 】。b 1 2 4 ( b ) 表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空穴的势垒小得多， 而且空穴不断从p 区向n 区扩散，得到高的注入效率。n 区的电子注入p 区的速率却 较小。这样n 区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n 型半导体能 隙所决定的辐射。由于p 区的能隙大，光辐射无法把电子激发到导带，因此不发生 光的吸收，从而可直接透射出发光二极管外，减少了光能的损失。发光二极管与 半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注入的载流子转变成 光子，辐射出光。一般半导体二极管注入的载流子构成正向电流，在同质结界面 结构中，电子在半导体的导带内流动很顺利，同样空穴在价带中流动也很顺畅， 两者之间因为没有较大的能带差，使得电子与空穴相遇、复合产生光子的概率很 低。在图2 4 的l e d 结构中，采用了双异质结结构，中间发光层的能隙高度小于两 边束缚层的能隙高度，如此以来大大改善了发光层的电子与空穴的局限效果，提 高了发光效率。 目前一般所使用的白光l e d 生产技术，主要可分为单晶型和多晶型两种，而 根据白光l e d 的激发源来划分，单晶型技术又可分为蓝色l e d 和紫外光( u v ) l e d 两种，多晶型技术可分为红色蓝色绿色l e d 和蓝绿色琥珀色l e d 两种。 ( 2 ) 白光l e d 特性 ( 一) 离散的电学特性 现在市场上广泛使用的白光 、 u d 基本上是以单晶型白光l e d 为 1 ( m a ) 主，因为其驱动电路简单。而单晶 型白光l e d 采用发光晶粒为蓝光、 紫外或近紫外光发光晶粒，晶粒材 料都是宽带隙化合物半导体材料， 这样白光l e d 的正向压降v f 比一 v 一一 u ( v ) 般的有色l e d 要高。红光黄光的 l e d 驱动电压只要l v 2 v 左右。而 图2 5 理想状态下，白光l e d 的正向i - - v 特性 蓝白光l e d 在正向电流为2 0 m a 的情况下，正向电压v f 一般在3 v - 4 v 之间。不仅如 此在同一正向电压下，流过蓝白光l e d 的电流也有很大的离散性。 ( 二) 离散的电学特性 1 、温度对白光l e d 正向电压的影响 图2 5 是白光l e d 理想状态下的正向伏安特性曲线，l e d 伏安特性的数学模型 第二章电荷泵和白光l e d 的理论分析 可以表示为： = 。+ b 0 + ( a t ) ( t - 2 5 。c ) ( 2 1 4 ) 其中，v 。是l e d 的启动电压，r s 表示伏安曲线的斜率，i f 表示l e d 的正向电流， t 环境温度，a v f a t 是l e d 正向电 压的温度系数，对于大多数l e d 而 言，它的典型值为2 w 。c 。 紧 l e d 的伏安曲线及数学模型 看，l e d 在正向导通后其正向电压 的细小变动将引起l e d 电流的很大 变化，并且环境温度、l e d 老化时 间等因素也将改变影响l e d 的电气 性能。而l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，所以l e d 驱动电路在输 入电压和环境温度等因素发生变动 的情况下最好能控制l e d 电流的大 小。否则，l e d 的光输出将随输入 电压和温度等因素变化而变化。 2 、温度对白光l e d 正向电流的影响 3 0 2 0 1 0 6 0 02 04 06 08 0 1 0 0。c 图2 6 白光l e d 正同电流随温度的变化曲线 白光l e d 的正向电流的大小也是随温度变化而变化的，图2 6 是常用自光l e d 的允许正向电流随温度的变化曲线。当环境温度一旦超过5 0 度，白光l e d 的容许 正向电流会大幅度降低，在此情况下如果仍旧施加大电流，很容易造成白光l e d 老化。 2 3 白光l e d 驱动方式 2 3 1 开发自光l e d 驱动芯片的原因 在前面介绍了白光l e d 的电学特性具有很大的离散性，而且其电学参数的温 度特性也很不稳定。