（微电子学与固体电子学专业论文）恒压型白光led驱动电路研究与实现.pdf

塑兰盔兰堡主兰垡笙塞 y8 7 6 7 3 7 摘要 白光l e d 是节能、环保、高效、长寿命的国际公认的下一代照明光源。 随着白光l e d 技术的成熟，它将被更广泛低地应用到各个领域。与传统光源不 同，白光l e d 需要专用驱动芯片才能使其高效持续地工作。本硕士论文的目的 就是设计进行白光l e d 驱动芯片的设计，主要针对背光用白光l e d 的l d o 驱 动芯片和用于白光l e d 照明的升压型d c d c 转换器。 白光l e d 驱动器属于电源管理类芯片。对于l d o 芯片而言，稳定性至关 重要，传统的l d o 设计多采用片外的e s r 电阻生成的零点作为补偿，这种补 偿方式存在这一定的缺点，本设计中分别提出了两种新颖的补偿方案，减少了 l d 0 对于片外e s r 电阻的依赖程度。 电感式升压d c d c 转换器属于开关转换器。本设计中提出了一个专门用于 仿真b o o s t 类型d c d c 转换器的线性系统模型并进行了系统仿真，并基于此系 统模型建立了完整的线路级仿真。该d c d c 转换器采用了当前最流行的几种技 术：电流电压反馈控制、p w m 调制以及同步整流控制。 设计的l d 0j 占片于0 5 年8 月进行了流片，经测试分析，芯片的功能和性 能指标基本达到设计。 由于受到流片时间限制，对于b o o s td c d c 转换器完成整个仿真工作和版 图绘制工作，并于0 6 年5 月底送交流片。电路的各项仿真结果完全达到了预定 的指标要求。仿真、版图绘制、流片都基于c s m c0 6 u m2 p 2 m 工艺。 关键词：电源管理l d 0 电感式d c d c 转换器补偿系统建模h s p i c e m a t h c a d 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h l e dh a sb e e nr e g a r d e da s 也en e x tg e n e r a t i o no fn g h ts o u r c e b e c a u s eo f i t sp o w e rs a v i n g ，h i 曲e 街c i e n c y ，l o n gl i f e ，l o wp o l l u t i o na n dl o wr a d i o a c t i v i t yw i t h t h em a t u r a t i n go fw h i t el e dt e c h n o l o g y ，i t 、i l lb e 印p l i e di nm a i l yr e g i o n s s oa s p e c i a ld r i v e ri ci sn e e d e df o rm ew h i t el e d t om a i n t a i ni t sc o m m o nw o r k i n gs t a t u s w eh a v ed e s i g n e d 帆od i 虢r e mt y p e sw h i t el e d 出i v e r s t h ef i r s to n ei sal d o d r i v e ra i m i n ga tt h ef i e l do f b a c k l i 曲ta p p l i c a t i o na n dt h es e c o n di sab o o s ti n d u c t o r d c d cc o n v e r t e ra i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o no fc o m m o nl i g h ts o u r c e w h i el e dd r i v e rb e l o n g st ot h ep o w e rm a l l a g e m e n ts y s t e m s t a b i l i t yi st h e m o s ti m p o r t a n tt h i n gf o rt h ed e s i g no fl d o i nc o n v e n t i o n a lc a s e ，i tr e l i e do na o f 卜c h i pe s rt om a i n t a i nt h el d 0 ss t a b i l i t y ，b u tt h i sm e t h o dh a sm a n yn a w s i nt h i s d e s i g n ，w e v eb u i l tt w od i 仃e r e n tk i n d so fc o r r l p e n s a t i o ns c h e m e sw h i c hd e c r e a s et h e l d o sd e p e n d e n c eo nt h eo f r - c h i pe s r b o o s ti n d u c