（微电子学与固体电子学专业论文）升压式dcdc白光led驱动芯片的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = ：= = = ：= = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = , 1 1 = = = = = = ；= = = = = = = 一 摘要 白光l e d 具有发光强度大、效率高、体积小、寿命长等优点，被认为是当前最具 潜力的光源之一。为了充分发挥其优势，良好的驱动是不可或缺的。白光l e d 驱动芯 片已成为目前电源管理芯片市场的研究热点。 驱动白光l e d ，关键是要提供恒定的电流，以保证发光强度的稳定和均匀。利用 升压式d c d c 转换器来驱动白光l e d 具有高效率、高精度、高匹配度、应用灵活等优 点，是便携式应用中首选的方法。本文主要研究的就是用于白光l e d 驱动的升压式 d c d c 芯片的设计。 本文首先搭建了芯片的整体构架，芯片采用了电流模式p w m 控制方式和同步整流 技术，从而提高了瞬态响应速度和转换效率。接着，设计了芯片中的带隙基准电路、 电流采样及斜率补偿电路、功率管栅极驱动电路、软启动电路、反转保护电路等，并 给出了仿真结果。其中，电流采样电路采用无损采样s e n s e f e t 方法替代传统的直接串 联采样电阻的方法，降低了损耗；软启动电路采用脉冲充电方式，降低了充电占空比， 在不用外接电容的情况下可以实现7 0 0 s 以上的软启动时间；在整流管栅极驱动电路 中，通过引入负跳沿延时单元，消除了c m o s 瞬态短路导通现象，降低了功耗，保护 了输出级。 最后，用h s p i c e 对芯片进行了全局仿真：芯片启动时间达n s o 吮s ，输出电压纹 波系数仅为1 6 4 ，中等负载下转换效率在7 0 以上，输出电压达n 1 5 5 v 时可以实现 有效的过压保护，能够实现p w m 亮度调节功能，仿真结果表明设计的芯片达到了预 期的要求。 关键词：自光l e d 驱动，直流直流，同步整流技术，栅极驱动，电流检测，软启动 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gl i g h ts o u r c e s ，w h i t el e dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y , h i g l ll u m i n o u si n t e n s i t y ，l o n gl i f ep e r i o de t c t h ew h i t el e d d r i v e r sm a i nf u n c t i o ni sp r o v i d i n gc o n s t a n tc u r r e n t ，a n dn o wi th a sb e c o m et h es t a ro f p o w e rm a n a g e m e n tf i e l d u s i n gs t e p - 叩d c d cc o n v e r t e rt od r i v ew h i t el e d i sam a j o r m e t h o df o rp o r t a b l ea p p l i c a t i o n s t h ed e s i g no ft h es t e p u pd c d cc o n v e r t e rc h i p ，w i t h t h ec u r r e n tm o d ep w mc o n t r o la n ds y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，i si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s i nt h em a i np a r to ft h i sp a p e r ，f i r s t l y ，t h ew h o l ec h i p ss t r u c t u r ei sc o n s t r u c t e d a n d t h e n ，t h es u b c i r c u i t ss u c ha sb a n d g a p ，c u r r e n t s e n s i n ga n ds l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，g a t e d r i v e rf o rp o w e rm o s f e t s ，s o f t s t a r tc i r c u i ta n di rc o m p a t a t o ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s 1 n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls e r i e sr e s i s t o rt