（微电子学与固体电子学专业论文）串联型白光led驱动ic的设计.pdf

摘要 撼要 本论文酶题鼙来源于与海外公司的合作项霞，论文酌疆髂鬣设计了稀国际 市场需求量大的串联型囱光l e d 驱动i c 。该驱动i c 可恒流驱动多达6 个串联的 臼光l e d ，丽盈可浚为带有主，次显示屏瓣手祝等便携式设备提供灵活的背光控捌。 随着彩色液晶显示屏( l c d ) 在手机、掌上电脑、数码相机等便携式电子设 备中越来越多的应用，为l c d 提供背光静自壳毛e d 驱韵壬c 成海了毫澈管理l c 设计领城新的热点。在囱光u m 驱动i c 方面，各大模拟i c 公司均推出了种类繁 多翁产赫，这些产品霹分为两类：莠联鏊宣毙礁d 驱麓犯移攀联鍪鸯党l 嚣d 驱 动i c 。本论文设计的驱动i c 既可以满足市场的需求，又可以为设计其他功能熨强 瓣驱动憋提供参考。毽建，奉论文怼予鑫走毛鞋羚驱动l e 豹研究其骞一定戆实耀 价值和理论意义。 本论文静磷炎愚臻秘工 擘内容摇下： 首先，论文对白光l e d 驱动i c 的工作原理、设计疆求进行分析和研究，并 在蘧基皴上，竣诗了整体泡疆结构。该患踉缝橡袋趱了彀浚控裁技寒瓣委一送d e 獭 = 变换器，以恒定电流驱动串联的白光l b d 。然后，论文对驱动i c 的主要子电路进 行了设计帮臻囊，包括：c t r lg 摸块、e n 躺l e 模块、o s es l 0 p 嚣模块、 p w m _ c 0 础p 模块、d r j v e r 。i s 模块。最后，论文对熬体电路进行了仿真。 本论文豹刨耨之处农于；在越c t 黯g m 模块豹论述中，论文对运算跨导放 大器( 0 1 a ) 的跨导稳定性进彳亍了较为深入的研究。在分析中，本论文引入并使 用了跨导的摆对湿度系数、跨导对电源魄压的敏感度、跨导特性改善因子三项指 标。三项指标的分析表明，论文所设计的改进的0 1 a 的跨导在稳定性方面比经典 的双极烈o i a 其有更好的性能。 予电路和整体电路的仿真缩果表明论文设计的驱动i c 功能难常，可以满足应 嗣饔求。 关键词：自光l e d ，串联，驱动i c ，运算跨导放大器，稳定健 a b s 缸丑c t t h es u b j e c to f 也ed i s s e n a t i o no r i g i n a t e s 丘o mac o o p e r a t i v ep r o j e c t 血n d e db ya l l o v e r s e ac o m p a l l yt h ed i s s e r t a t i o na i m st od e s i g naw h i t el e d sd r i v i l l gi cw l l i c hi s h i 曲l yd e m a n d e db yt h ei n t e m a t i o m lm a r k e t 1 1 1 ed r i v i n gi cc a l ld r i v cu pt os i xw h i t e l e d si ns e r i e sw i t l lac o n s 协tc u r r e mt op m v i d ed i s p l a yb a c k l i g h t i n gf o r t w o ( m a i n a n ds u b 一) d i s p l a y si nc e l ip b o n e sa n do m e rp o n a b i ed c v i c e s 晰mt l l ei n c r c a s i n gp o p u l a r i t yo fc 0 1 0 rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( l c d ) i nc e u p h o n e s ， p d a s ，d i g “a lc a m e r a s ，卸do l e rp o r t a b l ed e v i c e s ，谢1 i t el e d sa r cb e c o m i n gp o p u l a r b a c k l i 曲t i n gs 0 1 l r c e sa n dw h i t el e d s 出i v i n gi c sb e c o m e l e1 1 i 曲1 i g h ti nt h ed e s i 弘 f i e l do f p o w e rm a n a g i n gi c s m 锄yf h m o u sa n a l o gi cc o m p a l l i e so 丘打a 掣a tn 哪b e r o f w h i t el e d sd r i v i n gi c s a c c o r d i n gt ot 1 1 ew o r k i n g p r i n c i p l e ，t h ed r i v i n gi c sc 柚b e c l a s s m e di m ot w o 啪e s ：i i lp a r a l l e la n di ns e r i e s 1 1 1 ed r i v i n gi cd e s i g n e di nm