（微电子学与固体电子学专业论文）恒流型白光led驱动芯片设计研究.pdf

摘要 随着l e d 的各项参数不断得到提高和改进，应用领域不断扩大，l e d 被认为是将 替代白炽灯、荧光灯的第四代照明光源，并成为未来人类照明的主要首选方式。无论那 种电源，都不可能直接给l e d 供电，由于电池的容量及改进是有限度的，要应用l e d 做照明光源，就要解决电源变换的问题。因此，白光l e d 驱动芯片的研究具有重要价 值。 本论文首先介绍了l e d 照明的特点和l e d 光学特性参数。其次从l e d 的驱动电 路入手。对现有的照明驱动电路进行了详细分析，设计了一款l e d 驱动芯片。其中， 电荷泵d c d c 转换器因其功耗小、成本低、结构简单，无需电感、二极管、m o s f e t 等外围组件和高电磁干扰( e m i ) 抑制等优点，在中低功率电源管理芯片中得到广泛应 用。在电路应用中，s w i t c h i n gc a p a c i t o r ( 电荷泵) 相对于线性调节器l d o 和s w i t c h i n g r e g u l a t o r ( 开关电源) 有其自身的优点。因此，论文主要针对背光用l e d 的l d o 驱动 芯片进行研究，采用升压型d c d c 转换器设计了一款用于背光驱动领域的具备对数调光 功能的低噪声1 5 x 电荷泵l e d 驱动电路芯片，并采用0 6 1 a m 标准c m o s 制备工艺流片 成功。该芯片允许较宽的电源电压范围：2 7 v 至5 5 v 。通过外接电阻设置l e d 电流， 电源电压在3 v 以上时，最高可驱动每路3 0 m a 电流，总的电流驱动能力可达1 2 0 m a 。 还可根据电源电压和负载的情况，在1 倍工作模式和1 5 倍工作模式间自适应切换，这 样可以降低内部功耗，从而保证比较高的工作效率。采用无电感的电荷泵升压原理，外 围器件只需两个1 心的电容和两个0 4 7 1 a f 的电容，优越的电路控制特性保证了低的电 源冲击电流和e m i 。理论分析和数据测试结果都表明，该芯片的电流控制精度相对误差 和匹配相对误差可以控制在士0 5 以内，照明亮度达到设计要求，基本上达到了预定 设定目标。与同类设计的灯相比，该灯有性价比高、实用性强等优点。 本课题紧密结合市场动态的发展，该电荷泵升压型恒流驱动芯片用于手机、数码相 机、m p 3 、p d a 、键盘等的背光应用，且它的设计原理对于设计更高功率的l e d 驱动芯 片也具有重要参考价值。 关键词：l e d 驱动芯片；电荷泵；恒流 a b s t r a c t w i t ht h ep a r a m e t e r so fl e dc o n t i n u a l l ye n h a n c e da n di m p r o v e d ，a n da p p l i c a t i o n s e x p a n d e d ，l e di sc o n s i d e r e dt or e p l a c ei n c a n d e s c e n t ，f l u o r e s c e n ta st h ef o u r t h g e n e r a t i o n l i g h ts o u r c e ，a n db e c o m et h em a i nw a yo fl i g h t i n gh u m a np r e f e r r e g a r d l e s so ft h ek i n do f p o w e rc a nn o td i r e c t l ys u p p l yt h ep o w e ro fl e d ，f o rt h el i m i t e di m p r o v ea n dc a p a c i t yo f b a t t e r y , i ti sn e c e s s a r yt os o l v et h ep r o b l e mo fp o w e rt r a n s f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，t h ew h i t e l e dd r i v e ri ch a sa ni m p o r t a n tv a l u eo fr e s e a r c h t h ee n e r g yc r i s i s ，c a u s e db yr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b r i n g sa b o u tt h eu s eo fe n e r g y c o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g ya st h eg o v e r n m e n ta n dp e o p l e sh o tt o p i c t h es e m i c o n d u c t o r l i g h t i n g l e dw i t h h i g he f f i c i