e c h n i q u e ，t h el o s s l e s ss e n s e f e tt e c h n i q u ei s u t i l i z e d ，w h i c hr e d u c e st h ep o w e rd i s s i p a t i o n w i t h o u tt h ee x t e r n a lc a p a c i t o r ，t h es o f t s t a r t c i r c u i tc a i lr e a l i z e7 0 0 z ss t a r t - u pd e l a yb yc h a r g i n gt h es m a l lo n - c h i pc a p a c i t o ra tl o n g i n t e r v a l s a ni m p r o v e dg a t e d r i v e rf o r t h es y n c h r o n o u sr e c t i f i e r , w h i c hi sn o to n l yr e d u d n g t h ep o w e rd i s s i p a t i o n ，b u ta l s op r o t e c t i n go u t p u ts t a g e ，i sp r o p o s e d f i n a l l y ，t h ew h o l ec h 币 s i m u l a t i o nr e s u l t sb yh s p i c ea t eg i v e n ：t h es t a r t u pd e l a ya t t a i n s8 0 0 , u s ，t h eo u t p u t v o l t a g er i p p i ec o e f f i c i e n ti so n l y1 6 4 ，t h ee f f i c i e n c yi sa b o v e7 0 u n d e rm o d e r a t el o a d ， a n dt h eo v e r - v o l t a g ep o t e c t i o na n dp w ml u m i n a n c em o d u l m i o na r ee f f e c t i v e k e yw o r d s ：w h i t el e d d r i v e r , d c d c ，s y n c h r o u sr e c t i f i c a t i o n ，g a t ed r i v e r ，c u r r e n t s e n s i n g ，s o f t - s t a r t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乖尹 伽6 年箩月呷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：稻、”f 指导教师签名： 2 0 0 6 多月( 1 日秽。年多 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先简要介绍白光l e d 及其驱动方法，接着引入所设计的用于白光l e d 驱动 的升压式d c d c 转换芯片，然后讲述d c d c 转换芯片的关键技术，最后介绍本文的组织 结构。 1 1 白光l e d 简介 发光二级管( l i g h t e m i t t j n gd i o d e ，l e d ) 是一种固体光源，当它两端加上正向 电压时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子 发射。采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管【l 】。作为一种光源，l e d 有很 多优点【2 ： 功耗低，发光效率高般单个l e d 的驱动电压为3 4 伏，工作电流在几十 几百毫安，发光效率可达5 0 流明瓦，而典型白炽灯的发光效率为1 5 流明瓦。 寿命长l e d 的半衰期( 即光输出量减少到最初值一半的时间) 大概是1 万到 1 0 万小时，是荧光灯的1 0 倍，白炽灯的1 0 0 倍。 体积小目前标准贴片封装的l e d 外形尺寸仅1 6 0 8m b l 2 。 自从1 9 9 6 年日亚化学发明白光l e d 3 】之后，白光l e d 就被视为最具发展潜力的光 源之一。它具有发光强度大、发光效率高、寿命长等特点【”，除用做l c d 背光照明外， 近年来逐步用做照明灯( 如己开发的手电筒、应急灯、节能灯) 、闪光灯及频闪设备【5 i 。 白光l e d 也从小功率( 电流几十毫安) 发展到中功率( 电流上百毫安) 及大功率( 电流达 1 0 0 0 毫安) 。例如，数码相机采用中、大功率白光l e d 代替传统的氙闪光管做闪光灯， 不仅无须高压电路，并且减少电池消耗，节省空间，增加可靠性，尤其是无须较长的 充电时间，不会因此而丧失抓拍良机，其优越性是不言而喻的。