e d i s s e r t a t i o nn o to i l l ym e e t sm ed e m a i l d so f t h em a r k e t s ，b u ti sar e f b r e n c et ot 1 1 ed e s i g n o f m o r ep o w e r 血l 蹦v i n gi c s 1 h e r e f o r e ，t l l ed i s s e r 诅t i o ni sb o m p r a c t i c a l l ya n d a c a d e m i c a l l yi m p o r t a n tf o rm er e s e a r c ho f w h i t el e d sd r i v 协gi c s t h er e s e a r c hc a nb es u n 珊a r i z e da sf b u o w s ： f i r s t l y ，o nm eb a s i so fa 1 1 a l y z m go f m ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dd e s i g n i n g r c q l l i f e m e n t so fw h i t cl e d sd r i v i n gi c s ，t 1 1 ea u t l l o rd e s i g n sn l ew h o l ec i r c u i t a r c l l i t c c t u r c t h ea r c h i t e c t u r ea d o p t sac u r r e n t m o d e ，s t e p - u pd c d cc o r e r 把r t od r i v e 、v ! h i t el e 】d si ns e r i e s 谢mc o n s 胁tc l l r r e m s e c o n d l y ，p r i m a r ys u b _ b l o c kc i r c u i t sa r e d e s i g n e da n ds i m i l l a t e d ，t h m u g h 1 ef o l l o 、v i n gm o d u l e s ：c t r l - g m ，e n a b l e ， o s c s l o p e ，p w m c o m p ，a i l dd r j v e r l i s f i n a l l y ，t l = i es i m i l l a t i o no f m ew h o l e c i r c u i ti sc o n d u c t e d 1 1 h ei n n o v a t i o no f t h ed i s s e r t a t i o ni si n m c a t c da sf o l l o w s ：ht h e d i s c u s s i o no f t h e c t r l _ g ms u b _ b l o c k ，l et r a n s c o n d u c t a n c es t a b i l i t yo f o p e r a t i o n a i 订a n s c o n d u c t a n c e 锄叩l i f i e ri sd e 印l ys t u m e d t h r e ep a 舢e t e r s ，t 1 1 en a c t i o n a l t e m p e r a t i l r ec o e m c i e m ，t l l e s e n s i t i v i t yo f t m s c o n d u c t a i l c et ov o l t a g es u p p l ya n di m p r o v e m e n tf k t o r ，a r e i t l 仃0 d u c e d n ea n a l y s i so f l et l l r e ep a r a m e t e r si n d i c a t e st h a tt h eo t a d e s i g n e da n d i m p r o v e di nt l l ed i s s e 删o ni sb e t t e rt h a nc l a s s i c a lb i p o l a ro t a si nt e m so f t t a b s t r a c t t r a n s c o n d u c t a n c es t a b i l i 吼 t h cs i m u l a t i o nr e s u l t so f m es u b _ b l o c kc i r c l l i t sa 1 1 dw h o l ec i r c u i tp r o v et h a t 也e w h i t el e d sd r i v i n gi cd e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o nf h n c t i o n sw e l la n dr e a c h e st h en e e d s o f 印p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：w h i t el e d ，s e r i e s ，“v i l l gi c ，o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a l l c e 锄p l i f i e r s t a b i l i t y i u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在拧师指睁下进行的研究工 作及取褥的研究成采。