t o rd c d cc o n v e r t e ri sak i n do fp o 、v e rs w i t c h i nt h i sd e s i g n ，w e b u i l dal i n e a rm o d e lf o rt h eb o o s ti n d u c t o rd c d cc o n v e r t e ra 1 1 ds i m u l a t et h i sm o d e l i nh s p i c e b a s e do nt h e s y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t s ， w e v er e a l i z e dt h e s e s p e c m c a t i o n si nc i r c u “i e v e l t h i sd c d cc o n v e n e ra d o p t st h em o s tp r e v a l e n t t e c h n o l o g y a t p r e s e n t ，s u c ha sc u r r e n tm o d ef e e d b a c k ，p w mm o d u l a t i o na n d s y n c h r o n o u s r e c t i ：e i c a t i o n c o m p a r i n g t ot h ec o n v e n t i o n a l t e c l l l l o l o g y t h e y d r a m a t i c a l l yp r o m o t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed c d cc o n v e r t e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s et h r e ed i f 五：r e n tc h i p sa c h i e v et ot h es p e c i f i c a t i o n s h o w e v e r ，c o n s t r a i n e db yt h es c h e d u l e ，w eh a v et 印e do u tt h e ma ub u to n i yf i n i s h c d t h et e s to f t h el d o s ，s i m u l a t i o n ，l a y o u ta n dt a p eo u ta r ea l lb a s e do nc s m co 6 u m 2 p 2 md r o c e s s k e y w o r d ：p o w e rm a n a g e m e n t ，l d o ，i n d u c t o rd c d cc o n v e r t e r ，c o m p e n s a t i o n ， s y s t e mm o d e l i n g ，h s p i c e ，m a t h c a d i i 浙江大学硕士学位论文 第一章白光l e d 及其驱动电路发展趋势 1课题定位 白光l e d 是国际公认的下一代照明源。随着白光l e d 技术的不断成熟，开 发高效、稳定的白光l e d 驱动芯片势在必行。白光l e d 将逐步取代传统的照明 源，因此白光l e d 驱动芯片也将有着越来越广泛的应用前景。另一方面，从技 术角度来看，白光l e d 驱动电路属于电源管理芯片的范畴，但是和传统电源管 理类芯片在技术指标上又有所不同。白光l e d 驱动电路需要集成功率器件，并 且要在保持电路稳定的同时不断提高能量转换效率，这些对驱动电路的设计者来 说都是较大的挑战。 同时我们可以看到，虽然白光l e d 以及驱动芯片具有诱人的发展趋势和非 常好的产业化前景，但目前绝大部分驱动芯片的生产销售主动权仍然掌握在国外 公司手中。设计研制具有自主产权的该类芯片，追赶l e d 以及驱动芯片的技术 潮流，是摆在国内微电子行业设计者面前的一个迫切任务。由于我们此前已经对 白光l e d 以及驱动芯片进行了充分的调研，且微电子所具备设计芯片的良好基 础条件，为此，本硕士论文决定以白光l e d 驱动芯片的设计研究作为课题。希 望通过较深入扎实的设计研究，通过多目标流片，完成一、二种功能和性能基本 达到实用要求的白光l e d 驱动芯片。 2 白光l e d 特点 有人断言，高亮度l e d 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的发 明之一。无论这种说法是否准确，高亮度白光l e d 的出现的确给人类照明带来 美好的希望。传统的白炽灯在2 0 世纪初就已经批量生产，随后又出现了荧光灯 等光源，但是此后半个世纪，一直没有出现能够替代这些传统光源的理想光源。 由于传统光源能耗高、效率差、环境污染严重，显然不符合当前节能、环保的主 题，因此近2 0 年以来，工程界一直在寻求能够完全替代传统光源的新型光源。 