用大功率白光l e d 做 灯光广告的闪光灯，在夜空中闪闪发光，其广告效果极好。 华中科技大学硕士学位论文 白光l e d 是小型彩色l c d 背光照明的最佳选择，这是因为它能使l c d 色彩更逼真、 色度更饱和，并且电路简单、占印制板体积小、耗电省、价格较便宜的缘故。近年来， 手机不断更新换代，普及率越来越高，与此同时数码相机逐渐取代传统相机，这促使 白光l e d 及其驱动器的产量猛增。 为满足不同输入电压、不同的输出电流及不同的l e d 数等要求，各半导体器件公 司纷纷开发出各种新型白光l e d 驱动器以满足市场的需要。另外，要说明的是，自光 l e d 驱动器除可驱动白光l e d 外，也可驱动蓝色l e d 或其他颜色l e d 。另外，由于它 具有稳定输出或可编程恒流输出的特点，也可用作稳压电源或可编程恒流源。自光l e d 驱动芯片有着广阔的市场前景，设计白光l e d 驱动芯片有着极其重大的意义。 1 2 白光l e d 驱动技术 图卜1 是白光l e d 的伏安特性曲线，可以看出白光l e d 在正向导通后其正向电压 的细小变动将引起电流的很大变化【“，并且，环境温度、老化状况等因素也影响l e d 的电气性能。因为白光l e d 的发光亮度与正向电流呈比例关系，所以这就要求其驱动 电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下能有效控制白光l e d 电流的大 小。否则，白光l e d 的发光亮度将会不稳定，并且，若其电流失控，使它长期工作在 大电流下，将影响其可靠性和寿命，甚至使其失效1 7 。 v t h v 图1 1l e d 伏安特性曲线 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 两种常用的驱动方法 白光l e d 是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。对于便携式应用， 有两种常用的方法可以控制正向电流。第一种方法是采用带镇流电阻器的恒压电源 7 1 ， 其电路如图1 - 2 所示。这种方法存在两个缺点：第一，由于温度和工艺的原因，难以 保证每个l e d 的正向压降绝对相同，因此尽管可以保证v 珊的稳定和r b 的一致性， v f 的微小变化仍会带来较大的i 。变化；第二，镇流电阻的压降和功耗使系统效率降 低。 。脚 | l 曲2 瓦i ：； 图1 - 2 带镇流电阻器的恒压电源驱动电路 第二种方法，也是首选的l e d 电流调整方法，是利用升压式o c d c 转换器来实现 l e d 的恒流驱动【8 j ，其电路如图卜3 所示。整个驱动电路相当于恒流源，可消除因温 度和工艺引起的正向电压变化所导致的电流变化。参考电压v i 。和电流检测电阻器 r s e n s e 的值决定了l e d 电流。在驱动多个l e d 时，只需把它们串联就可以在每个l e d 中实现恒定电流。驱动并联l e d 需要在每个l e d 串中放置一个镇流电阻。 该方法有以下优点： 高精度恒流：整个驱动电路相当于恒流源，可消除因温度和工艺引起的正向电压 变化所导致的电流变化。l e d 电流的精度，基本上取决于转换器的反馈阈值电压 的精度和控制环的环路增益，因此不会受到l e d 正向电压的影响； 高效率：使用低的反馈阈值电压，可以降低电流检测电阻的功率损失，驱动电路 华中科技大学硕士学位论文 效率可以达到8 0 以上； 高匹配度：白光l e d 采用串联方式连接，所以流过它们的电流完全匹配； 转换器与l e d 之间需要二个连接端子，而且l e d 的使用数量不会受到转换器种类 的影响，这意味着设计者拥有更大的选择空间： 体积小：转换芯片及其外围器件可以采用小体积的表贴式封装。 因此该驱动方法广泛应用在各种便携式产品中。基于这种考虑，我们设计了用于 驱动白光l e d 的升压式d c d c 转换芯片。 鲰祭 图卜3 利用升压式d c d c 转换器实现l e d 的恒流驱动 1 2 2 白光l e d 驱动电路需满足的要求 对于便携式应用，白光l e d 驱动电路需满足以下要求【9 】： 为满足便携式产品的低电压供电，驱动器有升压功能，以满足1 3 节镍氢电池或 1 节锂离子电池供电的要求，并要求工作到电池终止放电电压为止； 驱动器有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的时间间隔； 在多个l e d 并联使用时，要求各l e d 的电流相匹配，使亮度均匀； 低功耗，静态电流小，并且有关闭控制，在关闭状态时一般耗电小于1 肛a ； l e d 的最大电流i 。e d 可设定，使用过程中亮度可调节； 有完善的保护电路，如低压锁定、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等； 负载断开 华中科技大学硕士学位论文 小尺寸封装，并要求外围元件小而少，其占用的占印制板体积小 对其他电路的干扰小； 使用方便，价位低。 以上的各种要求其实也是我们设计芯片时的依据和指标。同时，为了能成功设计 出一款升压式d c d c 转换芯片，需要对d c d c 转换器的知识有深入的理解。 