据我所知，除了文中祷刘加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其继人已经发表残撰写过的研究成巢，也不毯含 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滋在论文中作了明 确靛说明并表示谢意。 签名： 童益：聋日期：却啄年f 月，7 日 关于论文使用授权的说噗 本学位论文作者完全了解咆子科技大学有关保謇、使月学位论文 的规定，有权保窿并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被赢阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 酶全部或部分内容编入有关数据瘁进行检索，可戳采魇影印、缩留或 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：避警师签名：躯 匿期：2 转占年爿月7 墨 第一章引言 第一章引言 1 1 本论文的实用价值和理论意义 电源是电子设备的心脏，为设备的正常工作提供动力保证。随着能源供需矛 盾的日趋紧张，节能己成为电子设备的在电源方面的首要要求，这也促进了电源 管理i c 的蓬勃发展。由于电池的容量及改进是有限度的，便携式产品一直都是电 源管理i c 主要的应用领域。近几年，便携式产品发展十分迅速，已成为了电源管 理i c 的主要服务方向。2 0 0 4 年，我国电源管理i c 市场加速增长，销售量和销售 额增幅远远超过前两年，分别达到2 8 3 和3 7 6 ，全年销售量为3 0 8 亿片，销售 额达到1 6 5 2 亿元【j 。 消费者对于便携式设备只益增长的多媒体和视频需求，使得彩色液晶显示屏 ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，简称l c d ) 成为众多便携式设备的标准配置，特别是在 手机、掌上电脑和数码相机等便携式设备领域。以手机为例，预计2 0 0 5 年全年， 全球手机的出货量约为7 4 亿部，其中8 0 的手机都将配置彩屏，而且到2 0 0 8 年 几乎所有的手机都将采用彩色显示屏【4 - ”。 由于液晶本身并不发光，因此l c d 需要通过外来光源实现透射或反射来显示。 现有l c d 大多数是透射型的，对于这些透射型l c d 来说，背光源是它们不可或 缺的组成部分。白光l e d ( l i g h te m m i i l gd i o d e ) 为彩色液晶显示屏的广泛应用提 供了一种理想的高亮度纯色背光光源，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价 比高等特点，被认为是目前市场上可以获得的最好的背景光源。因此，白光l e d 在在手机、掌上电脑等便携式设备中被广泛应用【6 _ ”。 随着白光l e d 的广泛应用，白光l e d 驱动i c 成为了众多厂商开发的热点。 要想设计出具有市场竞争力的白光l e d 驱动i c 产品，必须考虑产品性能和产品 功能两方面的要求。在产品性能方面，驱动i c 的效率是最主要的考虑因素。在便 携式产品中，为l c d 提供背光的光源是系统之中耗电量最大的部分，其耗电量是 显示器所获电量的十倍以上。因此，提高驱动i c 的工作效率是延长电池使用时间 的有效途径，这也是白光l e d 驱动i c 的首要设计要求【9 】。在产品功能方面，如何 驱动更多的l e d ，以及提供更加灵活的控制功能是主要的考虑因烈1 0 1 。随着便携 式设备功能的不断增强，设备中使用的l e d 数目也在不断增加。这一方面要求设 1 电子科技人学硕士学位论文 计的驱动i c 能够驱动更多的l e d ；另一方面，也要求驱动i c 对于l e d 能够提供 更加灵活的控制功能。 本论文根据白光l e d 驱动i c 的应用特点，设计了一种可恒流驱动多达6 个 串联的白光l e d 的驱动i c ，而且可以为带有主次显示屏的手机等便携式设备提 供灵活的背光控制。本论文设计的驱动i c 可应用于具有单或双显示屏的手机、掌 上电脑、智能电话和其它具有单或双显示的便携式设备中。同时，本论文也可以 为设计其他功能更强的驱动i c 提供参考。因此，本论文对于白光l e d 驱动i c 的 研究具有一定的实用价值和理论意义。 