白光l e d 的发光辉度由驱动电流决定，当l e d 两端的电压发生 波动，驱动电流就等比的产生波动从而影响l e d 的发光辉度，造成其发光质量下 降。 目前，l e d 照明的应用主要集中在两个方向上，一个是低亮度应用场合，包 括手机、p d a 等小型便携式电子产品的背光照明，电子仪表的照明等。另一个是 需要高亮度照明的应用场合，包括大平面液晶的背光照明、汽车用照明、家用及 户外照明等，对于这种大功率的照明应用场合，l e d 在功耗和寿命上面的优势很 明显。 1 2 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 随着近几年移动电话、p d a 等便携式电子产品的液晶显示屏从黑白背景换成 了彩色背景，要显示色彩丰富逼真的图像，就必须放弃有色l e d 作为液晶背光照 明的方案，而采用白光l e d 照明方案。一个完整的背光照明方案，最基本的要求 是l e d 发光亮度的稳定，以及在整个背景屏幕上亮度均匀。 但是l e d 的应用环境却给稳定的l e d 发光提出了各种各样的挑战。拿手机应用 来讲，首先，电池的电压不是固定的，在一定时段内，它是直流电源，但电池电 源供电要求在2 7 v 5 5 v 内，电路都能够正常工作，这样大的变化范围工作，电源 又是不稳定的。通常不希望使用的手机亮度会随使用时间的延长而发生很明显的 降低。其次，手机中存在各种各样的数字信号，对模拟信号的干扰太大。这些数 字信号有来自麦克风和耳机的音频信号，有来自基带部分的高频信号，又有来自 射频模块的射频信号，这些信号即便在很好屏蔽措施下，还是会对手机内模拟信 号产生很大的电磁干扰( e m i ：e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。面对如此宽范围变化 的电源电压和很大e m i 情况下的应用环境，再加上白光l e d 本身对正向电压( 3 6 v ) 和正向电流( 2 0 m a 左右) 的苛刻要求，很需要一个能够给白光；l e d 提供稳定的输出 电压或电流的驱动电路。 2 3 2 白光l e d 驱动方式 根据前面对白光l e d 的特性分析和背光照明应用时对光源的要求，都需要对 白光l e d 进行专门的电源管理。 目前，白色l e d 驱动电路按照负载连接方式分为：并联型、串联型和串并混联 型：从提供驱动源的类型分为：电压驱动型和电流驱动型5 一。通常白光l e d 的驱动分 类是结合上面两种分类，分为四种常用的电源驱动方式，1 ) 电压源加镇流电阻；2 ) 电流源加镇流电阻；3 ) 多路电流源；4 ) 磁升压方式驱动串联l e d 。 ( 1 ) 电压源加镇流电阻驱动方式 该驱动类型如图2 7 所示，电路用稳压源配合镇流电阻控制l e d 的电流，这种 结构的优点是选择电压源的余地很 大，提供一定电压给白光l e d 而不 需考虑其正向电压。驱动芯片与 l e d 之间只需要一个连接端点，外 围储能元件只需要若干电容就可以： 从2 7 v 5 v 的输入电压得到稳定的 5 v 输出电压，完全不需要电感，使 整个应用电路所占体积很小，非常 适用于轻便微型需要节省电路板面 积的应用场合。另外，由于它不需 图2 7 电压源加镇流电阻驱动模式 要使用电感关系，也就没有一般电压转换器最头痛的线圈引入的噪声问题，电磁 第二章电荷泵和白光l e d 的理论分析 干扰问题也就不存在了。 然而这种驱动方式的缺点也很明显，第一，虽然它可以提供一个比其正向电 压大的恒定电压给白光l e d 提供正向驱动，但对白光l e d 而言，其正向电压很大的 离散性，也造成了白光l e d 亮度不一致的情形。第二，由于锂电池利用电荷泵升 压最多采用倍压方式，也就是说 对锂电池而言，假设其电压为 4 v ，若使用电荷泵倍压，在没 有稳压的情形下，其输出电压应 为8 v ，而为了得到稳定的5 v 输 出电压，就需要牺牲掉多出来的 电压，这种工作方式就造成了此 方式输入电压越高，电源转换效 率越低的主要原因。