1 3d c d c 转换器关键技术介绍 l3 1 电流模式p w m 控制 t oc o n u o l t h es w i t c k 图1 4 电流型p w m 原理图 电流控制模式是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法【1 0 1 ，基本结构如图 卜4 所示。电流控制模式把交换器分成电流、电压两条控制环路。输出电压v o u t 经过 分压后送入误差放大器的反相输入端，而放大器的同相输入端为精密温度补偿基准电 压v r 。，两者之差被放大后与电感电流的采样信号相比较，决定是否关断开关管。 电压控制环路设置阂值，电流环路调整开关或初级电路中的峰值电流。由于输出 电流正比于开关电流，所以可以在逐个脉冲上控制输出电流，从而电流模式控制具有 比电压模式控制更优越的电源电压和负载调整特性。同时，电流模式控制不需要专门 的限流电路，而且简化了补偿电路。另外，由于电流内环只负责输出电感的动态变化， 而电压外环仅需控制输出电容，所以电流控制模式具有比电压控制模式大得多的带 宽。 总之，电流模式控制方式显著提高了电源的性能：( 1 ) 具有良好的线性调整率和 快速的输入输出动态响应。( 2 ) 固有的逐个脉冲电流限制，简化了过载和短路保护。 ( 3 ) 消除了输出滤波电感带来的极点，使电源系统由二阶降为一阶，系统不存在有 5 华中科技大学硕士学位论文 条件的环路稳定性问题。( 4 ) 对并联工作的多台电源能够实现自动均流。 但是，需要指出的是当占空比d 5 0 时，采用电流模式p w m 控制的电路不能稳 定工作，必须增加斜率补偿电路进行改善1 1 。创。因此，电流模式p 砌控制芯片，需要 比电压模式p w m 芯片增加电流检测电路和斜率补偿电路。 1 3 2 同步整流技术 如今低压大电流已成为d c d c 变换器的一种趋势，在这种情况下，传统的采用肖 特基二极管的整流方式已经不能满足高效率的要求，同步整流技术已成为一种必然手 段。 所谓同步整流就是用通态电阻极低的功率m o s f e t 来取代整流二极管，这不仅可 以大大降低整流器的损耗，提高d c d c 变换器的效率，而且还不存在二极管的死区电 压问题i ”1 。图卜5 为同步整流升压式d c d c 电路拓扑图，功率n m o s 管m 1 为开关管， p m o s 管m 2 为整流管。通过给m 1 管和m 2 管施加同步驱动电压，可以使电路有效地工 作。 v i w 图卜5 同步整流d c d c 升压电路原理图 对于同步整流，它有以下几项关键技术1 4 】： 1 整流器件效率的提高 对于目前采用的整流器件m o s f e t 来说，一般存在导通、驱动、开关、体二极管 损耗。其损耗特性可由“质量因子”( 定义为导通电阻和栅极电荷的乘积) 来表示。 因此在提高b l o s f e t 效率时面临很大的限制必须在导通电阻和栅极电荷之间折中 ，即导通损耗和容性损耗之间折中。必须尽量降低其质量因子，使得整流器件各因 数最优化，以提高电路效率。 华中科技大学硕士学位论文 2 死区时间的减少 同步整流技术中，如何减小同步整流管驱动的死区时间，从而减小在死区时间内 体二极管导通所产生的损耗对整体效率的影响一直是普遍关注的问题。给同步整流 m o s f e t 反并联一个肖特基管以及最新的一种单绕组自驱动同步整流技术都可以减小 死区问题对效率的影响。 3 动态响应的提高 新一代高速数据处理电路将以更快的速度工作，在其各个工作状态的相互转换 中，将对应着越来越快的电流变化率。所以小功率电源面l 缶着更快速的负载突变，电 源变换器需要具有非常快速的动态响应，其解偶电容电流响应要求达到a n s 的变化 数量级。对应于输出电压的过冲( 上冲或者下冲) 可通过降低输出滤波电感值和加大 动态变化时滤波电感上的电压，来满足负载对稳定输出电压的严格要求。 4 轻载效率的提高 在大部分同步整流电路中都存在轻载时效率偏低的问题。为了提高动态响应， 般输出电感值都比较小，这会引起轻载情况下电感中的电流变负，导致出现环流，使 导通损耗加大。可以运用多模式控制f 1 研的方法，在轻载时采用变频，重载中采用固定 频率，防止电感中电流变负，强迫其工作方式从c c m 模式转入d c m 模式，减少了导通 损耗，从而提高轻载时电路的效率。 5 功率密度的提高 高功率密度的实现，其有效措旌是高频化，减小变换器中的磁性元件和大容量电 容的体积、重量。但高频率化的同时，开关损耗及铁心损耗增大，电路寄生元件也将 对系统工作性能和散热情况产生影响。因而应进一步提高变换器效率和减小电路中寄 生元件参数的大小，在工艺上实现超薄化、扁平化，采用有效的布线和集成封装技术。 但是，对于同步整流技术，需要增加相应的整流管控制和驱动电路，对于升压式 d c d c 芯片，还需要对整流管的衬底电位加以控制。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 论文结构和主要内容 本文，第一章首先介绍白光l e d 的优势及其驱动芯片研制的意义。然后介绍了两 种驱动方法，其中使用升压式d c d c 转换器的驱动方法是便携式应用的首选方法。