（物理电子学专业论文）高效电荷泵dc_dc白光led驱动芯片的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着便携式电子产品的广泛应用。电源管理芯片日趋显现出其在电子产品中的重要 地位。高效率、低成本和低噪声已经成为了便携式设备中电源管理芯片的发展方向。而 近年来自光l e d 驱动芯片一直是电源管理芯片市场的热点。其中，电荷泵电路由于不 需要电感元件就可以完成升压功能而备受关注。 本文设计了一种高效电荷泵d c _ d c 自光l e d 驱动芯片。它是基于高效自适应电荷 泵电路，在0 5 微米c m o s 工艺条件下设计完成的。其输入电压范围为2 7 、一5 5 v ，输 出电压恒定为5 v ，可提供高达1 0 0 m a 的负载电流。在关断状态下，关断电流小于1 a 。 工作频率为固定的1 m h z ，芯片外部只需要接4 个容值较小的陶瓷电容，大幅降低了e m i 辐射干扰和芯片的应用成本。芯片正常工作温度为，4 0 c 8 5 c 。内部集成了欠压锁定和 过热保护功能。此外，该芯片还具有软启动功能，能够限制启动时的涌浪电流。 本文首先介绍了芯片的整体结构，给出了芯片的内部结构框图，并根据电荷泵的基 本原理_ 和拓扑结构，设计了芯片的核心模块1 ，5 x 2 x 自适应电荷泵电路，它可随输入电 压的变化而改变升压倍数。然后又对电荷泵的几个重要的参数进行了详细地分析，介绍 了各个子电路模块的设计，包括偏置电路、带隙基准、振荡器、电荷泵逻辑控制电路、 误差放大器、过热保护电路等等。 在完成电路原理分析与电路设计的基础之上，还应用e d a 软件h s p i c e 对各个模块 和整体电路进行了仿真，仿真结果均达到了预期的设计且标。验证了理论分析和电路设 计的正确性。最后给出了部分模块版图的设计。 关键词：电源管理；电荷泵；自光l e d ；酬 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fah i g he f f i c i e n c yc h a r g ep u m pd e _ d e w h i t el e dd r i v e r a b s t r a c t p o w e rm a n a g e m e n ti cb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n td u et op o p u l a r i z a t i z a t i o no f p o r t a b l ee q u i p m e n t s h i g he f f i c i e n c y ，l o wc o s ta n dl o wn o i s ea l eb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n t t r e n do fd c p cr e g u l a t i o n s w h i t el e dd r i v e rh a sb e e nc h i e fm a r k e tf o rp o w e rm a n a g e ri c t h e s ey e a r s a n dc h a r g ep u m pc o n v e r t e r sb e c o m em o r ea t t r a c t i v e ，b e c a u s et h et r u c t u r eo f c h a r g ep u m pc a np e r f o r mt h ec o n v e r s i o no fr i s i n gi n p u tv o l t a g ew i t h o u tu s eo fi n d u c t o r b yu s i n ga0 靴mc m o sp r o c e s s ，ah i 【g he f f i c i e n c yc h a r g ep u m pd c _ d c w h i t el e d d r i v e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i c hb a s e do na na u t o - a d j u s tc a p a c i t o rc h a r g ep u m p i t p m d u c e sar e g u l a t e do u t p u tv o l t a g e5 vf r o ma2 7 vt o5 5 vi n p u tw i t hu pt o1 0 0 m ao fo u t p u t c u r r e n t i t ss h u t d o w ns u p p l yc u r r e n ti sl o w e rt h a nl p aw h e nc h i pi si nt h es h u t d o