e n c y , e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， l o n g l i f e t i m e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，i se x p e c t e dt ob e c o m ean e wl i g h t i n gs o u r c ea f t e rt h e i n c a n d e s c e n tl a m pa n df l u o r e s c e n tl a m p i t sa v e r a g ea n n u a lg r o w t hr a t eo ft h eg l o b a lm a r k e t i sm o r et h a n2 0 o u rn a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gp r o j e c tw a si nf u l ls w i n gi n2 0 0 3 w h i t el e dh a se n t e r e dt h ei l l u m i n a t i o nm a r k e tw i t ht h es u p p o r to ft h eg o v e r n m e n la n dw i l l p r o m o t ec o m p r e h e n s i v e l yd u r i n g ”11 5 ”p l a n t h er e s e a r c ho fw h i t e l e dd r i v i n gc h i ph a s g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sc h a r g ep u m pc h i pi nt h i st h e s i si so p t i m i z e df o rw h i t el e d s u p p l i e si nb a c k l i tc o l o r d i s p l a ya p p l i c a t i o n s t h ed e v i c ep r o v i d e sac o n s t a n tc u r r e n t ，s e tb ya l le x t e r n a lr e s i s t o r ，f o r e a c hl e d t h es u p p l yv o l t a g er a n g e sf r o m2 7v t o5 5v t h ec h i pp r o v i d e su pt o3 0m a p e r l e d ，f o rat o t a lo f12 0m a ，f o ri n p u tv o l t a g e sr a n g i n gu p o n3v h i g he f f i c i e n c yi sa c h i e v e d b yu t i l i z i n gal x 1 5 xf r a c t i o n a lc o n v e r s i o nt e c h n i q u ei nc o m b i n a t i o nw i t hv e r yl o wd r o p o u t c u r r e n ts o u r c e s o n l yt w oe x t e r n a lll x fa n dt w oo 4 7 1 t fc a p a c i t o r sa r er e q u i r e dt ob u i l da c o m p l e t es m a l la n dl o wc o s tp o w e rs u p p l ys o l u t i o n t h ec u r r e n tr e s e a r c ho nl e dd r i v e rw i t hc h a r g ep u m pi si nc l o s ec o n n e c t i o nw i t ht h e d e v e l o p m e n to f m a r k e td y n a m i c s ， a n dc a nd r i v ef o rw h i t el e db a c k l i g h tf o rc o l o r d i s p l a y si nc e l l u l a rp h o n e s ，s m a r tp h o n e s ，p d a s ，h a n d h e l dp c s ，d i g i t a lc a m e r a s ，a n dk e y b a c k l i g h t i t sd e s i g np r i n c i p l e sc a na l s ob eu s e dt op r o m o t et oh i g h e rp o w e rl e dd r i v e r k e y w o r d s ：d r i