接 着给出了设计这种转换器的技术指标，这也是本芯片设计的主要依据。最后，介绍了 d c d c 转换器的两项关键技术：电流模式p w m 控制方式和同步整流技术。 第二章进行芯片整体设计：首先，搭建了芯片的整体构架，接着对芯片引脚、内 部模块、内部引线进行了说明，最后给出芯片应用实例电路及注意事项。 第三章设计了芯片中的带隙基准电路、电流采样及斜率补偿电路、功率管栅极驱 动电路、软启动电路、反转保护电路等，并给出了仿真结果。 第四章，对整个芯片进行了全局仿真。 第五章，对全文迸行总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 设计要求 2 1 1 芯片要求概述 2 芯片整体设计 我们所要设计的芯片是一款固定频率的同步整流升压式d c d c 转换芯片，适用于 要求低电流和高效率的手机背光灯的白色发光二极管应用。该芯片采用1m h z 的固定 运行频率，允许使用小型低e s r 电容器，同时频谱易于预测，这对于手机应用是很 重要的。在不使用外置整流二极管的情况下，芯片可以使用一节锂离子电池或三节镍 氢电池驱动串联的2 至1 j 4 个白色发光二极管。另外，还可以通过在停机引脚上使用一个 脉冲宽度调制( p w m ) 信号调整白色发光二极管的亮度。在停机模式下，芯片会断开输 入与输出的连接以实现真正的负载隔离。 2 1 2 芯片所要实现的功能 同步整流，高效率且不需要外接肖特基整流二极管 可以驱动3 个( 或4 个低) 串联的白色发光二极管( l e d ) 输入电压范围为2 7 v 到7 v 真正的负载隔离 具有过热保护功能 具有输入欠压锁定功能 输出过电压保护，可以使用小型1 6v 陶瓷电容作输出电容 停机电流要小于1 “a 2 1 3 芯片应用范围 白光l e d 背光灯 数码相机、手机、笔记本电脑、掌上电脑等便携式应用 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 顶层结构的搭建 2 2 1 芯片结构图 我们设计的采用电流模式p w m 控制的同步整流升压式d c d c 白光l e d 驱动芯片的 顶层结构图如图2 - 1 所示。 v s w a g n d 2 2 2 芯片引脚介绍 v i n ：芯片电源输入引脚 图2 一l 芯片模块结构图 v o u t ：转换器电压输出端 v s w ：s w i t h 端，功率开关管和整流管的漏极连接端 f b ：输出电压反馈引脚，外接电阻调节白光l e d 最大电流 0 n d 1 0 华中科技大学硕士学位论文 豇面雨：停机引脚，接低电平时关断芯片。通过在该引脚加p w m 信号可以实现 自光l e d 的亮度调节 g n d ：功率地 a g n d ：模拟地 2 2 3 芯片模块简述 1 b a n d g a p - - 带隙带隙基准电路，为其它电路提供基准电压( 、，雎，) 和电流偏置。 2 e a m p 一误差放大器模块，该模块将输出的反馈采样电压与基准电压进行比较 放大，输出至i r e g 模块，控制电感峰值电流，使输出电压保持稳定a 3 ir e g 一根据误差放大器的输出，设置电感峰值电流限制；在软启动时，根据 软启动电路s o f t s t a r t 的输出s s ，限制工作电流。 4 o s c 一振荡器模块，产生电路周期工作的定时信号c l k 和斜率补偿所需的锯 齿波信号r a m p 。 5 s l o p e _ c o m p - - 斜率补偿电路，将采样的电感电流信号和补偿斜坡r a m p 叠加， 输出i c s 接p w m _ c o m p 反相输入端。 6 p w m _ c o m p - - 脉宽调制比较器模块，其输出下跳沿关断开关管，开启整流管。 7 d 曲e n 一功率n m o s 开关管驱动模块 8 d r i v e p 功率p m o s 整流管驱动模块 9 b o d yc o n t r o l - - 衬底偏压控制模块，产生同步整流p m o s 管的衬底电压及 d r i v e p 的电源。 1 0 s o f t - s t a r t - - 软启动模块，为了防止刚启动时的浪涌电流而设计的电路。其 输出s s 接至ir e g ，限制启动时的电流。 1 1 o t p 一过热保护模块，当芯片内部结温超过1 5 0o c 时，关断芯片，并且有3 5 。c 的迟滞。 1 2 o v pc o m p - - 输出过压保护模块，当输出电压v o u t 超过1 5 5v 时，关断开 关管和整流管，并且有0 9v 的迟滞。 1 3 u 1 帅c o m p - - 输入欠压保护模块，当输入电源电压低于2 4 v 时，关断芯片， 华中科技大学硕士学位论文 并有0 1 v 的迟滞。 1 4 h 譬h tl o a dc o m p - - 轻负载模块，为了提高转换器轻负载下的效率而设计的电 路，使转换器在轻载时进入s k i pm o d e ，降低损耗。 1 5 d u t yl i m i tc o m p - - 占空比限制模块，将转换器的最大占空比限制在8 7 ，其 输出d u t y l 负跳变时，关断开关管。 