w nm o d e 1 1 1 es w i t c h i n gf r e q u e n c yi s1 m h z h i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c ye n a b l e st h eu s eo fs m a l lc e r a m i c c a p a c i t o r s ，s oi tc 锄r e d u c ed i s t n r b t i o no fe m ia n dt h ec o s t i t so p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei s 一4 0 t o8 5 t h ec h i pi m p l e m e n t sat h e r m a ls h u t d o w nm e c h a n i s mt op r o t e c tt h ed e v i c e f r o md a m a g ed u et oo v e r h e a t i n ga n da nu n d e rv o l t a g el o c ko u tm e c h a n i s mw h e nt h ei n p u t v o l t a g ei st o ol o w at i g h t l yc o n t r o l l e ds o f ts t a r tf e a t u r el i m i t si n r u s hc u r r e n t sd u r i n gt h ec h i p a c t i v a t i o n ， f r i s t t h es y s t e md e s i g na n di t sb l o c kd i a g r a mi si n t r o d u c e d 1 5 x 2 xa u t o - a d j u s tc h a r g e p u m pi sd e s i g na c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fc h a r g ep u m p ，w h i c hc a n a u t o m a t i c a l l yc o n v e r tw o r k i n gm o d ew i t ht h ec h a n g eo fi n p u tv o l t a g e t h e n ，i m p o r t a n t p a r a m e t e ro fc h a r g ep u m pi sa n a l y z e di nd e t a i l s t h es u b c i r c u i t sa r ed i s c u s s i n g , i n c l u d i n go f b i a s ，b a n dg a p ，o s c i l l a t o r , l o 舀cc o n t r o l ，e r r o ra m p l i f i e ra ，o v e rt h e r m a lp r o t e c t ，e t e b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，t h es y s t e ma n di t ss u b c i r c u i t sa r e s i m u l a t e db ye d at o o l sh s p i c e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e a c ht h er e q u e s t sa n dv e r i f i e dt h e c o i r e c t n e s s so ft h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n s o m el a y o u t so fs u b - c i r c u i t sa r e d e s i g n e da tl a s t k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e a t ；c h a r g ep u m p ；w h i t el e d ；e m i r i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垄蕴日期：三! 1 2 ：! ：翌 大连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垄盘塞 导师签名：籀习事导师签名： 掣垒! 型牢 兰竺12 年j ! 