在该方面走在前端的有欧洲和美国等一些国家。例如欧洲专门制定了c o s t 计划 并提出了新型光源的一些条件：高效、节能、不造成环境污染、能够模拟自然光 等等。而利用白光l e d 作为照明光源，恰好具有节能、高效、寿命长、环境污 染小、无辐射等等优点，因此成为国际公认的下一代照明光源。 浙江大学硕士学位论文 白光l e d 是当前最被看好的一种l e d 产品，与白炽灯、荧光灯等传统的照 明源相比，其优势在于： 1 ) 体积小：可以有多颗、多种组合，可以产生点光源、面光源。 2 1 发热量低：所产生的热辐射比较小。 3 ) 耗电量低：工作在直流低电压、低电流下。 4 ) 长寿命：据报道其寿命可以达到l o 万个小时以上。 5 ) 频率响应快：有利于高频操作。 6 ) 节能、环保：其物理结构决定了白光l e d 不易破碎，且废弃物可以回收 再生。 但是，现阶段的白光l e d 还不能取代传统的照明源。若要用白光l e d 完全 代替传统光源还需要解决以下几个问题：发光效率低，单管功率小，价格昂贵等 问题。在发光效率方面，目前产业化的自光l e d 发光效率为2 51 m w ，该效率 仅与一个1 5 w 的白炽灯相当，与要达到理想的lk l 州w 还有很大的距离。虽然 自光l e d 的寿命很长，但是现阶段其高昂的价格也是阻碍它全面替代传统光源 的一个重要原因。可见要全面替代传统光源，我们就需要研究出发光效率高、大 功率、价格低廉的单颗白光l e d 芯片。 此外，真正能够被激发出白色光谱的半导体材料当前是不存在的，因为白光 是多种色彩的光线混合而成，而半导体受激发产生的光谱多为种颜色。以人类 肉眼能够看到的白光至少要两种光混合而成，比如所谓的二波长光就是以蓝色光 和黄色光混合而成，而效果更好的三波长光是指以蓝色光、绿色光和红色光三种 光线混合而成n 当前商品的产品以二波长光为主，即在蓝光单晶片上再加上一层 y a g 黄色荧光粉来产生白色的光。而未来的发展趋势是使用三波长光，例如以 紫外光晶片加上r g b 三颜色的荧光粉，激发产生白色光。 2 1 白光l e d 芯片的发展情况 当前市场上的白光l e d 可以分为单芯片、双芯片和三芯片三大类型，以下简 要介绍一些各种类型白光l e d 当前的发展情况。 1 ) 单芯片结构 单芯片结构主要是以l e d 晶片和荧光粉涂层组成，例如以n g a n ( 蓝) 为l e d 浙江大学硕士学位论文 晶片加上y a g 荧光粉组成的单芯片自光l e d 是当前一种比较成熟的产品。这种 产品多采用芯片倒装的结构，以提高发光效率和散热效果，同时可以通过改进荧 光粉工艺来改进白光的色均匀度。试验结果表明，电流和温度的增加使l e d 光 谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。而在寿命方面，这种类型的白光 l e d 工作1 2 万小时后，仅下降1 0 ，预计工作5 万小时后下降3 0 。市场方 面l u x e o n 生产的这种类型的白光l e d 最高发光效率可达到4 4 3 l r n w ，最高光 通量为1 8 7 l m ，显色指数r a 为7 5 8 0 。还有以i i l g a n ( 蓝) 半导体材料为发光晶 片，以红荧光粉和绿荧光粉为涂层的单芯片白光l e d 。例如l 啪i l e d s 公司采用 4 6 0 1 1 n 1 l e d 配以s r g a 2 s 4 ：e c 2 + ( 绿色) 和s r s ：e u 2 + ( 红色) 荧光粉，色温可达到 3 0 0 0 k 一6 0 0 0 k 的较好结果，r a 达到8 2 8 7 ，较前述产品有所提高。 2 ) 双芯片结构 双芯片结构是由蓝l e d + 黄l e d 、蓝l e d + 黄绿l e d 以及蓝绿l e d + 黄l e d 等多种组合而成。此种器件的优点是成本低廉，但是由于是由两种颜色l e d 形 成的白光，造成其显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。 3 ) 多芯片结构 多芯片结构即以三种或三种以上的发光l e d 封装而成的白光l e d 芯片，其 特点也是显色性较差。例如p h i l i p s 公司用4 7 0 n m 、5 4 0 n m 和6 l o n m 三种波长的 l e d 芯片制成r a 大于8 0 的器件，色温可达3 5 0 0 k 。用4 7 0 m n 、5 2 5 n m 和6 3 5 n m 的l e d 芯片，则缺少黄色调，r a 只能达到2 0 或3 0 ，还有采用4 6 5 n m 、5 3 5 m 、 5 9 0 n m 和6 2 5 m 的l e d 芯片可制成r a 大于9 0 的自光l e d 。 2 2 自光l e d 电学伏安特性介绍 对于自光l e d 驱动芯片的开发，我们最关心的是其电学特性，这对开发高 效率的白光l e d 驱动芯片非常重要。例如正向伏安特性、温度特性、色温和光 功率随电流的变化，其中最主要的是白光l e d 的正向伏安特性曲线。 白光l e d 的正向伏安特性曲线如图1 1 所示： 浙江大学硕士学位论文 。