另外，镇流 电阻的存在也是造成该方式效 率低的一个原因，而且，它对 l e d 正向电流的控制也不是很 精确。 广一一一一一一一一一一一一一一一一1 图2 8 简单电荷泵电压源原理图 图2 8 是一个利用开关电容电荷泵结构实现5 v 稳压的电压源原理图，从图中电 荷泵的工作方式可以看出其工作在倍压方式下，电路通过对输出电压v o t r r 分压得 到一反馈电压v 阳与v 髓f 比较的结果判断输出是否达n 5 v 稳压要求，从而通过 c o n t r o l 模块控制电荷泵的工作状态。当v f b 高于v 旺f 时，c o n t r o l 模块将开关l 关闭， 并将开关2 打开，此时输入电压对 c m , 充电至v 珊，而负载所需之能 量由输出电容c o u t 来提供，当输 出电容的能量逐渐消耗，输出电 压也随之下降。当v f n 低于v r e f + 时，控制器将开关1 打开并将开关 2 关闭，此时输入电压会透过c f l y 对c o o t 充电；在前一阶段跨在 c f l v 两段的电压等于输入电压， 因此在这一个阶段c o u t 会储存相 当于两倍的输入电压，内部的两 个分压电阻会将输出电压稳在 5 v 。 ( 2 ) 电流源加镇流电阻驱动方式 图2 9 电流源加镇流电阻驱动模式 1 4 低噪声大电流l e d 电荷泵d c d c 芯片的设计 图2 9 是电流源加镇流电阻驱动方式的外围拓扑结构。此方式下，电流驱动器 采用带有整流功能的电荷泵，电荷泵向外提供稳定的电流输出。这种结构好处是 不但具备解决方案电路简单、体积小的优点，还考虑了提高电流的匹配性能。虽 然总的输出电流稳定了，但是为了 匹配各个l e d 的电流，使用了镇流 电阻来检测l e d 电流。电流可以利 用反馈连接至镇流电阻的l e d 进行 调节。由于l e d 之间的正向电压各+ 不相同，因此电流匹配的精度非常 有限，电路可以通过减小镇流电阻， 使功耗降低，但是这种结构在镇流 电阻上的耗电仍然较大。 ( 3 ) 多路电流源驱动方式 图2 1 0 是采用多路电流源驱动 图2 1 0 多路e g g 源驱动并联l e d 原理图 白光l e d 的方案，电路可以分别调 节l e d 的电流，不需要镇流电阻。电流调节精度和匹配度取决于每个独立电流源 调节器。由于没有了镇流电阻，就没有了输出电阻上的电损耗，而且该结构允许 输入和输出电压的压差可以很低，这两个方面都提高了电路的效率。这种结构能 够保证较高的性能指标，镇流电阻的减少也进一步减小了应用电路的有效体积， 更适合空间极为狭窄的场合使用。该结构和基于电感结构驱动方案比具有很大的 竞争力，它唯一的缺点是驱动白光l e d 的数里由它的输出端口数目决定。 还可以采用多路电流源驱动并联l e d ，它是通过电荷泵将输入电压升压到1 5 倍为输出端的并联l e d 提供足够高的驱动电压。流过白光l e d 的电流值是通过 设置编程电阻r s e t 的大小来调节 的，先在r s e t 支路根据其大小得到 一电流值，然后再将该电流值以一 定倍率镜像到n 个白光l e d 的驱动 端，从而实现对n 个并联l e d 的恒 流控制。它还有专门的亮度调节端， 通过在该端口加入模拟或p w m 信 号，实现对并联l e d 的亮度调节。 ( 4 ) 串联l e d 驱动方式 由于白光l e d 的平均正向导通 电压为3 6 v ，所以驱动串联l e d 需 要电路能够提供很高的输出电压和 图2 1 1 磁升压驱动串联白光l e d 夕b 围结构原理 第二章电荷泵和自光l e d 的理论分析 2 0 m a 左右电流输出，还要能保持很高的电源转换效率。电荷泵电路很难做到这一 点，基本上都是采用电感磁升压电路结构。 图2 1 l 给出了磁升压电路的外围结构图。串联驱动的最大好处是能够提供一固 定电流驱动白光l e d ，对于每个l e d 而言流过的电流都是一样的，因此l e d 的亮度 也相同，不存在亮度不匹配的问题。而且升压转换在其最大工作周期内可以有适 当的升压比，可以提供一个足够大的电压以驱动l e d ，这种方式驱动l e d 可以得到 很高的电源效率。另外，驱动器和l e d 之间只需要