月三旦日 大连理工大学硕士学位论文 1引言 1 1 白光l 印概述 ( 1 ) 白光l e d 的特性 随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光二极管的问世，半导体技术孕 育了一场新的产业革命。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。 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： 体积小：可有多颗、多种组合，可以产生点光源、面光源。 发热量地：所以产生的热辐射比较小。 耗电量低：工作在直流低电压、低电流下。 寿命长：据报道其寿命可以达到1 0 万个小时以上。 频率响应快：有利于高频操作。 节能、环保：其物理结构决定了自光l e d 不易破碎，且废弃物可以回收再生。 ( 2 ) 开发白光l e d 的驱动的意义 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。 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为彩色 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 高效电荷泵d cd c 白光l e d 驱动芯片的设计 的。我们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 ) 。面对如此大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。 1 2 白光l e d 驱动芯片的研究现状及发展趋势 白光l e d 驱动芯片是针对白光l e d 自身特点与应用要求而专门设计的电源管理 i c 。白光l e d 的正向导通压降一般为3 v 4 v 之耐”，典型值在3 6 v 左右，而单节 锂电池的电压范围在3 v 4 2 v ，所以需要在低电压时进行升压变换以保证白光l e d 正向导通。白光l e d 驱动电路可由d c d c 变换器来实现。 根据不同的工作原理，d c d c 变换器可分为三类：线性电压调节器( l i n e a r v o l t a g e r e g u l a t o r ) 、开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 及电荷泵( c h a r g ep u m p ) ，它们各自都有 一定的优、缺点及适用范围埘。 线性电压调节器所需外围元件最少，输出噪声最小，静态电流最小，设计也最简单， 但线性电压调节器中功率管上的损耗大，效率低，并且输出电压不可能大于输入电压， 因此主要用于中小功率场合。 开关电源中的功率管工作在开关状态，其功耗小并且与输入电压大小无关，因此效 率较高( 一般可达8 0 9 5 ) ，并且可实现升、降压输出。因此开关电源得到了广泛的 应用，包括各种大功率场合。但由于开关电源含有电感元件，所以需占用较大的面积， 设计难度高，价格也较贵。近年来，随着开关频率的大幅度提高，开关电源体积、重量 问题得到了极大改善，其外形也趋于轻、薄、短、小。 电荷泵利用外部电容元件的开关转换能实现一定的升压。由于无需电感元件，因此 电荷泵所占面积小，电磁干扰( e m i ) 低，而且在关断或空载时功耗特别低，设计也较简 单，价格也较低，缺点是在多档升压至高电压时效率急剧下降，且损耗发热量增加。因 此，在需要高工作电压的电路中，电荷泵的应用就受到了限制。不过，在所需工作电压 不高、所占p c b 板面积小、效率要求较高及低噪声的应用中，电荷泵成为各电源厂家 的首选。白光u d 驱动电路是当今电源i c 的一个重要应用。由于其应用广泛，输入 电压范围、负载电流及l e d 数目等要求多种多样，因此需要各种类型及规格的白光u d 大连理工大学硕士学位论文 动产品以满足市场的需要。目前，包括美信( m a x i m ) 、德州仪器( t i ) 、美国国家半导体 ( n s ) 等多家国际知名电源i c 厂商都相继推出了一系列的白光l e d 驱动产品。 由于线形电压调节器无法完成升压功能，因此市场上的白光l e d 驱动电路都是采 用开关电源或者电荷泵来实现的。白光l e d 的亮度由其通过的电流大小决定，因此必 须采用恒流驱动或者恒压驱动方式。自光l e d 按照负载的联结方式可分为：串联型、 并联型和混联型。下面主要介绍常见的串联型和并联行。 ( 1 ) 串联驱动 如图1 1 所示，串联驱动的优点是能够提供一个固定电流驱动白光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 需要两个连接端口，l e d 的使用数量也不会受到升压种类的影响，使设计灵活性更大， 应用场合很广。但是其缺点是，电感组件外形体积比较大，成本也偏高，同时还会带来 e m i 辐射干扰。 