v e rc h i po fl e d ；c h a r g ep u m p ；c o n s t a n tc u r r e n t i i 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 砰 学位论文使用授权说明 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： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影 印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可 以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者虢 馅多垒 指黝师戳：翻坝 日期： 日期 p 优缈l | 谢| 多、乙 岛狮枷 矿 第一章绪论 1 1 白光发光二极管 第一章绪论弟一早珀t 匕 半导体照明是2 1 世纪最具发展前景的高技术领域之一。所谓半导体照明就是用半 导体发光二极管作为照明光源，也称为固态照明( s o l i ds t a t el i g h t i n g ，s s l ) ，白光l e d 照明最有潜力。随着g a n 第三代半导体的兴起和高效蓝光l e d 的技术突破，填补了 l e d 三基色中的蓝色空白 1 2 ，3 ，4 ，5 ，6 1 ，使实现半导体白光l e d 照明成为可能。半导体照 明已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，具有巨大的经济和社会 意义。 1 1 1 白光l e d 的优点 半导体白光l e d 照明具有如此重要的意义，是由其自身所具有的优点决定的。半 导体白光l e d 照明具有的主要优点为：节能、寿命长、绿色环保【7 ，8 】。 现有的各种照明光源的共同缺点是仅把一小部分电能转变成可见光：低效率灯泡 ( 白炽灯和卤钨灯) 的发光效率为1 2 2 4 1 m w ，较高效率的荧光灯的发光效率为 5 0 - 7 0 1 m w 。l e d 经改良后发光效率可达到5 0 2 0 0 l t n w ，没有任何理由能够限制l e d 的发光效率的进一步提高。要达到同样的照明效果，白光l e d 的耗电量是白炽灯的i 8 ， 荧光灯的1 2 7 , 8 。在能源节约方面半导体l e d 照明将起到重要的作用。l e d 的寿命很 长，平均寿命理论上可达1 0 万小时，是普通灯管的数十倍。l e d 用环氧树脂封装，可 承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。l e d 灯具的使用寿命可达5 1 0 年，大大降 低灯具的维护费用，避免了经常更换的麻烦。 白光l e d 绿色照明的概念源于健康的原因：白光l e d 是一种冷光源，辐射主要 集中在可见光区，几乎不产生热，消除了非可见光区电磁波对人体的危害；白光l e d 的 连续光谱更接近自然光。白光l e d 照明的环保优点丰要表现在制造与使用过程中不会 引入汞的污染，可以回收，不会变成污染环境的废弃物。凶为白光l e d 具有节能的优 点，所以采用白光l e d 照明可以少建电厂，减少c 0 2 排放量，防止温室效应。另外 白光l e d 还具有体积小、重量轻、平面封装、可设计性强、反应速度快等优点，而且 l e d 白光l e d 低电压，低电流，发热量低，耗电量小。可以预言白光l e d 作为照明 光源，就像晶体管取代电子管一样，大势所趋，不可阻挡。 湖北大学硕十学位论文 1 1 2 白光l e d 的发展现状 面对l e d 的迅速发展，各发达国家先后制定了基于固态照明的国家级研究项目。 如日本的“2 1 世纪照明技术”( t h el i g h tf o r2 1 s tc e n t u r y ) 研究发展计划，其核心在于高质量 材料的生长，高功率管芯的制备以及高效率白光荧光粉的获得，预期目标是2 0 1 0 年达 到1 2 0 1 m w ，发光波长在3 9 9 n m 处发光的l e d 量子效率达到3 1 。美国能源部设立 了“固态照明国家研究项目”( n a t i o n a lr e s e a r c h p r o g r a mo ns o l i ds t a t el i g h t i n g ) 。欧共体各国 相继提出合作研发计划，设立了“彩虹”计戈l j ( r a i n b o wp r o j e c t a i i n g a nf o rm u l t i c o l o r s o u r c e s ) 。在l e d 业者中，日本日亚公司最早研发出蓝紫光半导体激光器( l a s e rd i o d e ， l d ) 以及白光l e d ，是业界掌握有蓝光及白光l e d 专利权的重量级业者，其产品的主 要性能指标，处于行业领先地位。目前日本日亚公司开发出了蓝光l e d 加黄光荧光粉 加红粉制备白光l e d 的技术，其发光效率高达6 0 1 m w ，完全可与目前广泛使用的高性 能的三波长型荧光灯相媲美。