1 6 i r c o m p - - 反转保护模块，防止转换器进入断续模式时电流反相，其输出m 负跳变时，关断整流管。 1 7 a n t i r i n g i n g - - 抗振铃电路，通过短接电感，抑制电路进入断续模式时，v s w 端产生的r i n g i n g 。 1 8 c o n t r o l - - 逻辑控制模块，为整个芯片提供定时和控制。 2 2 4 顶层结构图中的引线说明 表2 - 1 芯片内部关键引线说明 引线名产生电路功能描述 v r e f b a n d g a p基准电压( 1 2 v ) c l k 频率1 m h z 的脉冲信号 r a m p o s c 用于斜率补偿的锯齿波信号 e ae a m 口 误差放大信号 1 c s s l o p e c斜率补偿后的电流采样信号 i s w 检测的开关管的电流 h i _ r e g峰值电流阈值 s ss o f t - s t a r t 软启动电路的输出 p 、m p w m c o m p脉宽调制信号 d f i n n m o s 控制，为高时导通 d r i p c o n t r o l p m o s 控制信号，为高时导通 n gd r i v e n 开关管的栅极信号 p gd r i v e p 整流p m o s 管的栅极信号 b o d y b o d y _ c o n t r o l 整流p m o s 管的衬底电位 i r 】r c o m p 电流反转指示 ms 整流管电流检测指示 o t p0 t p 过温指示 d 1 1 t y l d u t y l i m i t _ c o m p占空比超过8 7 指示 l i g h tl i g h t _ l o a d c o m p轻载检测指示 u v p u v p c o m p 输入欠压指示 o v p 0 v i a 输出过压指示 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 3 芯片的应用 2 3 1l e d 电流调整 图2 - 2 芯片典型应用电路 白光l e d 的电流( i l e d ) 可以依据下面的公式进行调整： i l e d = v f e r l e d ( 2 - 1 ) 式中v f b 为芯片f b 引脚的电压，r l e d 为镇流电阻阻值a l e d 的电流也可以通过在而引脚上施加频率为1 0 0h z 一1k h z 的p w m 信 号来实现。当p w m 信号的占空比为1 0 0 ，即爵i 五丽始终为高电平时可以获得最大 的电流。 该芯片可以驱动串联连接的2 到4 个白光l e d ，当驱动串联的4 个l e d 时，应 选择正向导通电压较低的l e d ，以防止输出端电压太大而激活输出过压保护( o v p ) 功能。 2 3 2 电感的选择 电感的饱和电流必须大于每个周期电感上的尖峰电流。选择较低d c r 的电感将 1 3 华中科技大学硕士学位论文 会降低功耗，增加效率。 电感的最小值可通过下面的公式计算出来： l 訾0 2 9 争，) p z ， 1d j 、7 式中，v a q 为输入电源电压，r d s o n 为开关管通态电阻，d 为占空比，d - - - - 1 一d 。 2 3 3 电容的选择 对于输入、输出端的电容，应选用低e s r 的瓷片电容。叠层式的x 7 r 或x 5 r 系 列瓷片电容是最佳选择。电容容量不需太大，1 f 对于大多数应用就足够了。当然， 在一些特殊的应用中，可能需要输入端电容最少有4 7 z f ，以保证正常的启动。还可 以在输入端增加一个1 0 0n f 的瓷片电容来消除输入电压的高频纹波。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 带隙基准电路 3 芯片模块电路的设计 带隙基准电路是本芯片中重要的电路单元，对于调整器的输出精度有很大的影响。 一个性能良好的带隙基准电路能够保证在一定的范围内基本上不随电源电压、工艺参 数及温度的变化而变化。设计带隙基准，首先要从芯片的整体性能考虑设置它要达到 的指标。 3 1 1 带隙基准电路的设计指标 1 基准电压温度系数 带隙基准电路的一项关键技术指标就是其电压温度系数口，它表示由于温度变化 而引起输出电压的漂移量，简称温漂，单位是1 0 七 c ( 即1p p m * c ) ，其计算公式如 式( 3 - 1 ) 所示： 铲去鲁( 3 - 1 )坼2 话昔 式中v r e v 为带隙基准电路输出的基准电压。带隙基准电路理论上可以实现零温 漂，实际上由于受基极电流i b 等因素的影响，。只能接近于零温漂。对于本设计， 从精度和电路复杂度上综合考虑，温度系数小于5 0p p m 。c 即可。 2 电源抑制能力 对带隙基准电路而言，应保证输出电压尽量和输入电源无关，也就是要保证尽量 高的电源抑制能力。表征电源抑制能力的参数有两个：电压调整率和电源抑制比。 电压调整率表征了输入电源电压变化时，基准电压保持稳定的能力。它定义为 a v r 。，a v i ，该值越小越好，其中v i 为输入电压的变化量，、k ，表示由a v t 引起的 基准电压的变化量。 