m 图1 1白光l e d 正向伏安曲线图 从中我们可以了解到若干在设计白光l e d 驱动芯片必须考虑和处理的问题。 1 ) 白光l e d 的正向导通电压在3 3 v 以上，而对于采用普通电池为电源的 设备，则需要开发适当的升压型芯片来作为白光l e d 的驱动。 2 ) 在大于导通电压的区域内，伏安特性曲线变化剧烈。因此对于以普通锂 电池为电源的设备中，由于锂电池的电压会在3 3 v 到4 6 v 之间变化， 需要开发适当的降压芯片来驱动白光l e d 。 3 ) 可以看到自光l e d 之间的特性曲线有显著的差异，因此对于多个白光 l e d 组成的光源，若要保证每个光源产生同样的亮度，那么就要开发适 当的恒流驱动，采用串连驱动的方式来驱动白光l e d 。 3 白光l e d 驱动电路构架与特点 白光l e d 驱动电路实际上是属于电源管理芯片的一类，只要电学参数匹配， 很多电源管理苍片可以直接来驱动白光l e d ，但是作为自光l e d 专用驱动，还 需要针对白光l e d 自身特点以及具体的应用场合来进行设计。 从l e d 的连接方式来看，可以分为串连驱动、并联驱动、混联驱动三种类 型。这三种连接方式各有优缺点。并联配置的优点是可以采用低压工艺实现，可 以在当前流行的c m o s 工艺基础上实现白光l e d 驱动。但是由于两个白光l e d 管之间存在导通电压不匹配，因此存在相同电压下i 甩d 管的发光亮度不均匀的 问题。串连驱动的优点在于解决了l e d 管发光亮度不匹配的问题，这是因为在 相同电流下白光l e d 发光亮度近似相同，其缺点在于由于单个白光l e d 所需的 浙江大学硕士学位论文 正向导通压降在3 v 以上，因此在标准c m o s 工艺下，很难实现驱动三个以上的 白光l e d 芯片。混联是串并联两种方式的综合，但仅适用于某些特殊的应用场 合。 实际上使用串连驱动l e d 方案还是使用并联l e d 驱动方案，并没有绝对的 优劣之分，对于不同的应用场合，使用不同的应用方案才能达到优化设计的目的。 例如对于作为手持设备背光用的l e d 驱动电路，要求驱动电路的结构简单，封 装小以实现小型化，同时芯片的噪声输出不能太大，因此驱动方式上，多采用并 联驱动。对于照明用白光l e d 的驱动电路，要求有较大的驱动电流，较好的光 匹配度，因此多采用串连驱动，而对于噪声输出、芯片封装体积则没有太多的要 求。 4 白光l e d 驱动电路发展趋势 当前很多国外公司都在着手开发自光l e d 驱动芯片，并有很多成品已经在 市场上销售，这里选取两块与本设计相关的芯片加以介绍。从中我们可以看到一 些白光l e d 驱动芯片设计所需要的指标以及当前流行驱动芯片的具体参数，从 而定义设计中所牵涉到的各项指标。 线性转换器：s i p e x 公司生产的s p 6 2 0 3 是一块典型的线性低压差芯片 ( l d 0 ) 。它可以提供3 3 v 恒定电压输出，最大输出电流为3 0 0 m a ，同时可以 提供0 1 2 v 的d f o p o u t 电压，噪声输出的h i l s 值为1 2 y ，静态工作电流小于 4 5 爿，线性调整率小于o 0 4 。 匕， 翱醺。j 毫滋嚣 蠹瀵糯孽 。二“。 。 。 5 p i n f i x e d 图1 2 s i p e x 公司生产的s p 6 2 0 3 负载调整率小于o 0 7 。适用于便携式应用的场合。从以上指标中我们可以看到， 对于用于驱动白光l e d 的l d 0 类型驱动芯片来说，它主要用于便携设备中驱动 浙江大学硕士学位论文 单颗白光l e d 芯片，最重要的指标包括：大于3 0 0 m a 的驱动电流、3 3 v 恒定电 压输出、极低的d m p o u t 电压以保证高效率，低负载线性调整率以保证白光l e d 的亮度不随输出和负载的变化而变化。 开关转换器：以l 让l e a r 公司生产的l t c 3 4 9 0 为例。其电路示意图如下： 33 u h m h 0 r l k 札i 雠 c e l l 图1 3l i n e a r 公司生产的t c 3 4 9 0 它可以提供3 5 0 m a 的恒定电流输出，28 v 一4 0 v 的电压输出范围，使用同 步整流方式，可以提供9 0 以上的效率，静态工作电流小于l m a ，电压输入范 围l v 到3 2 v ，适用于单节或两节普通电池驱动单颗的白光l e d 芯片。从中我 们可以得到一些对于本设计中b 0 0 s td c d c 转换器指标设定的重要信息。例如 使用b o o s t 结构可以提供宽的电压输入范围和输出范围，同时需要使用同步整流 的方式保证高的能量转换效率，并且需要足够大的负载输出电流以驱动白光 l e d 。 此外，还有许多其它厂家生产的各种结构、功能、性能不同的系列芯片，在 此不一一列举。实际上，不同公司不同功能的电源管理芯片一般采用不同的电路 架构，对于某一类特定用途的驱动芯片，到底采用哪种电路结构哪种调制方式更 加合理，还是需要经过仔细分析比较，以期获得最优结构和最佳特性。在下一一章 节中，将对不同工作原理不同结构的白光l e d 驱动芯片进行比较分析。 