g e l c o r e 公司用紫外光l e d 加三基色荧光粉封装的白光 l e d ，发光效率达到2 1 l m w 。日本住友和台湾博达共同投资在台湾成立了博友科技， 专门从事单芯片z n s e 白光l e d ：签片的生产。美国l u m i l e d s 照明公司最近利用插指形 电极和倒装焊工艺研制出4 组1 l m m 2 蓝光芯片用黄光荧光粉封装的l e d ，光通量在 1 4 0 0 m a 电流下达到l8 7 1 m ，白光l e d 的发光效率研究水平达到3 0 4 0 1 r n w 。 我国对发展白光l e d 高度晕视，在“8 6 3 ”、“9 7 3 ”计划新材料领域的资助下蓝光和白 光l e d 取得了重大的进展，“十五”期间国家几个部委联合推出“半导体照明工程”并于 2 0 0 3 年6 月成立了半导体照明工程协调领导小组，对g a n 基蓝、绿光l e d 的研究和产 业化，都给予了大力支持，并取得了可喜的进步，为我国白光l e d 照明光源的研究 和产业化奠定了基础。目前国内半导体白光照明技术的研究刚刚起步，许多技术上还 处于跟踪、仿制阶段，市场上的白光l e d 大都是国内l e d 厂家采用进口芯片和荧光粉 自行封装的。 1 1 3 发光二极管的发光原理 发光二极管( l e d ) 是在半导体p n 结或类似结构中通以正向电流，并以高效率发 出可见光或红外辐射的器件。由于其发射准单色光、尺寸小、寿命k 和廉价等优势，被 广泛用于仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器光源等领域。随着不断地研制与开发， 大功率发光二极管开始逐渐走向照叫领域。 2 第一章绪论 p n 结电子注入发光，图1 3 为p n 结处于热平衡时的状态，p 区和i l 区的费米能级持 平，p n 结中无电流通过；图l _ 4 为施加正向偏置时势垒下降，p 区和n 区的多数载流子 向对方扩散。由于电子迁徙率u 远高于空穴迁徙率，大量电子向p 区扩散，构成对p 区 的少数载流子注入。注入的电子与价带上的空穴复合，复合产生的能量以光能形式释放 使p - n 结发光。 图1 - 1 未加偏置电压前p - n 结状态 f i g 1 - 1e n e r g y - b a n dd i a g r a mo ft h e r m a le q u i l i b r i u mp - nj u n c t i o n 图1 2 正向偏置下p - n 结能带图 f i g 1 - 2e n e r g y b a n dd i a g r a mo ff o r w a r d - b i a s e dp - nj u n c t i o n 发光波长九( n m ) 或频率v ( h z ) 取决于所选半导体材料的能隙e g ( e v ) ： t = h v q = h c ( 2 q ) ( 1 - 1 ) 五= h c ( q e g ) = 1 2 4 0 t ( 1 - 2 ) 半导体分为直接带隙和问接带隙两种，l e d 多数采用直接带隙材料。在直接带隙材料中， 电子直接由导带跃迁至价带并与空穴复合发光，具有较高的发光效率。反之，采用间接 带隙材料，发光效率较低。照明需要多种颜色混合而成的白色光源。目前实现白光l e d 的技术分为： ( 1 ) 使用i n g a n 蓝光l e d 激发钇铝石( y a g ) 荧光粉或其它荧光粉： ( 2 ) 利用三基色原理将红、绿、蓝三种高亮度l e d 混合为白光； ( 3 ) 使用紫外光l e d 激发三基色荧光粉产生多色光混合为白光。 湖北大学硕十学位论文 上述三种技术均已商品化，其结构也山单芯片至多芯片不等。 1 2l e d 光源应用前景 l e d 光源与传统光源相比较，具有如下的优点：超长寿命，可达几万小时，传统光 源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能： 响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和智能控制；耐开关冲击， 适用于频繁开关场合：高效节能，现有光效已经超过白炽灯，理论光效可达2 0 0 1 m w ；不 含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。由于l e d 光源有这么多显著的优点，使其 应用越来越广泛： 应用1 ：显示屏是l e d 主要应用市场，全彩显示屏增势强劲。我国l e d 显示屏市场 起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的l e d 显示屏生产厂商。目前l e d 显示屏 己经广泛应用到车站、机场、银行、证券、医院、体育场馆、市政广场、演唱会等场合 上。在l e d 需求量上，l e d 显示屏仅次于l e d 指示灯名列第二，占到l e d 整体销量 的2 3 1 。由于用于显示屏的l e d 在亮度和寿命上的要求高于l e d 指示灯，平均价格 在指示灯l e d 之上，这就导致显示屏用l e d 市场规模达到3 2 4 亿元，超过指示灯，位 居榜首。 