电源抑制比( p s r r ) 就是表征电源抑制能力的交流小信号参数，其定义如式( 3 2 ) 所示： 1 5 华中科技大学硕士学位论文 p s r r ； 呈垄璺生! ! 。 ! r i p p l eo i i p u t a v o 。o u ( 3 2 ) 其中r i p p l e p 。和r i p p l e o u t p u t 分别为电源电压和输出电压的小信号变化量， a p 0 w c r 。o u t p , a t ) 为输出电压对电源电压的增益。 为了保证较高的电源抑制比，通常在基准源内部会采用高增益、负反馈连接的放 大器电路。但是随着频率的提高，寄生参数会导致放大器增益的减小，从而导致电源 抑制比的下降，同时，还可能导致电路的不稳定。 对于本芯片而言，基准源输出电压的电源抑制比，应保证在频率低于1 0k h z 时 大于6 0 d b 。 3 启动性能和稳定性 对于基准源电路，还涉及到电路的启动问题。启动性能是指电路跳出刚加电时不 希望的锁定状态，进入正常工作状态的能力。为了保证基准源电路顺利启动，通常要 增加启动电路，启动电路设计的原则是，既要能保证电路摆脱初始锁定状态，又要保 证在电路正常工作时尽量地不影响电路的工作，同时还要考虑其功耗和电路复杂性因 素。 通常情况下，带隙基准电路中包含了负反馈放大电路，因此可能会产生震荡现象， 所以稳定性也是必须要保证的。 对于本芯片的带隙基准电路而言，除了上述主要性能指标之外，还要考虑其噪声 抑制能力、负载调整能力、功耗、芯片面积以及设计复杂度等。 3 1 2 带隙电路结构的选择和基本参数的确定 带隙基准电路从发明到现在已经历经4 0 多年历史，为了满足不同的要求，有很多 种不同的电路构架。设计带隙基准电路的第一件事就是选择一种合适的电路结构。我 们希望设计的带隙基准的输出电压在1 2 v 左右。另外，考虑可移植性，该电路最好 能和标准c m o s 工艺相兼容。一种简单而实用的带隙基准电路如图3 - 1 所示【1 7 d 8 1 。 r 1 、r 2 、r 3 、q 1 p 8 和q 9 构成核心带隙电压产生器，放大器a m e 3 g 为反馈放大器， 保证a 和b 点电位相等。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 1带隙基准电路结构框图 要构成带隙电路，我们需要具有正温度系数和负温度系数的电压或电流。由器件 物理知道，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极发射极 电压的差值就与绝对温度成正比，也就是说具有正温度系数。在图3 1 所示电路中， 放大器a m p _ b g 保证a 、b 两点的电位相等，r 3 上的压降就等于0 9 和q 1 p 8 的基 极发射极电压的差值。 以屯飞矿叫卦叫亡卜( 鲁) ， 式中，v t = k t q ，为热电压；a e l p 8 、a e 9 是q 1 mq 9 管的发射区面积，它们的比值为 n ：1 。 由于v a - - - - v b ，则i ，r 2 = 1 1 r 1 。代入( 3 3 ) 式得： m r 3 = 叫n 罟) 由此可见，r 3 上的压降具有正温度系数且与热电压v t 成e 比。 鲁= 志叫n 罟) 驴- ：罟= 羔叫n 罟) v r i = i i r i = k r e ，v 1 m ( n 等) ( 3 - 4 ) 另外，可得： ( 3 5 ) 1 7 华中科技大学硕士学位论文 r 1 上的压降v r t 也与v t 成砒其 匕例系数为詈l i l 卜鲁) ，只与q 1 p 8 , 和q 9 的发射极面积比、r 2 和r 1 的比值、r 2 、r 3 的比值有关。 于是，正温度系数的v r t 和负温度系数的v e b 9 相叠加就可以得到带隙基准电压 v m 。 v r 。= v e b ，+ v r l _ v 髓9 + i 。r 1 _ 。+ 警v t h f n 箭) ( 3 - 6 ) 从式( 3 6 ) 中可得到带隙基准电压只与p n 结的正向压降、电阻的比值以及q 1 耶和 q 9 的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将会有很高的精度。当基准建立 之后，基准电压与输入电压无关。合理设置电阻比例和p n p 管发射极面积比，可以使 正负温度系数相抵消，使带隙基准电压、，吐，具有接近零的温度系数。 式( 3 - 6 ) 两边对温度t 求导，得到： 鳖0 t 一竖0 t 粤r 3 詈1 1 1 ( n 堕r 1 ) ( 3 _ 7 ) qij 只要保证式( 3 8 ) 成立，就可以使带隙基准电压v 。具有零温度系数。 丝l n f n 里1 ：一旦监 ( 3 8 ) r 3 ir 1 k0 t 下面来初步确定以上几个关键参量的值：首先确定p n p 管的发射极面积比，n 一 般选取4 、6 、8 、1 0 ，从版图布局来考虑n = 8 最理想，如果要减小版图面积，也可 考虑n = 4 ，这里选择n = 8 。对于r 2 和r 1 的比值，为了使三极管总的静态电流最小， 同时版图面积也较小，选择r 2 r 1 = 1 。对于r 2 r 3 的确定还需要知道所用工艺中v p n p 管的温度系数。