1 2 国内外研究动态 在便携式设备中应用的白光l e d 正常发光必须满足两个条件：首先，自光l e d 两端要有足够的正向压降，典型的正向导通电压通常在3 5 v 左右；其次，要有合 适的电流流过白光l e d ，典型的工作电流范围通常在l o n a 至3 0 i r n 之间“。便 携式设备中使用的电池能够提供的电源电压通常在3 v 至5 v 之间。考虑到这些因 素，根据l e d 的连接方式的不同，市场上的白光l e d 驱动i c 可分为两类：并联 型自光l e d 驱动i c 和串联型白光l e d 驱动i c 旧”j 。 每种连接方式都有对应的d c d c 变换器( c o n v e n e r ) 将电池( b a t t e r y ) 的输 入电压转换成合适的输出电压驱动白光l e d 工作。在每种连接方式中，都可以采 用电流调节器( a c t i v ec u r r e mr c g u l a t i o n ) 或是直接使用合适的限流电阻( b a l l a s t r e s i s t o r ) 来对流过白光l e d 的电流实施控制。同时，在控制方式上还可以引入反 馈( f e e d b a c k ) ，以增强控制过程的精度、灵敏度和稳定性。 1 2 1 并联型白光l e d 驱动i c 并联型白光l e d 驱动i c 的原理框图如图1 1 所示。需要驱动的白光l e d 并 联在一起，它们的一端为电源转换的输出端，另一端可采用合适的电流控制部分。 并联l e d 驱动i c 的电路结构主要采用电荷泵d c d c 变换器。其优点在于： ( 1 ) 外围电路中不需要电感，其成本较低；( 2 ) 电路可以采用低压半导体工艺生 产。其缺点在于：流过不同l e d 的电流存在偏差；与串联l e d 驱动i c 相比，效 率较低。 2 第一章引言 图1 1 并联型白光l e d 驱动i c 原理框图 1 2 2 串联型白光l e d 驱动l c 串联型白光l e d 驱动i c 的原理框图如图1 2 所示。需要驱动的白光l e d 首 尾相接串联在一起，它们的一端为电源转换的输出端，另一端可采用合适的电流 控制部分。 图1 2 串联型白光l e d 驱动i c 原理框图 串联l e d 驱动i c 的电路结构主要采用升压d c d c 变换器。其优点在于：( 1 ) 任何工作条件下都流过l e d 的电流都相等，即l e d 的亮度始终保持一致；( 2 ) 转 换效率比较高：( 3 ) 只需要一个限流电阻，减小了功耗；( 4 ) 电路与l e d 之间只 需要两个连接端点，为用户的设计提供了定的灵活性。其缺点在于：外围电路 中必须采用电感，与并联l e d 驱动i c 相比尺寸较大、成本较高、e m i 辐射也较 大；电路要采用高压半导体工艺生产。 综合来说，针对不同的应用环境，要想设计出最适合的驱动i c 需要在效率、 成本、尺寸、l e d 的电流匹配精度之间进行权衡。并联l e d 驱动i c 在成本和尺 3 电子科技大学硕士学位论文 寸上具有优势。串联l e d 驱动i c 则在效率和l e d 的电流匹配精度上具有优势。 串联l e d 驱动i c 的设计难度相对较大，适用于对节能和l e d 的电流匹配精度要 求较高的便携式设备中。本论文设计的驱动i c 属于串联l e d 驱动i c 。 在白光l e d 驱动i c 方面，各大模拟i c 公司均推出了种类繁多的产品，以满 足市场不同层次的需求。目前，生产白光l e d 驱动i c 的公司主要有美信( m a ) ( i m ) 、 国家半导体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 、凌特( l i n e a r ) 、安森美( o ns e m i c o n d u c t o r ) 、 亚德诺( a n a l o gd e v i c e ) 、飞兆半导体( f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r ) 、德州仪器( t i ) 等。其中，美信公司和国家半导体公司在白光l e d 驱动i c 的产品种类、产品数 量、性能指标上都处于领先地位。 1 3 本论文的主要工作 本论文的主要工作是设计一种可控制主次显背光的串联型白光l e d 驱动i c 。 论文的主要工作分成了以下五个章节进行阐述。 第一章：引言，介绍了本论文的实用价值、理论意义和国内外研究动态，并 对论文的主要工作进行了介绍。 第二章：电路整体结构设计，根据设计要求和方案完成电路整体的结构设计。 第三章：子电路设计仿真，对驱动i c 的主要予电路进行了设计和仿真，并对 运算跨导放大器的跨导稳定性进行了较为深入的研究。 第四章：整体电路仿真，通过仿真验证了整体电路的功能。 第五章：结论，对全文内容进行了总结，分析了论文的主要工作和成绩之后， 也给出了作者的一些意见和建议。 4 第二章电路整体结构设计 第二章电路整体结构设计 为了实现本论文的设计目标，我们将首先把串联型白光l e d 驱动i c 的设计 要求进行进一步的细化，然后根据设计要求选择合适的方案，并对方案中所采用 的d c d c 转换器的工作原理和相应的控制技术进行理论分析，最后完成电路整体 的结构设计。 