应用2 ：小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸将成为新的关注点。l e d 早已应用在以手 机为主的小尺寸液晶面板背光市场中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发 展。特别是2 0 0 3 年彩屏手机的出现更是推动白光l e d 市场的快速发展。但随着手机产 量进入平稳增长阶段以及技术提升导致用于手机液晶面板背光源l e d 数量减少，使得 l e d 在手机背光源中用量增速放缓，2 0 0 5 年背光源用l e d 数量超过1 2 亿只，未来几 年增长率也将保持在个位数。数量增速的放缓加上平均价格的不断下降，最终导致小尺 寸背光源市场增长乏力，同时，中大尺寸背光源市场虽为厂商新宠，但在2 0 0 6 年还不 能形成规模。在上述两个因素的影响下，背光源市场将在2 0 0 6 年出现1 的负增长。2 0 0 5 年背光源市场规模超过15 亿元。 应用3 ：汽车车灯市场潜力大。2 0 0 5 年中幽l e d 汽车应用市场规模为0 2 9 亿元，其 中汽车车灯市场规模为0 2 1 亿元。从整个l e d 应用市场看，汽车应用市场还处于萌芽 状态，市场规模很小【5 】。l e d 作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和相应速度快的 特点。有统计显示，在汽车以1 0 0 公里的时速行驶下，装有l e d 刹车灯的车辆较没有 装l e d 刹车灯的车辆刹车距离将减少7 英尺。目前，l e d 己经逐步应用在汽车的第三 4 第一章绪沦 刹车灯上【6 】。虽然l e d 目前还面临着单位瓦数流明以及相关政策的限制，在进入汽车尾 灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升，最 终l e d 将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭 借着汽车的巨大产能，l e d 车灯市场面临着巨大的发展潜力。 应用4 ：室内装饰灯市场逐步启动。室内装饰灯市场是l e d 的另一新兴市场。通过 电流的控制，l e d 可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代 中，l e d 颜色多样化有助于l e d 装饰灯市场的发展。l e d 已经开始做成小型装饰灯， 装饰幕墙应用在酒店、居室中【_ 7 1 。2 0 0 5 年室内装饰灯市场规模达到1 5 8 亿元。经过多 年的替换工作，全国主要城市由传统交通灯替换为l e d 交通灯的工作己经接近尾声。 l e d 交通灯市场在经历了多年的高速成长期后，2 0 0 5 年市场规模达到1 5 2 亿元。但是 随着替换工作的完成，l e d 交通灯市场将不会再维持高速增长，预计2 0 0 6 年l e d 交通 灯市场只实现5 8 的增长，达到1 6 1 亿元。 应用5 ：景观照明市场快速发展，2 0 0 7 年市场增速达到高峰。景观照明市场主要以街 道、广场等公共场所装饰照明为主，推动力量主要来自于政府。受到2 0 0 8 年北京奥运 会和2 0 1 0 年上海世博会的影响，北京、上海等举办地加快了景观照明的步伐，由于l e d 功耗低，在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力。目前，l e d 已经越来 越多地应用到景观照明市场中。2 0 0 5 年中国景观照明市场规模超过7 亿元，在上述两个 主要活动的带动下，景观照明市场会在2 0 0 7 年达到7 2 的高增长率。此外，奥运会和 世博会的主要作用远远不在于自身带动景观照明市场的成长，更重要的是其榜样作用。 为了迎接奥运会和世博会的召开，北京、青岛、上海等地将建成一批l e d 景观照明工 程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用。其他城市在看到l e d 在景观照明 中的出色表现会减少对于l e d 景观照明的使用顾虑，加快使用l e d 在景观照明中的应 用。l e d 将会从一级城市快速向二级、三级城市扩展。 应用6 ：通用照明市场路漫漫，任重而道远。对于进入通用照明市场而言，功率自光 l e d 除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、机构 与电控等的整合以及l e d 照明产品通用标准的制订。解决上述问题需要很长的一段时 问，赛迪顾问预计l e d 在2 0 1 0 年前还不能进入通用照明市场【9 】。由于酒店、商务会馆、 高档商用写字楼等商用场所村l 对于价格的敏感度低。吲时这些高档场所更注重于彰显品 位与尊贵的地位，对于新兴产品抱有更大的兴趣度。这些都降低了l e d 照明进入的门 槛。赛迪顾问预计l e d 照明将率先进入商用市场，逐步向民用市场扩展。 湖北大学硕十学位论文 1 3 电源管理芯片的发展趋势 电源是电子设备的心脏部分，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，节能已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。