浙江大学硕士学位论文 第二章白光l e d 驱动芯片结构与特点 用于白光l e d 驱动的芯片有多种不同的电路结构形式，要设计出性能良好 的白光l e d 驱动芯片，必须全面了解各类芯片的基本结构、不同结构驱动芯片 的工作原理以及它们的特点。 从驱动芯片的电路拓扑结构来划分，大致可以分为三种类型：线性结构( 以 低压差l d o 结构为代表) 、电容式开关结构( c h a 唱ep u m p ) 、电感式开关结构 ( i n d u c t o rd c d cc o n v e n e r ) ，其中后面两种都属于非线性结构。以下将简要介 绍各种结构的特点。 2 1 线性结构( l o wd r o p o u t ) 线性稳压源一般被用做各种手持设备中的背光用l e d 的驱动。线性稳压源 主要包括l d o 这一种电路拓扑结构，特点是只能实现降压的驱动方式。l d o 的 基本结构如图2 1 所示。 l d o 优点在于成本低、封装小、外围器件少和低噪声输出。l d o 的输出噪 声非常小，这是由于一方面l d 0 属于线性结构，相对于开关式非线性的解决方案， 不存在开、关时大电流所引起的电磁干扰；另一方面，l d 0 本身属于一个低通 滤波器( l o w p a s s f i i t e r ) ，对于高频噪声有抑制作用。很多电源管理系统中， 开关变换器的输出都会加上一个l d o 来降低减少纹波和输出噪声。从这一点来 看，l d o 这种结构适合于手持设备中背光l e d 的驱动。 吲 芯，：，h 都监段懂艟 朴惜屯舟 菖 捌 i “汁 i “r 丰 。喇本结构 ” = # c d i 图2 1l d o 基本结构 l d o 的缺点在于某些应用条件下的低效率特性，而且由于电路结构的限制只 能完成降压的功能。l d o 的效率计算公式为：t n = v 。c ，v i 。举例来说，典型的锂 浙江大学硕士学位论文 电池输入，当输入电压为3 6 v ，输出电压为3 v 时，效率可以达到9 0 9 。但是 在输出电压为1 5 v 时，效率则下降为4 1 7 。可以看到随着输出的变化，l d o 的效率也随之发生较大的变化，当l d o 处于低效率工作区的时候，很多能量被 消耗在发热上，芯片会出现温度过高的现象，甚至会影响芯片的工作稳定性。 因此，若选择低压差结构，就要尽量使其工作在高效率工作区，即工作在较 小的d r o p o u t 电压下。对于背光用l e d 驱动电路而言，由于白光l e d 本身较高 的正向导通电压( 3 v 3 3 v ) ，在以锂电池作为电源的情况下，其转换效率可 以达到8 0 以上，这时候，l d o 驱动电路外围器件少，封装体积小，噪声输出 低的优势就体现出来。因此，作为手持设备的背光l e d 驱动，l d o 结构还是具 有一定的优势。关于l d o 的拓扑结构和具体的电学工作原理将在下面的章节中 具体介绍。 2 2 电容式开关结构( c h a r g ep u m p ) 电荷泵( c h a r g ep 岫p ) 是采用“泵式”电容器作为储能器件来实现d c d c 转 换功能的电压转换器。电荷泵有两大类型，分为无调整电容式电荷泵、可调整电 容式电荷泵。电容式电荷泵的拓扑结构如图2 2 所示，这是最基本的倍压电荷泵 结构。在开关时钟相位( p 时，开关s 1 和s 4 关闭，s 2 和s 3 断开，输入电压v d d 给电容c 充电。在下一个时钟相位时，s 1 和s 4 关闭，s 2 和s 3 断开，电容c 的 下极板被接到电势v d d ，上极板作为电压输出得到v o u t 。根据电容存储电荷不 能突变的原理得到圪。口2 。 图2 2 电容式电荷泵结构 电容式电荷泵通过开关阵列、振荡器、逻辑电路、比较器来实现d c d c 电压 浙江大学硕士学位论文 转换。电荷泵无需电感器件，只以电容为储能器件。通过改变电荷泵电路拓扑结 构可以实现升压、降压、反转电压的功能。例如电荷泵可以实现o 5 、2 、3 或4 倍 于输入电压的输出电压。电荷泵结构可实现高达9 0 的效率。 通过分析电荷泵内部工作机制可知当输出电压与输入电压成一定倍数关系 时( 例如1 5 倍或者2 倍时) ，其电压转换效率效率可达9 0 以上，但是效率会 随着两者之间的比例关系而变化，有时效率也可低至7 0 以下。由于储能电容的 限制，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，抗电磁干扰( e m i ) 和纹波的特性居中，但是缺点是有限的输入输出电 压比以及有限的输出电流能力。 2 3 电感式开关结构( d c d cc o n v e r t e r ) 电感式开关结构利用电感作为储能器件，为负载提供持续的电流，基于不同 的外围拓扑结构，可以实现降压升压反转电压输出的功能，对于电路结构稍加 调整，即可以完成恒流输出的功能。因此电感式结构具备多种灵活的解决方案。 由于理论上电感不消耗能量，因此电感式结构的转换效率理想情况下为1 0 0 ， 考虑到各种非理想因素，仍可以实现最高9 5 左右的转换效率。 这些非理想的因素主要包括： 1 ) 开关m o s 管的导通损耗：主要与占空比和m o s f e t 的导通电阻有关。 