图1 1 串联驱动电路 f i g 1 1d r i v i n gc i r c u i tf o rs e r i e sl e d s 心 心 心 ( 2 ) 并联驱动 利用电荷泵的升压功能也可实现白光l e d 的驱动，但是由于电荷泵的升压能力有 限( 一般为2 倍升压) ，对于需要驱动多个白光l e d 的应用来说，由于受到l e d 正向导 通压降的限制所以电荷泵式白光l e d 驱动多采用并联结构。如图1 2 所示，电荷泵 式白光l e d 驱动电路无需电感，只需几个外部电容元件就可实现升压功能，因此体积 小，成本低，电磁干扰低。并联驱动又可以分为恒压驱动和恒流驱动。恒压型驱动电路 的特点是输出电压恒定，驱动芯片与l e d 只需要一个连接端点。通过与l e d 串联镇流 高效电荷泵d c _ d c 白光l e d 驱动芯片的设计 电阻来确定流过l e d 的电流大小。恒流型驱动电路的特点是电荷泵向外提供稳定的电 流输出，为了匹配l e d 上的电流，使用镇流电阻来检测l e d 电流。 图1 2 并联驱动电路 f i g 1 2d r i v i n gc i r c u i tf o rp a r a n e ll e d s 除上述几种结构外，还有其他特殊结构、功能的芯片，在此不一一举例说明。而对 于这一类的驱动芯片，到底哪种结构和控制方式更加合理，还是需要在某些特定的条件 下进行仔细的比较分析，以获得最好的驱动解决方案。 对于便携式产品来说，功能的多样化和体积的小型化发展趋势要求电源芯片采用更 小的封装尺寸，因此对电源i c 的体积和占用面积提出了更高的要求。此外性价比的高 低也成为各种芯片产品竞争的重要因素，而电荷泵在体积、成本上的优势明显，并且电 荷泵无电感，克服了基于电感的功率源可能带来的e m i 问题，使其应用前景更加广泛。 但是其缺点是随着输入电压的升高，其转化效率随之下降。因此本文基于如何进一步提 高电荷泵的转换效率和降低功耗进行了深入的研究，设计了一种多增益的自适应电荷泵 电路，从而大大提高了电荷泵的工作效率。 1 3 本文所做的工作 本文的主要工作是基于1 5 x 2 x 自适应电荷泵，设计了一种高效电荷泵d cd c 白 光l e d 驱动芯片，其工作频率为1 m h z ，并具有软启动、欠压锁定、过热保护功能。文 中首先对电路的整体结构进行了分析，详细介绍了电荷泵的工作原理，给出了自适应电 荷泵的设计，然后分析了各个子电路模块的设计，并对各个模块进行了仿真验证，最后 对整体电路进行了联合仿真，结果达到了预期的设计目标。本文分为五章，各章内容介 绍如下： 第一章介绍了白光l e d 研究现状和趋势，并对论文的章节进行了安排。 4 大连理工大学硕士学位论文 第二章阐述了芯片的整体架构和电荷泵的基本原理。着重分析了1 5 x 2 x 电荷泵原 理，对电荷泵的参数进行了描述，并给出了自适应电荷泵电路的设计及其仿真结果，最 后分析了电荷泵的两种控制模式的优缺点。 第三章是子电路模块的设计。从模块的功能开始介绍，分析了工作原理，计算了相 关参数，给出了仿真结果。 第四章为电路的整体仿真。给出了芯片重要参数及功能仿真，总结了芯片的电学特 性，仿真结果达到了设计要求。 第五章介绍了版图布局及版图设计的相关知识，并给出了部分模块的版图设计。 结论部分对本课题进行了总结。 高效电荷泵d c _ d c 白光le d 驱动芯片的设计 2 芯片的整体结构及其基本原理 2 1 概述 本文所设计的高效电荷泵d c _ d c 白光l e d 驱动芯片，采用恒压输出的方式，可同 时驱动4 个并联的白光l e d ，每个l e d 需要串联镇流电阻来控制流过l e d 的电流值， 以获得稳定，均匀的亮度。输入电压的范围为2 7 v 5 5 v ，采用1 5 x 2 x 自适应电荷泵 进行电压变换，在整个锂电池的电压范围内( 3 v 4 2 v ) 保持较高的效率，改善了电荷泵 的效率问题。芯片的工作频率固定为1 m h z ，由于振荡频率较高，因此外部可接电容值 较小的泵电容，节省了芯片应用的成本，同时还具有欠压锁定、过热保护、软启动功能。 图2 1 是本芯片的典型应用电路。芯片共有8 个外部引脚，介绍如下； l f扣f 图2 1 芯片的典型应用电路图 f i g 2 1t y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i t ( 1 ) v i n ：芯片的电源电压输入引脚； ( 2 ) g n d ：芯片的接地引脚； ( 3 ) v o u t ：芯片的输出引脚； ( 4 ) c l + ：电荷泵的泵电容c 1 阳极引脚； 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) c 1 ：电荷泵的泵电容c 1 阴极引脚； ( 6 ) c 2 +：电荷泵的泵电容c 2 阳极引脚； ( 7 ) c 2 ：电荷泵的泵电容c 2 阴极引脚； ( 8 ) s d ：关断控制引脚，低电平有效。 