其中，电荷泵d c d c 转换器因其功耗小、成本低、结构简单，无需电 感、二极管、m o s f e t 等外围组件和高电磁干扰( e m i ) 抑制等优点，在中低功率电源 管理：卷片中得到广泛应用。 在未来几年，电源管理产品的发展将围绕节能降耗展开。电源设计周期加快、低待 机功耗、高能效以及减小占位面积的要求正在改变传统的电源设计方法。其发展将主要 呈现五大特点【l o 】： ( 1 ) 电源寿命和效率最大化。电池的使用寿命已经是消费者购买产品时非常关注的一 个因素。“对于便携式消费类电子产品而言，来自电源的挑战永远都不外乎尽可能地延 长电池的供电时间，相信没有哪个消费者愿意购买在电影播放中间需要更换电池的便携 式d v d 。 z i l k e r l a b s 市场营销副总裁j i m t e m p l e t o n 如是说。 ( 2 ) 体积和成本最小化。虽然便携产品的体积在不断缩小，成本也在不断降低，但是 在保证性能的前提下，体积更小、成本更低的产品必然更具竞争力。对此，t l 中国区模 拟业务销售总监王剑表示，电源管理面临的关键任务之一就是如何最大化产品的性价 比。 ( 3 ) 电压提供多样化。现在的便携产品通常都会集成视频、音频、照相录像、文件 存储等多种功能。不同功能的实现都需要不同的电j 玉供应，而且要求电压稳定可靠、干 净、高效，这也是屯源管理面临的一个挑战。n s 亚太区便携式设备电源管理产品市场 经理罗振辉说：“便携式电子产品的不同系统需要不l 一的供电电压，而顺序供电是电源 管理集成电路必须面对的复杂问题。” ( 4 ) 设计时间最短化。市场竞争的同趋激烈和产品的快速更新换代使得商家不得不在 尽可能短的时间内将产品推向市场，以抢占先机。为此，产品的没计周期也从过去的1 2 1 8 个月变为6 个月甚至_ 史短。这使传统的模拟设计人员面临严峻2 的挑战。 ( 5 ) 数宁电源和模拟电源相结合。数宁电源是电源市场特别引人关注的话题之一，对 这一新产品业界看法不尽相同。一方面，传统的模拟电源方案经历了数十年的不断发展 完善，在很多应用领域已堪称理想之选；另一方面，在传统模拟方案比较棘手的领域， 6 笫一章绪沦 如减少控制回路的元件数目、增强系统稳定性、实现灵活的可配置能力和通讯能力等方 面，电源业者也已经另辟蹊径，开始涉足数字电源技术。 在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源具有优势，因为其应用的针 对性可以通过硬件同化来实现；而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟 系统电源管理的复杂高性能系统应用中，数字电源则具有优势【l 。更高集成度的模拟电 源系统以及更先进的数字控制系统将是新一代电源管理技术的发展趋势。目前的许多 “数字电源”和“数字控制电源”最简单的含义是通过数字接口控制开关稳压器，这可能包 括通过1 2 c 或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序，启动、裕 度控制、加电和断电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。第二个含义是给前 面的定义加上所谓的“数字遥测”。在这种情况下，提供额外的控制功能以监视开关电源 的状态，并根据需求或者周期性地向主机报告。具有大量数字集成电路的高端系统是这 类数字电源的目标市场。第三个也是最野心勃勃的数字电源含义是用数字电路彻底取代 开关稳压器中的所有模拟电路。据说这样将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调 节和销售。更进一步的理由是，通过编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电路 就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、反激式或正激式转换器，但是从根本 上来说，电源是模拟的。甚至用a d c 和d s p 取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字 开关稳压器也仍然需要电压基准、电流检测电路和开关驱动器。此外，电感器、变压器 和电容器在实现数字电源时也是不可或缺的。所以数字电源难以摆脱模拟电路，最终述 是一个与模拟电源相结合的结果。 1 4 本论文主要研究内容 无论那种电源，都不可能直接给l e d 供电，所以，要应用l e d 做照明光源，就要 解决电源变换的问题。因此本论文首先介绍了l e d 照明的特点和l e d 光学特性参数。 其次从l e d 的驱动电路入手。详细的对现有的照明驱动电路进行了分析，主要针对背 光用l e d 的l d o 驱动芯片和用于l e d 照明的升压型d c d c 转换器，设计了一种具备 对数调光助能的低噪声1 5 x 电荷泵l e d 驱动电路芯片。 