2 ) 动态损耗：使用同步整流方式下，同步整流管和开关管同时导通会产生一个 开关损耗，同时驱动m o s f e t 的开关电容也有一个动态损耗。 3 ) 静态损耗：芯片中各种控制电路也需要一定的功耗，这部分功耗被称为静态 损耗。 上面所提到的一、二两点，在外部负载较大时，这些损耗都相对较小，所以 电感式开关电源可以达到9 5 的效率。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变 得大起来，影响效率。而第三点可以通过设计上的手段是这部分损耗控制在最小。 电感式开关电源的缺点在于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，且电路内部结构复杂。在p c b 布板时要小心避免电磁干 扰( e m i ) 。为了减小对大电感和大电容的需要以及减小纹波，提高开关频率是非 常有效的办法。 浙江大学硕士学位论文 对于电感式转换器内部结构而言，一般可以分为两个大的模块，即开关部分 和调制器部分。首先介绍开关部分的工作原理，开关部分主要由有源开关和一些 无源器件组成，如果使用同步整流方式，电路只包括两个有源的开关和电感、电 容等一些无源器件，如果不使用同步整流方式，那么电路还将包括一个低导通电 压的肖特基二极管。下图分别显示了三种不同的开关拓扑结构，分别对于升压 ( b o o s t ) 、降压( b u c k ) 、反转( i l l v e r t ) 三种不同的功能。 f 备u t 艇h 图2 3开关部分三种基本拓扑结构 2 3 1 降压型( b u c k ) 电感式d c d c 变换器 b u c k 型电路拓扑由有源开关( 功率m o s f e t ) 、续流二极管d ( 或由同步整 流开关代替) 、储能电感l 、滤波电容c 组成。电感式降压( b u c k ) 转换器实现了 从高压输入到低压输出的d c d c 转换功能。b u c k 拓扑结构的电路原理可以从下 图所显示的变换器一个周期的工作状态推导而得。 r 觅 图2 4b u c k 变换器工作原理 开关s 的通断由调制器提供的方波控制，通过改变方波的占空比可以改变开 关通断时间。当开关s 闭合时( 上图) ，二极管d 两端电压反相，二极管截止， 此时由电源对电感l 进行充电，负载r 和电容上的电流由电源提供，电感上的 电流逐渐变大。当滤波电容足够大的时候，可认为电感两端电压固定，电感电流 呈线性，其斜率为斫出= ( 一心) 三。当开关s 打开时( 下图) ，二极管d 导通， 设d 为理想，那么d 的负端电压为零，由于电感两端电势差为负，此时电感上 浙江大学硕士学位论文 的电流减少，由电容和电感共同对负载提供电流，电感上电流的变化率为 讲衍= 一v n 三。由于开关部分和调制器部分形成了一个负反馈系统，因此在稳 定状态下，电感上的电流必然也呈现一个稳定的状态，即在导通周期d 吸中电 流的变化量和开关闭合周期d 0 吸电感上电流的变化量是相等的，电感上的电流 变化如下图所示： 电感 电流 魏 图2 5 电感电流变化 根据上图中电感上电流的变化，可以得到以下关系： 半仍拿峨州咄。， 三三 ( 1 1 ) j d = 圪 另外，由于二极管的存在，电感上的电流不能反相而只能减少到零的状态。 这样电感上的电流变化就存在两种不同的工作状态，即连续导通模式( c c m ) 和非连续工作模式( d c m ) 。对于b u c k 拓扑结构来说，前者是指在d 0 匮相位中， 电感上的电流至少大于零，而c c m 模式是指在d 0 吸相位内，电感上的电流会 减少到零，并且一直维持到d 皿相位开始。c c m 模式和d c m 模式的区别如下 所示 h hf+ 夕吨一厂。 k 、岛 r l i l 。产i 兰+ 广。 i|_工 i ：之 i ：1 e 。 、 f e 图2 6c c m 模式和d c m 模式 浙江大学硕士学位论文 注意到d c m 工作模式下，式( 1 1 ) 关系仍然成立，因此输入输出电压的关 系不会发生变化。c c m 模式和d c m 模式同电路拓扑结构无关，因此对于升压、 降压、反转三种拓扑结构都存在c c m 和d c m 两种不同的工作模式。本设计中 建模，电路设计全部都是基于c c m 连续电流工作模式。 2 3 2升压型( b o o s t ) 电感式d c d c 变换器 升压型电感式d c d c 变换器是本设计的一个部分，具体工作原理将在第二 章中详细介绍，此处只给出输入输出电压的推导过程。开关两个相位的电路结构 如下图所示： 假设滤波电容足够大，电容上的电压基本不发生变化，可以推导出如下公式： 孝2 铷；州咄：， j 旦：矿 “ d 0 1 可见由于d o 一35 q 33 q 0 图3 1 l 瞬态输出特性 静态电流通过测量空载时电源上的总电流获得，仿真的结果为 厶。，= 1 8 8 刎。 电源抑制比通过在电源电压上施加一个小信号源，测量输出a c 特性取得， 仿真的波形图如下所示，低频下p s r r 达到了一7 0 d b 。 0 0 2 0 一4 0 6 0 8 西 图3 1 2p s r r 温度特性通过对温度做d c 扫描获得，仿真结果如图2 1 3 。