本芯片由以下基本模块构成：1 5 x 2 x 电荷泵( c h a r g ep u m p ) ，电荷泵模式控制( m o d e c o n t r 0 1 ) ，偏置电路( b i a s ) ，带隙基准源( h a n dg a pr e f e r e n c e ) ，振荡器( o s c i l l a t o r ) ，时钟逻 辑控制( 1 0 9 i c ) ，内部电源选择电路( p o w e rs e l e c t ) ，误差放大器( e r r o r a m p ) ，关断与欠压 锁定电路( s h u t d o w na n d u v l o ) ，上电复位( p o w e r o nr e s e t ) ，软启动( s o f ts t a r t ) ，过热保护 ( o t p ) 。图2 2 是电路的整体结构框图。 偏置电路( b i a s ) ：利用自偏置电路结构产生一个相对稳定的偏置电流( 与绝对温度成 正比) ，通过设计适当比例的电流镜为其它需要电流偏置的电路提供稳定的偏置电流。 带隙基准( b a n dg a pr e f e r e n c e ) ：提供一个不依赖于电源电压、温度变化的基准电压， 以保证电路内部各模块正常工作。 振荡器( o s c i l l a t o r ) ：提供一个固定频率( 1 m h z ) 的时钟信号。 时钟逻辑控制电路( 1 0 9 i c ) ：接收振荡器的时钟信号，产生电荷泵正常工作时所需要 的时钟信号。 内部电源选择电路( p o w e rs e l e c t ) ：比较输入和输出电压，将二者中较大的作为内部 某些模块的电源电压，以保证电荷泵中的开关管正常工作时栅极和衬底所需要的最高电 位。 误差放大器( e r r o r - a m p ) ：在软启动期问受控于s o f ts t a r t 模块，在软启动结束之后， 检测反馈点f b 的电压与基准电压之间的差值，其输出的模拟信号控制电荷泵充放电电 流的大小，以稳定输出电压。 关断与欠压锁定电路( s h u t d o w na n du v l o ) ：关断引脚s d 接高电平时，电路正常工作； s d 为低电平时，芯片处于关断模式，不工作。在关断模式下，关断电流小于m a 。此 外，s d 可接受外部p w m 信号，可连续的调节l e d 的发光强度；欠压锁定功能：检测 输入电源电压的大小产生使能信号，控制电路的工作状态。当电源电压高于2 5 v 时， 芯片正常工作；低于2 5 v 时，芯片处于欠压锁定状态。欠压锁定功能使得电池不会在 芯片不能正常工作的电压下过度放电，从而延长了电池的使用寿命。 上电复位模块( p o w e r o nr e s e t ) ：芯片启动后，经过一段延迟时间，产生正确的逻辑 信号使芯片内部各个模块正常工作。 高效电荷泵d cd c 白光l e d 驱动芯片的设计 软启动模块( s o f ts t a r t ) ：芯片启动瞬间，限制电路启动时产生的涌浪电流。由于启 动时，输出电压远远小于输入电压，为了防止涌浪电流，软启动模块产生一个软启动斜 坡信号，控制比较器的输出，从而限制电荷泵充放电电流，使其输出电压( 电流) 以一个 固定速率上升，直到输出稳定到5 v 为止，从而消除了涌浪电流。 图2 2 电路结构框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fc i r c u i t 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 过热保护模块( o v e rt h e r m a lp r o t e c t ) ：当芯片温度上升超过1 5 0 2 2 时，过热保护模块 输出使能信号，使芯片停止工作，温度下降。当芯片的温度降到1 3 0 2 2 以下时才使芯片 重新恢复工作。 电荷泵模式控制电路( m o d es e l e c t ) ：根据输入电压的变化控制电荷泵的增益。当输 入电压大于3 6 6 v 时电荷泵工作在1 5 x 模式下，当电源电压减小，小于3 6 3 v 时候，模 式选择电路控制电荷泵，使其由1 5 x 工作模式转换为2 x 工作模式。与单一的2 倍升压 的电荷泵相比，大大提高了转换效率。 2 2 电荷泵的基本原理 2 2 1 电荷泵概述 电荷泵是利用电荷守恒原理工作的开关电源，以电容作为储能元件，使用芯片内部 的开关阵列来控制电容的充放叫3 1 。与电感升压方式不同，电荷泵升压是一个直流到直 流的升压电路( b o o s t ) ，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 这种电荷泵电路又被称为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。d i c k s o n 最早提 出了理想的电荷泵模型，但是由于d i c k s o n 电荷泵电路的每一阶都有阔值电压的损失， 从而使其输出的最高电压受到了限制。将d i c k s o n 电荷泵理论推广，可以得到各种增益 的电荷泵。常见的有2 倍型、1 5 倍型等多种结构。