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。其中，电荷泵d c d c 转换器冈其功耗小、成本低、结构简单，无需电感、二极 管、m o s f e t 等外围组件和高电磁t 扰( e m i ) 抑制等优点，在中低功率电源管理芯片 中得到广泛应用。在电路应用中，电荷泵相对于线性调节器l d o 和开关电源有其自身 7 湖北大学硕十学位沦文 的优点。线性调节器l d o 只能降压不能升压，在很多场合受到限制；s w i t c h i n gr e g u l a t o r 可以升压又可以降压，但是由于含有电感，设计中必须仔细考虑e m i 辐射；电荷泵采 用电容储存能量，外接组件少，成本低，所占p c b 板面积小，非常适合用于便携式设 备中，并且随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高，也可应用在需要较大电流的 应用电路中。 论文第1 章介绍了电源管理芯片的发展趋势和实际价值并且提出了本课题要达到的 日标：第2 章首先阐述了1 5 x 电荷泵电路的工作原理和关注的主要参数指标，然后分析 了白光l e d 特性以及恒压和恒流驱动方式的优缺点，搭建了电荷泵驱动电路的系统架 构和功能框图：第3 章对本课题中的子电路模块进行分析，其中包括带隙基准电路、过 温保护电路、误差放大器和软启动电路。对电路的工作原理及参数求解都作了较为详细 的阐述，并给出了其典型情况的仿真结果和容差分析结果；第4 章介绍了整体电路联合 仿真和容差分析并给出仿真结果。整体仿真指标包括：( 1 ) 静态电流；( 2 ) 关断电流；( 3 ) 工作效率；( 4 ) 驱动能力；( 5 ) 启动和关断过程；( 6 ) 输出电压纹波；( 7 ) 电路自适应切换； 最后是该论文的总结，对芯片的设计原理与实现方法进行了总结，给出了芯片的性能测试 结果，指出了设计中的不足之处和下一步要努力改进的方向。 第章电荷泵的基本工作原理 第二章电荷泵的基本工作原理 论文中设计的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 2 0 】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【2 1 1 。 因此本章对电荷泵的基本原理进行介绍。 2 1 电荷泵概述 电荷泵( c h a r g ep u m p ) 是主要利用电荷守恒原理工作的开关屯源，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科1 9 , 2 0 。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。 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 。 电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之间，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乜流的限制。电荷泵r t l 源冈其大输出 电流的特点常被选用来做系统的主电源，需求最也在逐渐上升。它的另，。特点是无需电 9 湖北大学硕+ 学位论文 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的影响并不是很 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电压，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) 。 2 2d i c k s o n 电荷泵 d i c k s o n 电荷泵的基本电路如图2 1 所示。用二极管构成一链路，时钟脉冲经电 容耦合到各个节点，利用极管的单向导电性和电容具有存储电荷的特性，在两相 不交迭的时钟脉冲的驱动下，将电荷从输入端推向输出端。随着输出端电容上电荷 的不断增加，电压也就不断上升。一个n 阶倍压电荷泵的输出电压为2 2 】： 2 吃+ n ( - 巧) 一巧 ( 2 - 1 ) 其中：圪是电荷泵电路的输入电压，是时钟信号经电容耦合到各节点后电压的幅度， 形是二极管两端的电压降。 l i 婶l警峰k蝻弩k赫峰k蝉娜 c s l c s l c i l c s i t ：s is l 坦一l ! 图2 1d i c k s o n 电荷泵电路 但在实际的电路中由于寄生电容e 的影响，经电容实际耦合到各节点上的电压为 2 矗圪。若考虑负载，由于负载会从电路中抽取电流乙，当时钟信号的频率为 f 时，n 阶电荷泵的输出电压会有一个灭的压降，其最终输出电压为： t r o l t l ”n ( 矗而o t t l ) 。呢 ( 2 - 2 ) 1 0 第：章电荷泵的菜本t 作原理 该电荷泵的等效电路如图2 2 示： = + ( 器吲一圪 g o h t = g o i o 。