2 1 串联型白光l e d 驱动l c 设计要求和方案 根据第一章对白光l e d 驱动i c 特点的分析，本文设计的串联型白光l e d 驱 动i c 的设计要求如下： ( 1 ) 要求阻恒定电流驱动串联的2 至6 颗白色l e d ，以便为彩色l c d 提供 亮度均匀的纯色背光。 ( 2 ) 要求在工作中可以实现很高的效率，以便满足了便携式设备中对节能的 高要求。 ( 3 ) 要求可以灵活控制主次显示屏的背光，以便满足配备主次显示屏的手 机或其它便携式设备的使用要求，从而避免采用两个l e d 驱动器所带来的成本、 集成度、可靠性等方面的缺陷。 根据以上设计要求和上一章的分析，本论文的驱动i c 将采用升压d c d c 变 换器，并使用电流控制技术。 2 2 串联型白光l e d 驱动i c 工作原理 为了能更清楚地分析本论文所设计的串联型白光l e d 驱动i c 的工作原理， 我们将首先介绍升压电路的工作原理，然后分析电流控制技术的优点，最后介绍 等效架构的工作原理。 2 2 1 升压变换器工作原理 升压变换器( 也称作b o o s t 变换器) 是一种经常使用的d c d c 变换器。升压 电路可以产生大于输入电压的输出电压，因此非常适合在便携式设备中驱动串联 s 电子科技大学硕士学位论文 形式的l e d 。升压变换器的工作原理分析如下f j 4 _ 1 5 1 。 升压变换器的电路原理图如图2 1 所示，由开关、电感l 、电容c 组成，v g 为输入电压，电阻r 为负载。一种使用m o s f e t 和二极管的实际升压变换器如图 2 2 所示。为了方便分析，我们假定电感l 和电容c 均为理想的储能元件，而且输 出电压中的纹波电压与输出电压的比值小倒容许忽略。 三 0 h 国+ 溺一 、 卜测 c 丰盂i i l| 图2 1升压变换器原理图 ld l 图2 2 使用m o s f e t 和二极管的升压变换器 r 矿朝 v 图2 3 开关在位置1 时的升压变换器 当开关在位置l 时，升压变换器等效电路图如图2 - 3 所示。电流i l 流过电感l ， 在电感l 未饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感l 中。此时，电容 c 放电，负载r 两端为输出电压v ，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极 接v 。负极，二极管承受反向电压。所以电容不能通过开关管放电。此时，电感l 上的电压为 6 第二章电路整体结构设计 叱2 吃 流过电感l 的电流变化斜率为 吼( r ) 一h 一吃 d tll ( 2 1 ) ( 2 2 ) 图2 - 4 开关在位置2 时的升压变换器 当开关转换到位置2 时，升压变换器等效电路图如图2 4 所示。由于电感l 中的磁场将改变电感l 两端的电压极性，以保持i l 不变。这样电感l 的磁能转化 成的电压v l 与电源v g 串联，以高于v g 的电压向电容c 、负载r 供电。高于输出 电压v 时，电容有充电电流；等于输出电压v 时，充电电流为零；当输出电压v 有降低趋势时，电容向负载r 放电，维持v 不变。此时，电感l 上的电压为 吒= 眨一v ( 2 3 ) 流过电感l 的电流变化斜率为 型：生：塑 ( 2 4 ) 出上三 由于输入电压纹波假定可以忽略，即v = 矿，所以式( 2 3 ) 、( 2 _ 4 ) 即 屹= 屹一矿 ( 2 5 ) 蚴：型 ( 2 6 ) 1 2 彬 + 一d t - l + 一d 霉一i 。 | 善 一矿 图2 5 电感l 的电压波形图 7 电子科技大学硕士学位论文 i t z 0d f 图2 - 6 电感l 的电流波形图 假定开关的一个周期为t s ，导通时间为d t s ，关断时间为d t s ，显然， d + d = 1 。电感l 的电压波形和电流波形分别如图2 5 、图2 6 所示。 在电路稳定工作时，电感l 在开关导通和关断时间内的电流变化量的绝对值 相等，即 睾d 墨：一半观 ( 2 - 7 ) 由式( 2 7 ) ，可知 矿= 等k = 多= 尚 c z s ， 因此，输出电压与输入电压的比值，即电压增益m ( d ) 等于 m ( d ) = 吉= 击 ( z 删 由式( 2 9 ) 可绘出电压增益m ( d ) 与占空比d 的关系图如图2 7 所示。 5 4 枣： l o 0 o 20 4o 6 o 8 d 图2 - 7 电压增益m ( d ) 与占空比d 的关系图 8 第二章电路整体结构设计 2 2 2 电流控制技术 目前，开关电源采用的控制技术主要有两种：电压控制技术和电流控制技术。 它们的基本原理和特点简要介绍如下【1 6 。17 】： 图2 - 8 电压控制技术示意图 电压控制技术是将输出电压进行采样，并反馈回来用于控制功率开关脉冲宽 度的大小，其示意图如图2 8 所示。输出电压经过采样产生电压u 。，采样电压u 。 与参考电压u 心通过误差放大器( e r a m p l i 矗e r ，简称e a ) 比较放大，得到误差 信号u 。误差信号u c 与三角波信号u 。通过脉冲宽度( p w m ) 比较器比较后，输 出占空比经过调制的方波信号，从而控制功率开关管的导通与关断，这就是电压 控制技术的原理。