电荷泵根据输出电压与输入电压极 性的关系又可分为正相电荷泵和反相电荷泵。这些结构的转换效率都和输入电压成反 比。当输入范围变化很大时，为了提高电源的转换效率，可采用多增益电荷泵，本文设 计的电荷泵采用1 5 x 2 x 的结构，其转换效率最高可达到9 0 以上。开关信号的占空比 通常为5 0 ，以产生最佳的电荷转移效率。 为了得到稳定的输出电压，电荷泵需要负反馈系统对其进行控制。其原理是通过控 制电荷泵电路的充放电回路上的等效电阻，从而改变了充放电的电流的大小，以起到稳 定输出电压的效果。等效电阻大小主要由开关的导通电阻、调制度【4 】和泵电容的大小决 定。给定了泵电容的电容值，就可以通过控制开关的导通电阻或者控制调制度的大小来 稳定输出电压，这两种控制方法对应着电荷泵的两种工作模式：“线性( l i n e a r ) ”模式 和“跳周期( s k i p ) ”模式。两种方法各有其优点及局限性，电荷泵工作在线性模式下， 可以获得较低的输出纹波；工作在跳周期模式下，可获得较低的静态电流。 高效电荷泵d cd c 白光l e d 驱动芯片的设计 2 2 2d i c k s o n 电荷泵简介 d i c k s o n 于1 9 7 6 年最先提出理想的电荷泵模型1 5 1 ，其原理就是通过电容对电荷的积 累效应而产生高压使电流由低电势流向高电势。当时这种电路是为了提供可擦写 e p r o m 所需要的电压【6 】。 _ o _ w 垤 埔 w ii 。i 一 _ i i l 一 t i 一 击3摄i _ l i - 。 - 而1斋zt l t一咖 i c 一lq l一= 纠= m 一一 - - 图2 3 四阶d i c l m o n 电荷泵原理图 f i g 2 3f o u rs t a g e sd i c k s o nb o o s tc h a r g ep u m pc i r c u i t 图2 3 为d i c k s o n 电荷泵的原理图。图中p h a s ea 和p h a s eb 为相位相差1 8 0 度的两 相非交叠时钟，当p h a s e a 为低电平时，圪通过m 1 对与节点1 连接的电容充电，所以 c 1 上极板的电压为圪一y m ( 矿。为n m o s 管的阈值电压) ；当p h a s e a 为高电平时，由 于电容两端的电压不能突变，节点1 的电压变为巧+ 圪一( 匕为时钟高电平的电压 值) ，节点l 又通过m 2 给节点2 的电容充电，直到节点2 的电压变为屹+ 圪一抄五。 当p h a s e b 变为高电平时，节点2 的电压变为2 + 吃一2 。这样电荷就通过二极管连 接的n m o s 管一级一级的传递下去，如此类推可以得出： 圪。一吆+ 4 ( 屹一k u ) 一k “ 由此可以得出对于n 阶d i c k s o n 电荷泵，有： p 乙t 一+ ( 匕一p ) 一k h ( 2 1 ) ( 2 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 芍屦剑町钾囊剑升天，曹奇生电谷q 阴影啊，阿钾电压征传输时被衰减，兵值为： 驴南 ( 2 3 ) 将( 2 3 ) 代入( 2 2 ) ，可得： 一圪+ ( 矗k 一) 一 ( 2 4 ) 考虑到负载会从电路中抽取电流j 。，开关m o s 管阵列的等效电阻就可表示为： 如_ 西丽1 焉 2 5 ) 其中，k 为电荷泵时钟频率。 所以，整个开关上的压降为忐，进而得出输出电压为： 一吆+ 唔鲁巧一忐一) 一 ( 2 6 ) 上面的式子可以变为： 屹。一v o l 。，r 。 ( 2 7 ) 其中， 一吃+ ( _ _ 一) 一 ( 2 8 ) 从式f 2 7 、可以得到d i c k s o n 电荷泵的直流模雒! 。如图2 4 所示： 一 图2 4d i c k s o n 电荷泵的直流模型 f i g 2 4d c m o d e lo f d i c k s o nb o o s tc h a r g ep u m p + 一 高效电荷泵d cd c 白光l e d 驱动芯片的设计 由于输出负载电阻的影响，还需注意输出纹波电压k ，计算如下： 。去2 彘 亿9 ， 对于d i c l c s o n 电荷泵，第n 级和第n - 1 级的关系为： 一矗_ 一彘一 ( 2 1 0 ) 因此，d i c k s o n 电荷泵需要满足很重要的一个条件： 丽c _ 一面百l o u t 瓜一，。 ( 2 1 1 ) d i c k s o n 电荷泵的局限性是：当输入电源电压较小时，时钟幅度匕也较小，从而导 致一一。两ck 一忐一t 。，此时电荷泵不具有升压功能，所以 d i c k s o n 电荷泵不适合低电源应用场合。 2 2 32 x 电荷泵的原理 2 x 电荷泵的原理如图2 5 所示，包括四个开关，s 1 、s 2 、s 3 、s 4 ，一个泵电容c 1 和一个输出电容c 0 。在实际电路中，开关是由m o s 功率管实现的，所以有一定的导 通电阻。其中，妒和石为两相非交叠时钟。 