可以看到，当温 度变化由一2 0 度到1 0 0 度的时候，电压变化仅为2 m v ，满足了设计的指标要求。 同时，输出特性曲线表明，在工作在室温附近时，电压随温度变化的斜率几乎为 零，这就保证了在室温时良好的温度特性。 浙江大学硕士学位论文 d cr 可s p 口n s 目 3 3 1 肆耳0 r r k 二孓5 1 3 9 0 曩3 1 3 4 0 一2 母，0 4 a ，a 1 毋a t e m p ( c ) 图3 1 31 缸p e r a t u r ed e p e n d e n c e 2 4 2 基准源部分仿真结果 对基准源的仿真主要包括了温度系数、p s r r ，l i n er e g u l a t i o n 启动特性等几个 方面。衡量基准源的温度特性，主要取决于两个方面，一方面时电压随着温度变 化而变化的比例，此特性一般使用公式軎等来作为衡量的标准；另一方面温 ，0 u 度特性的好坏还取决于室温工作时是否能够近似的达到零温度特性，这是因为对 于一阶补偿的b a f l 曲a p 来说，只能在某一点温度下取得零温度特性。一般来说需 要通过设计和仿真使得这个零温度系数点靠近室温的范围。这样芯片在室温工作 时就能取得最佳的温度特性。该基准源的温度特性曲线如下所示： 图3 1 4b a l l d g a p 温度特性 经过计算后，可得到温度依赖性为m = 毒，等= 4 8 3 印棚a 且从温度特性曲线 浙江大学硕士学位论文 上可以看到，在温度2 7 度到4 0 度的范围内，y ，基本上为零，取得了较好 的室温特性。 p s r r 是指电源抑制比，这个特性的好坏决定了输出电压随着输入电压变化 的小信号特性。从该电流镜结构，可以看到从电源到输出端没有直接的信号通路， 需要通过多个寄生电容耦合到输出，因此应当具有较好的p s r r 特性。由下面 的仿真结果，可以证实这一点，在低频的时候，p s r r 小于7 0 d b 。 0 谤 一2 0 一4 巧 一6 0 8 0 f r e q ( h z ， 图3 1 5b a l l d g a p p s r r 基准源的l i n er e g u l a t i o n 也是当输入电压发生变化时，输出电压的变化，但 是与p s r r 不同的是，l i n er e g t l i a t i o n 是一个直流特性，表征了不同输入电压下， 输出电压的稳定度。b a n d g a p 的l i n er e g u l a t i o n 仿真方法同l d 0 的仿真方法相 同，所得的仿真图形如下所示，当电压由4 2 v 变化到5 v 时，输出电压的变化 为1 2 5 u v ，对于驱动白光l e d 而言，这样的精确度是足够的。 图3 1 6l i n er e g u l a t i o n 基准源的启动时间童接影响到整个l d o 的启动时间，这个指标实际上要和 其他一些指标进行折中，例如这个指标受到基准源带宽的影响，而过大的带宽会 浙江大学硕士学位论文 使得b a n d g a p 趋于不稳定。因此需要在保证反馈足够稳定的情况下，尽可能的提 高系统的带宽。对于此基准源，启动时间如下图所示，约为3 3 u s 。 1 5 0 t 2 0 9 0 珏m 6 留0 m 0 韬a m 仍口0 o i ：n e 蛔_ 4 f k a 一 j i j ：。 t f m e ( s ) 2 5l d 0 2 核心部分设计 图3 1 7s t a n u pt i m e l d 0 2 的设计目的是完成一个不依赖于输出电容e s r 电阻的补偿方案。在整 个环路中，即可以在前馈部分引入零点，也可以在反馈部分引入零点。 2 5 1 主反馈环路部分的设计 这里采用的方法是在反馈环路中引入个受控的零点，来补偿整个环路中的 第二极点。基本原理图如下所示： ( 1 ) 陆r o r 聊结构图 图3 1 8l d 0 2 基本原理图 浙江大学硕士学位论文 其中( b ) 是中误差放大器部分的具体结构图。可以看到反馈环路中引入了 一个s 域的v c c s ，通过这个s v c c s 来产生一个零点，该零点产生的原理可以 通过拆环分析得到。整个拆环的过程如下所示： 例3 1 9l d 0 2 小信号等效图 其中的虚线框部分是对反馈网络的戴维南等效部分以及反馈网络对前馈的 负载效应。反馈网络的负载效应可以在反馈网络的输入端加入一个信号源，计算 电流而得： r = 击轰心却螈一志c l 其中的如，c 0 是等效阻抗，反馈系数可以由计算反馈网络开路电压而得： 邓拇c i 吲志 可以看到，在环路中引入了一个零点z = 1 ，r ：c l 。然后就可以计算整个环路的 传输函数 噼篇黼小吼引嘶峨脚风= 彘 # 2 面面高丽司夸丽历而南丽；z l = 击 础一心一击q 浙江大学硕士学位论文 其中p 1 是主极点，位于l d o 输出端；p 2 是第二极点，位于误差放大器的输 出端；z 1 由v c c s 引入。通过z l 在p 2 附近进行补偿就可以取得较好的相位余 度和瞬态特性。另外这种补偿方法还可以提供较小的噪声输出。