电压控制技术的主要缺点是：其稳压响应速度慢，稳定性较差， 在大信号变化时容易造成系统的不稳定，甚至会发生振荡、功率管损坏等故障。 图2 - 9 电流控制技术示意图 电流控制技术是针对电压控制技术的缺点应运而生的。电流控制技术示意图 如图2 9 所示。所谓电流控制技术，就是在p w m 比较器的输人端将电流采样信号 与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的电 9 电子科技大学硕士学位论文 感峰值电流跟随误差电压变化。电流控制技术在保留输出电压反馈控制部分的基 础上，又增加了一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控制系统。与电压 控制技术相比，电流控制技术具有更好的电压调整率和负载调整率，而且系统的 稳定性和动态特性都有明显改善，特别是电流反馈回路使控制电路简单可靠，是 开关电源较为理想的控制方式。 2 2 3 串联型白光l 印驱动i c 等效架构设计 触c 硼 洲 m e n p m 图2 1 0 串联型白光u d 驱动i c 等效架构图 本论文设计的串联型白光l e d 驱动i c 等效架构图如图2 1 0 所示。 在图2 1 0 中共有1 2 个输入输出端。v + 端和v p 端接电源输入信号；p g n d 端 和g n d 端接到地；c t r l 端接亮度调节的模拟或p w m 信号；e n l 端和e n 2 端接 控制主次显的逻辑信号；l x 端接电感及二极管阳极；0 u t l 端接二极管的阴极即 主显输出；c o m p 端接外部c c o m p 电容；o u t 2 端接次显输出；c s 端接r s e n s e 电 阻感应流过白光l e d 的电流。 1 0 第二章电路整体结构设计 电路的工作过程可以分为软启动阶段和稳定工作两个阶段。 ( 1 ) 软启动阶段： 电路接上电源之后，输出电压还不能够使白光l e d 导通，流过l e d 的电流几 乎为零。此时，如果让电路的控制环路开始工作，将会产生占空比非常大的方波 信号，从而出现输出电压、电流的过冲现象，甚至损坏开关功率管。因此，本论 文设计的驱动i c 通过软启动的方式避免这些现象的发生。电路接上电源之后，电 路内部的一个电流源对c c o m 电容充电，使其电压逐渐上升。只有当c c o m p 电容 上的电压超过1 2 5 v ，电路的控制环路才开始工作。 ( 2 ) 稳定工作阶段： r s e n s e 电阻与白光l e d 串联在一起，随时将流过l e d 的电流情况转换成电压 信号通过c s 端反馈进电路。该反馈电压信号和c t i u 端信号通过g m 模块进行比 较。g m 模块相当于图2 9 中的误差放大器，由一个运算跨导放大器来实现，它可 以将电压的差异转换成电流信号，从而控制对c c o 电容的充放电。如果流过l e d 的电流小于c t r l 端输入信号的要求，g m 模块将输出电流对c c o 电容进行充电。 c c o m p 电容上的电压越大，将使得p w m 比较器输出的占空比变大，从而使得输出 电压增大，直到流过l e d 的电流达到c 也端输入信号的要求。同理，如果流过 l e d 的电流大于c t r l 端输入信号的要求，电路将减小占空比，从而使得输出电 压减小，直到流过l e d 的电流达到c t r l 端输入信号的要求。电路内部集成的电 流检测( c u r r e n ts e n s e ) 模块将检测流过功率开关管的电流，并转换成相应的电压 信号，该信号经过斜坡补偿( s 1 叩ec o m p e n s a t i o n ) 后输入到p w m 比较器与c c o m p 电容上的电压进行比较，从而产生占空比合适的方波信号来控制功率开关管的导 通与关断。 本论文设计的驱动i c 要求能够控制主次显l e d ，相应的工作原理如下： 电路含有两个使能输入端( e n l 和e n 2 ) ，均为高电平有效。e n l 控制主显示 l e d 的状态；e n 2 控制次显示l e d 的状态。当e n l 和e n 2 都为高电平时，所有 的l e d 被点亮。当e n l 高而e n 2 低时，主显示l e d 阵列被点亮。当e n l 低而 e n 2 高时，次显示l e d 阵列被点亮。当e n l 和e n 2 都低时，芯片进入s h u t d o w n 模式，此时关断电流的典型值为0 0 1i la 。 2 3 串联型白光l 印驱动i c 实际结构 本文设计的串联型白光l e d 驱动i c 的实际结构如图2 1 1 所示，主要由1 1 个 电子科技大学硕士学位论文 模块( 即子电路) 构成。根据这些模块在电路中所起的作用可以分成四个部分： 电路控制环路部分、电路扩展功能部分、电路基准部分和电路保护部分。 ( 1 ) 电路控制环路部分的功能是利用电路控制环路实现对输出电压和输出电 流的准确控制，由c t r l _ _ g m 模块、p w m i c 0 m p 模块、0 s c s l o p e 模块、 p w m c t r l 模块、d 王u v e ri s 模块5 个模块组成。 ( 2 ) 电路扩展功能部分的功能是实现对主次显u d 的控制，由e n a b l e 模 块构成。 ( 3 ) 电路基准部分的功能是给整个电路提供基准电流、基准电压和偏置电流， 由i r e f 模块( 产生基准电流) 、v r e f 模块( 产生基准电压) 、i b i a s 模块( 产生 偏置电流) 组成。 ( 4 ) 电路保护部分的功能是在电源电压过低和输出电压过高时，关断电路， 由u v p _ a l l 模块( 欠压保护) 、0 v p a l l 模块( 过压保护) 组成。 图2 - 1 l 串联型白光l e d 驱动i c 实际结构 1 2 第三章子电路设计仿真 第三章子电路设计仿真 由第二章的分析，可知在组成电路的四个部分中，电路控制环路部分和电路 扩展功能部分是整个电路最核心、最重要的部分，是整体电路功能能否达到设计 要求的关键。本章主要对构成在这两个部分的5 个主要的予电路进行设计和仿真 验证。这5 个主要的子电路分别为：c t r lg m 模块、e n a b l e 模块、o s cs l o p e 模块、p w mc o m p 模块和d r j v e ri s 模块。 在对每个子电路的论述中，论文首先定义出该子电路在整体电路中的功能， 然后根据子电路的功能进行子电路的架构设计，紧接着将设计好的架构用实际电 路来实现，最后通过仿真来验证实际的电路是否满足子电路的功能要求。仿真使 用的软件为h s p i c e2 0 0 3 ，仿真采用模型为u m co 6 “m3 0 vb c d 制程。 在对c t r lg m 模块的论述中，本论文对运算跨导放大器( o r a t i o n a l t r a i l s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r ，简称o t a ) 的跨导稳定性进行了较为深入的研究。在 分析中，本论文引入并使用了跨导的相对温度系数、跨导对电源电压的敏感度、 跨导特性改善因子三项指标。三项指标的分析表明，论文所设计的改进的0 1 a 的 跨导在稳定性方面比经典的双极型0 1 a 具有更好的性能。 3 1g t r l g m 模块 c t r l _ g m 模块主要有3 项功能： ( 1 ) 箝位限压功能，即任何高于+ 1 6 2 v 的c t r l 端输入电压都不会增加亮度。 ( 2 ) 当o u t l 过压时，使g m 0 u t 短接到地，也就是让c 。电容放电至g n d 。 ( 3 ) 实现对l e d 的亮度调节。 3 1 1 子电路等效架构设计 3 1 1 1 c t r l 一酬模块等效架构设计 c t l - g m 模块的等效架构图如图3 l 所示。根据图3 1 对c n t l _ _ g m 模块的 3 项功能的分析如下： 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 c t l g m 模块的等效架构图 ( 1 ) 箝位限压功能 l e d 的亮度可以通过调节c t r l 端的输入电压进行控制，但l e d 的亮度不可 能无限制的增加。因此，在c t r i ，g m 模块中设计有箝位限压电路，任何高于 十1 6 2 v 的c f 也端输入电压都不会增加亮度。具体分析如下： c t r l 端的输入电压并不能直接调节l e d 的亮度，而是通过串联电阻分压形 成的电压v ( 。：来控制l e d 的亮度。只要能对v c ，。进行限压，就可以达到上述 功能。 由于节点c t r l l 处连接有箝位电路，其电压最高只能达到1 2 5 v ，即 m 1 ( m ) = 1 2 5 矿 ( 3 1 ) 由图3 1 ，根据串联电阻的分压公式，可知 。：。，= 志。，= 五i ；警而1 2 5 矿= o 1 6 2 矿( 3 2 ) 此时，对应的c t r l 端的临界输入电压为 。，。，：里；j ；i ! 羞堕。， ”。“m “2 瓦再j i i 一。”。“1 ( 3 3 ) ：! ! 竺j 型墅。1 2 5 矿：1 6 2 矿 3 3 6 七十5 0 七 由式( 3 2 ) 、式( 3 - 3 ) 可知，任何高于+ 1 6 2 v 的c t r l 端输入电压都不会增加亮 度。 ( 2 ) 对c c 。的放电功能 当过压时，0 v p e n b 为高电平，开关管m n l 导通，因此g m o u t 短接到地。 g m o u t 与g 。的一端通过一个传输门连接在一起。电路正常工作时，该传输门 始终导通，而c ：。的另一端连接到地。所以，g m 0 u t 短接到地时，q 。，会放 电至g n d 。 第三章子电路设计仿真 ( 3 ) 对l e d 的亮度调节功能 通过调节c t r l 端的输入电压可以调节l e d 的亮度。具体分析如下： 由图3 1 ，根据串联电阻的分压公式，可知 。：= 面彘，。= 西磊干。= 去。( 3 4 ) 电路工作在稳态时，g m o u t 的输出电流应该为零。此时，g m 运放的两个输 入端的电压应该相等，即 2 ，5 亩 ( 3 5 ) 由整个芯片的外围电路的连接结构，可知 p 舀= 口墨m ( 3 6 ) 联立式( 3 - 5 ) 、式( 3 6 ) ，可得 2 孟意 。7 由式( 3 7 ) 可知，在如一固定的情况下，。的大小由。决定，也就是说通 过调节c t r l 端的输入电压就可以调节l e d 的亮度。 