| r s = + n ( - 巧) b 2 而n b = 丽n ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) y f2 v o 一f 尺s 图2 - 2d i c k s o n 电荷泵等效电路 由于负载电阻雹以及电容e 的放电，电荷泵的输出电压有一个电压波动珞1 1 ，通常c o 足够大以保证与输出电压圪肼相比很小。 咋2 巧i o t2 南 协6 ， 由( 2 ) 式知，对于d i c k s o n 型电荷泵，其单级电压增益g 为： g 坼2 矗。志 协7 ) 它与电荷泵的级数n 无关，凶此只要满足g 0 ，从理论上说，输出电压可以达到希望 值。 2 3d i c k s o n 电荷泵的动态分析 对于这一过程的分析，v a d i c k s o n 理想电荷泵入手。女n f n 2 3 示，假设c l 上已有电荷 g ，c 2 上已有电荷q 2 ，则有k = q l c l ，k = 0 2 c 2 ，同时k 和满足k + 圪， 圪+ 圪那么当 c k 为高时就会发生从q 到e 的电荷转移，假设二二极管和时钟耦合电容构成的充电回路 r c 的时间常数远小于c k 的时钟剧期，n z , 电荷转移量为： a q = c ( k k ) = 0 5 c ( k 一+ 。一圪) ( 2 8 ) 湖北大学硕十学位论文 z i = q l , 。观5 ，匕。圪+ 圪) ( 2 9 ) v ；= q 匕2 = 。5 ( 巧+ 圪+ 一圪) ( 2 - 1 0 ) 这相当于有q 的电荷通过时钟电路从电源流到了地。 丁 k 图2 3 单级电荷泵模型 现在来考察一个2 n 级的d i c k s o n 电荷泵的动态过程，它满足以下几个假设： 1 ) 时钟的电源电位和电荷泵的首级充电电源电位一样同为k 。c ； 2 ) 暂时忽略电荷泵的电阻负载： 3 ) 二极管和耦合时钟电容的尺c 常数远小于时钟周期； 4 ) 所有电容和二极管的参数一样： 5 1 初态时所有电容上的电荷为零： 6 ) 忽略所有二极管上的泄漏电流： 7 ) 各电容上的电荷值为有符号量，其正负由朝二极管方向极板的电荷性质决定。 于是可以写出如下方程： g o = 0 ，q , o 吐o = 0 ； k = 0 ，1 ，2 n ( 2 1 1 ) 假设在j 时刻，c k 为低， q 1 = c ( 一屹) q 3 , j = q 2 a + c ( - 一圪hq 2 , j + q 3 ，2q j - ；+ g ， q 2 n - i , j2 q 2 n - 2 j + c ( 一圪：q 2 n - 2 , j + 0 2 ，q 2 n ，j 一；+ 小； 毒瓯町2 q 2 n , j l - c ( 一吼q 2 n j + 9 - , 0 以2 q 2 帅一! + q l o “2、一| o n d ” 一”2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章啦荷泵的- 荩本工作原蝉 在第j 时刻内从电源到地的总电荷转移量为f q a l l = 善( q 2 叫一；一q 。) + ( q l ，厂q l ；) 2 - 1 6 假设在j + i 1 时刻，c k 为高， q 2 小；5q i + ；+ c ( 圪一屹卜q l , j + q 2 ，22 一；+ q 2 ； 2 _ 1 7 q 2 n - 2 , j + ；2q 2 - 3 ，t + c ( 一圪bq 2 n - 3 j + q 2 n - 2 , ) = q 2 3 + ；+ q 2 ，- 2 ，哇 2 - 1 8 q 2 n a + ；22 ；+ c ( 一圪) ；q 2 n - i j + q 2 m 2 q 2 - z j + ；+ 皱畦 2 - 1 9 吃町+ 三2 瓯枷 2 _ 2 0 那么在第j + 要时刻内从电源到地的总电荷转移量为： q a l l = 善( ；一纠 2 2 1 在- c t o o z = c 的情况下，可以递推得到各节点在各时刻的电位及电荷转移情况，从士 面分析可知，在负载电容与电荷泵的充电电容值相等，r c 且不考虑电路的泄漏 电流的情况下，电荷泵的上升时问仅和时钟周期与电荷泵级数有关；而它自身的功耗则 正比于每次转移电荷的总量，随着各电容上的电量的增加而减少。对于电荷泵的瞬态电 流，可以用简单的r c 充电模型来描述。假设r 是二极管的等效电阻，则如图2 - 4 示可以 等效整个电荷泵的充电模型。当有q 的电量经过r 注k c 时，可以用下式来描述它的瞬 态电流： ，：丝p 一去( 2 - 2 2 ) “( 一 于是可以得到电荷泵的近似瞬态电流表达式： ，：垒丝p 一壶( 2 2 3 ) 屹。出乙 湖北大学硕： ：学位论文 c 工 图2 4 电荷泵充电模型 2 4 芯片中电荷泵工作原理 图2 5 电荷泉应用电路 电荷泵的外部应用环境如上图所示。芯片在有负载存在的时候，由v o u t 的反馈信 号来控制电源的工作模式，如果可以驱动外部负载，则仅工作于1 倍电压模式，若不足 以驱动负载电流，则工作于1 5 倍模式，而且芯片内部还有欠压保护，过压保护，过流 保护等保护模块，这些保护电路中的部分模块将在整体电路仿真中做说明。 1 4 第章电荷泵的基本： ：作原理 图2 - 6 选择功率管源极电位 图2 - 6 所示为电路工作于1 倍1 5 倍模式下的输出功率