通过查看工艺库文件和简单的仿真，得到旦= 一1 9 1 1 0 v k 。 将以上已经确定的参量代入式( 3 8 ) 中，得到： 一r2 1 9 1 x l o - 3 ：1 0 5 5( 3 9 ) r 31 8 1 x 1 0 将以上参量代入式( 3 6 ) 中可以得到2 5o c 时的带隙基准电压： 华中科技大学硕士学位论文 v 唧= v e b 9 + 嚣呐f n 嚣1 - 0 6 6 5 + 1 0 5 5 x 0 0 5 4 - 1 2 3 v 至此，带隙基准电路的电路结构已经设计完毕，下面的工作是设计具体电路和参 数。 3 1 3 带隙基准具体电路的设计 利用上面的电路结构的一种自偏置的带隙基准电路如图3 - 2 所示。电路中m 1 m 9 组成了图3 - 1 中的a m pb g 。p m o s 管m 1 和m 2 组成放大器的输入差分对，这 里需要说明的是，之所以使用p m o s 管做输入级有两个原因：第一，从输入共模电平 考虑，a 、b 两点的电位即放大器的输入共模电平只有0 6 6v ，而本芯片所采用工艺 中的n m o s 管的阈值电压v t h 0 就有0 8 3 v ，在考虑衬偏效应时会更大，所以用n m o s 作差分输入级是不合适的；而p m o s 做差分输入级时，输入共模电平可以低到零，甚 至为负值，可以满足要求。第二，从对输入电源v i n 的电源抑制特性上考虑，要提高 输出电压v r 卫f 的电源抑制比，就需要提高负反馈运算放大器的电源抑制比。采用p m o s 管作输入级的放大器的电源抑制性能比采用n m o s 管作输入级的要好。 另外，运放的失调v o s 是基准源的一个主要误差源。失调也就是当运放的输入为 零而其输出电压并不为零的情况【1 9 删。当考虑v o s 时： v r 。屯，+ 两r 2 m f n 罟) + v o s 】 ( 3 - 1 1 ) 对于上式，需要说明的是尽管存在失调电压，式中我们依然假设了i c 。一i c a 。这 里的关键问题是失调电压被放大了r 2 r 3 倍，在v 肛f 中引入了误差。更重要的是， v o s 本身随温度变化，因此增大了输出电压的温度系数。因此，应尽量减小a m p _ b g 的失调电压v o s 。一种行之有效的方法是运放采用大尺寸器件并仔细选择版图的布局 使得失调最小。本带隙基准电路中的放大器就采用了大尺寸的m o s 管来降低失调。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 2 带隙基准具体电路 下面的问题是，运放的偏置电流如何产生。两种简单的办法如图3 3 所示。但它 们有一个问题，就是产生的偏置电流是电源v i n 的函数。这将大大降低电路对v i n 变化的抑制能力。图3 2 中的偏置产生电路可以称为“自偏置电路”，它使用电路产生 的基准电压来产生电路的偏置电流。忽略衬底偏置效应和沟长调制效应，假设电源电 压v i n 足够使m l l 处于饱和区，可以得到式( 3 1 2 ) ： 0 5 耻c 。x ( 孚) m 1 1 ( 、k r 4 一v 。，。) 2 ；l b(312)ibr4耻c 。x ( ) m 1 1 ( 、k 一 一v 。，。) 2 = l 。 ( 3 一 l 式中“为载流子迁移率，c o x 为单位面积栅氧化层电容，v r a l l 为m l l 管的闽值 电压，i b 为基准电流。由式( 3 1 2 ) 可以看出，i b 与电源电压v i n 无关。 使用这种“自偏置电路”会带来电路的启动问题：当v r e p 小于v t u n 时，偏置电流 i b = 0 a ，m 9 截止，v r e f 被拉至零电位，也就是电路被锁定在。= ov 、i e = 0 a 的 状态。为此，需要启动电路。启动电路设计的原则是，既要能保证电路摆脱初始锁定 状态，又要保证在电路正常工作时尽量的不影响电路的工作，同时还要考虑其功耗和 电路设计的复杂性等因素。一种简单而有效的方法是在m 9 的栅极增加一个防止锁定 的下拉电路，下拉电路可以是个电阻，或一个二极管连接的m o s 器件。为了减小 华中科技大学硕士学位论文 启动后启动电路的影响，同时有尽量小的功耗，所使用的电阻必须非常的大，这会占 用大量版图面积。使用宽长比较小的m o s 管可以在较小的版图面积下保证较高的电 阻值。图3 4 为增加了启动电路的带隙基准电路。小宽长比的m o s 管m 1 2 0 、m 1 2 和电阻r 6 串连，组成一个等效电阻很大的二极管。当电路处于锁定状态时，m 8 截止， 启动电路将m 9 的栅极电压下拉至零，m 9 导通，产生较大的v r e f ，同时产生i b ，使 电路摆脱锁定状态。 斟3 - 3 两种简单的偏置电流产生方法 图3 4 带启动电路的带隙基准电路 2 1 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 5 完整的带隙基准电路 下面再考虑电路的稳定性问题。如图3 - 1 所示，带隙基准电路为负反馈结构，不 恰当的零、极点可能会导致电路的震荡，需要进行频率补偿。补偿后的电路如图3 5 所示。电容c 1 、c 2 为补偿电容，同时，c 1 还兼