3 1 1 2 子模块g m 等效架构设计 图3 2 子模块g m 的等效架构图 子模块g m 是一个经过改进的0 1 a ，其等效架构图如图3 2 所示。为了论述 的方便，在下面的论述中将称其为改进的o r i a 。在图3 2 中，相同类型的晶体管 具有相同的器件参数，其中m 4 为1 2 个相同的p m 0 s 管并联。r l = r 2 = r e ，r 3 1 5 电子科技大学硕士学位论文 r 8 、r 9 r 1 3 分别具有相同的电阻值。改进的o t a 可以分成差分输入级、尾电流 偏置级、电流镜输出级三个部分。 ( 1 ) 对尾电流偏置级的分析 尾电流偏置级采用了m 0 s 管形式的电流镜，由m l m 4 构成。m 0 s 管的 口一。，消除了双极型电流镜由于有限的口所带来的系统增益误差，因此，电流 镜的电流增益精度得到了提高。因为m 4 为1 2 个相同的p m o s 管并联，所以， ，m = 1 2 如。 ( 3 8 ) ( 2 ) 对电流镜输出级的分析 电流镜输出级由q 6 q 1 6 和r 3 r 1 3 构成。r 3 r 1 3 为射极负反馈电阻，既提 高了电流镜的输出电流的匹配性，也提高了电流镜的输出电阻。电流镜输出级的 电流增益为1 ：1 。所以， l = 七。一，c 。：= ，一七。 ( 3 9 ) 电流镜输出级的输出电阻等于 兄“ ，d 。( 1 + 晶。：兄) 。s ( 1 + g 卅t s 置，) ( 3 一l o ) ( 3 ) 对差分输入级的分析 差分输入级由m 5 m 1 0 、q 1 q 5 、r l r 2 构成。 m 5 m l o 、q 5 主要起消除输入偏置电流的作用。由图3 2 中电流镜的结构，可 知 ( q 1 ) = ( q 2 ) = ( q ) = 厶。 k ( m ，) = k ( m 。) 卅m ( 眠) = 等等= 寺瑟 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 因此，q l 、q 2 正常工作所需的基极偏置电流完全由电路内部提供，电路外部输入 的直流偏置电流为零。 由于q 1 、q 2 主要起电平转移的作用，m 5 m l o 、q 5 主要起消除输入偏置电流 的作用，因此，改进的o t a 电路仍然属于差分输入形式。改进的0 t a 通过差分 输入级将差分输入电压转化为电流差，再通过电流镜输出级输出。因此，改进的 0 t a 的跨导特性取决于差分输入级的跨导特性。改进的o i a 的差分输入电压为 = 一= ，+ ，+ 坦墨一塑马一4 一： “f“f = n 等一讪等j + c 讪每一讪等j + 古如( 屯一c 。1 。， “l n 等+ 如( ，一厶。) 1 6 第三章子电路设计仿真 由式( 3 1 4 ) ，可知 j 一生! 生：血 当电路工作在线性输入范围之内时， n 扣差地哮 i c 4 t 一生i c ) i c 将式( 3 - 9 ) 、( 3 1 6 ) 代入式，可得 “巧争+ 比l 由式( 3 一1 7 ) ，可得改进的o t a 的线性区跨导为 瓯= r l 一 三一+ 尺。 g m ( 中) 其中，g 埘俐为差分对的小信号跨导 岛( 中) 2 责 3 1 2 o t a 跨导稳定眭分析 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 一1 7 ) ( 3 一1 8 ) ( 3 1 9 ) 与传统的电压运算放大器( 0 p a m p ) 相比，运算跨导放大器( o t a ) 具有输 出电阻高、通频带宽、增益可调等特点【l8 1 。0 r i a 是构成电流形式信号处理系统的 基本模块，它在连续时问滤波器、a 他转换器等领域有着广泛的应用。本论文设 计的0 t a 与经典的双极型o i a ( 如：c a 3 0 8 0 、i ，m 3 0 8 0 、l m l 3 6 0 0 ) 相比，具有 三项主要的改进特点：跨导具有高稳定性；电路输入级采用了输入偏置电流消除 结构；电路输出级采用了射级负反馈电阻。由于设计高稳定性的跨导对于提高电 路系统的工作可靠性具有非常重要的意义，因此，本节将专门对改进的0 t a 的跨 导稳定性进行分析，并与经典的双极型0 t a 的跨导稳定性进行对比。 理想0 1 a 的跨导勘与温度、电源电压无关，其传输特性可表示为【1 9 】 l = 矿+ 一矿一) = 乳 ( 3 2 0 ) 但对于实际的0 t a ，温度、电源电压都将对o t l a 的跨导产生影响。经典的双极型 o t a 的跨导等于电路中差分输入级的小信号跨导踟r 砌j 【划。此时，跨导的相对温度 1 7 n切 = 七 十 i | 七 + i 知可 又 电子科技大学硕士学位论文 系数，即每摄氏温度变化所引起的跨导的相对变化为 觋。：上掣 ( 3 - n 1 ) g m ( 纠“。 跨导对于电源电压的敏感度，即电源电压的相对变化所引起的跨导的相对变化为 5 羔篆 z z ) 由于g 州俐对温度和电源电压的变化比较敏感。因此，经典的双极型o r i a 的跨导稳 定性较差。 根据上一节的分析，可知改进的o t a 的跨导由式( 3 一1 8 ) 决定。由式( 3 1 8 ) ，可 得改进的o t a 的跨导的相对温度