这是由于这种方 案的零点存在于反馈回路中，而传统补偿方案的零点存在于噪声传递的路径之 上，因此对于闭环的传输函数会比传统方案少一个零点。在理论上，噪声的r m s 值会比传统方案降低1 ，( 1 + s 。) ，。为外部e s r 电阻提供的零点频率。同时 v c c s 起到了微分器的作用，在输出负载电流发生快速变化的时候，提高了反馈 的强度，能改善电路的瞬态输出特性。 2 5 2 v c c s 部分的设计 在上面的分析中看到，设计中还牵涉到一个s 域的v c c s 的设计，这个s v c c s 是通过一个b o o s t 类型的源跟随器实现的，电路图如下所示： 图3 - 2 0v c c s 结构图 这个v c c s 中的运放和源跟随器接成了电压电压反馈形式，在反馈网络的 输入端接成电压类型，其作用在于减小了该电路的输出电阻，以达到在更高的频 率下，跟随器的输出能够等于输入v d 。对于这个v c c s 的分析可咀使用以下的 小信号原理图： 浙江大学硕士学位论文 图3 2 lv c c s 小信号原理图 由图可以得到如下的公式： 乙= 毒矗。等器； 地) 。) q 邶b 咿焘 ，( j ) = k ( s )兰1 一 1 + j 立+ j 刍+ s 2 盟 g mg m g 。rg m g 。 sc l 1 + j 刍 g m g 。r 可以看到在低频下，电路起到了s v c c s 的作用，且运放的引入使得在更高 的频率下都能基本满足，( j ) = j c i k 的关系。直观上，加入反馈之后，减小了跟 随器的输出电阻，使得输出电阻在更高的频率下仍然比j 小。 2 6 l d 0 2 低工作电压低失调基准源设计 2 6 1 影响失调电压的因素 基准源设计是l d o 设计中很重要的一个环节。基准源的温度特性影响着整 个l d o 的温度特性，基准源输出电压的精确性直接的决定了l d 0 的输出电压 的精确性。基准源中一般存在着一个反馈结构，来控制基准源本身能够达到一个 稳定的平衡点。但是这个反馈结构，无论是使用运放来组成反馈网络，还是使用 电流镜来组成反馈网络，都存在着一定的失调电压。首先来简要地分析一下影响 单端输出运放失调电压的因素。 浙江大学硕士学位论文 图3 2 2 单端输出运放m i s m a t c h 分析 失调包括两个方面：系统失调和随机失调。若设计得当，例如对于上面结构 的运放，当第二级和第一级保持一定的比例关系时，基本可以消除系统失调。对 于随机失调部分，由于差分输入级增益的存在，第二级的失调基本上可以不考虑。 因此只要考虑差分输入级部分的随机失调就可以了。对于m o s 工艺的差分对失 调，可以用下面的公式来描述： 忙”竽c 铹+ 等一等， 其中圪。和圪。是指n m o s 和p m o s 的过驱电压，曲和品是指宽长比之间的 失调。由公式可见，失调电压和阈值电压以及过驱电压有关，如果要降低输入失 调电压，我们就必须减少差分输入对的过驱电压，增大负载管的过驱电压，并且 增大各个管予的宽长比。若不考虑p m 0 s 负载对的失调，我们可以看到，增大 输入差分对的宽长比，即可以减少过驱电压又可以减少m o s 之间宽长比失调产 生的影响。由于m o s f e t 工艺的限制，闽值电压的失调一般都在1 0 m v 左右， 而且m o s f e t 的跨导不大，使得后级的失调无法完全被第一级的增益抵消掉。 因此一般来说m o s 运放的随机失调会在十几到几十毫伏之间。这样大的失调必 然会影响整个l d o 输出的精确性。 在工艺上，可以有几种手段可以减少基准源失调的影响，比如在绘制版图时 候充分考虑需要匹配的m o s f e t ，使用共质心的原则绘制版图可以充分减小梯 度和底切( u n d e f c u t ) 的影响。另外现在也有在电路设计中加入一些t r i m 电路和 浙江大学硕士学位论文 修剪条，在流片完成后使用某些手段打断这些修剪条来改变电路的某些参数( 例 如电阻值) 来使得基准源的输出达到设计的目标。 在线路设计上，电可以采用某些手段来减少失调电压对于基准源输出精确性 的影响。在本设计中，设计了一个低失调电压的基准源，通过电路的手段把失调 电压减少到原来的一半左右。 2 6 2 低失调低电压基准源原理分析 b a n d g a pr e f e r e n c e 的结构原理图如下所示： 丁 。、i h 一辞 一 一 。型d【。； 一 0 “ f 一 陌隔n。冈。r 呵 b 也 媛 蓬 l 引 剐 一暮 h 睁。卅剖剖一 b “乱 e卜* + l 一 熊薹廖3 t “伊 旷 婚写翳r 胬融 警l 臣 鼻一 匿l i 再啊j 启动屯踌 茸运藏，： 1 1毛穗瀑嚼 图3 2 3 低失调基准源电路图 此基准源由三个部分组成，启动电路、运放、核心电路。由于这个电路存 在着两个平衡点，其中个是零状态点、另外一个是正常的工作点。启动电路的 作用是在启动时给出一个启动电流，使整个电路尽快地由零状态点进入到正常工 作点，设计中要注意的是当线路进入正常工作点时，这个启动电流必须为零，确 保启动电路不影响电路其他部分的正常工作。 运放采用的是一个自偏置的结构，尾电流的偏置是由运放的输出提供的， 注意到这样的电路结构实际上形成了个正反馈，但是由于整个环路位于运