图2 52 x 电荷泵的原理图 f i g 2 52 xc h a r g ep u m pc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 在一个有效工作周期t 内，其工作过程可划分为a 、b 、c 三个阶段f 7 l 嘲( 其中l 和 厶分别表示a 阶段和b 阶段的平均电流) ，分别为： 阶段a ：充电阶段。在时钟庐的控制下，开关s 1 、s 4 导通，s 2 、s 3 断开。如图2 6 所示，c 0 向负载放电，泵电容c 1 被充电，c 1 两端的平均电压为吃减去开关的等 效电阻上的压降： 咫1 + 匙4 。一吃一l ( b ，+ 愿。) 图2 62 x 电荷泵的充电阶段等效图 f i g 2 6c h a r g i n gm o d e lo f 2 xc h a r g ep u m pc i r c u i t ( 2 1 2 ) 阶段b ：放电阶段。在时钟歹的控制下，开关s 2 、s 3 导通，s 1 、s 4 断开。如图2 7 所示，泵电容c 1 向负载电容c 0 充电，c 0 向负载放电。所以有： 吃- 圪+ - 一厶魄：+ 墨，) 一面 l o a d ( 2 1 3 ) 图2 72 x 电荷泵的放电阶段等效图 f 蟾2 7d i s c h a r g i n gm o d e lo f2 xc h a r g ep u m pc i r c u i t 高效电荷泵d cd c 白光l e d 驱动芯片的设计 阶段c ：等待阶段。开关s i s 4 都断开，没有电荷从传递到c 1 、巳。上，而只 有e 。对负载放电。在线性模式下，等待状态时间( 记为写) 非常短暂，c l 两端电压保 持不变。 如果电荷泵的输出已经处于稳定状态，则a 阶段对泵电容的充电电荷必然等于b 阶段泵电容所放的电荷。当时钟的占空比为5 0 时，l - 毛- ，因此， 1 3 0 n1i b t o n 电1 4 ) 在一个有效周期t 内，输入的平均电流为： l 。垡出。2 l (215)t 其中， t 一2 z o + 易 ( 2 1 6 ) 在整个周期内，只有b 阶段泵电容c 1 才能对输出电容c 0 充电，而c 叫三个阶段 都对负载放电。当输出电压p ，删稳定的时候，根据电荷守恒原理，e 。在b 阶段的所充 的电荷应该等于整个周期内对负载所放的电荷【9 】【1 0 l ，所以： l m t l 暴 可得； ( 2 1 7 ) l “il j t o 凡c ( 2 1 8 ) 比较式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 8 ) ，发现输入输出电流之间的关系为： 矗- 2 k ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 和( 2 1 9 ) 可得，输入输出电压之间的关系为： 一巩一告荟4 一苴f o s c c l ( 2 2 0 ) 即。 v o , - 巩一【( 2 + 专) r w + 去】 ( 2 2 1 ) 其中，艮，表示所有开关的等效电阻之和。设： 1 4 大连理工大学硕士学位论文 如( 2 + 苦+ 丽1 则： 一巩一如 由式( 2 2 3 ) 可得出2 x 电荷泵的等效直流模型，如图2 8 所示： 2 圪 i d 图2 82 x 电荷泵的直流模型 f i g 2 8d cm o d e l o f2 xc h a r g ep u m p + ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 2 2 41 5 x 电荷泵的原理 1 5 x 电荷泵的原理如图2 9 所示，包括7 个开关，s i s 7 ( 样由两相不交叠时钟西和 歹控制) ，2 个泵电容c l 、c 2 和一个输出电容c 0 。 图2 91 5 x 电荷泵的原理图 f i g 2 91 5 xc h a r g ep u m pc i r c u i t 高效电荷泵d c _ d c 白光l e d 驱动芯片的设计 与2 x 电荷泵工作过程相同，在一个有效周期t 内，1 5 x 电荷泵也分为a 、b 、c 三 个阶段。设l 和如分别表示a 阶段和b 阶段的平均电流 阶段a ：充电阶段。在时钟庐的控制下，开关s 1 、s 4 、s 7 导通，其他开关断开， 等效电路如图2 1 0 所示。泵电容c l 、c 2 被圪充电，由于c i = c 2 ，所以泵电容两端的 电压为： 。：竖型链掣( 2 2 4 ) 凡1 + 玛4 + 玛7 k 图2 1 01 5 x 电荷泵的充电阶段等效图 f i g 2 1 0c h a r g i n gm o d e lo f1 5 xc h a r g ep u m pc i r c u i t 阶段b ：放电阶段。在时钟石的控制下，开关s 2 、s 3 、s 5 、s 6 导通，其他断开。 如图2 1 1 所示，泵电容c 1 、c 2 向负载电容c 0 充电，c 0 向负载放电。所以有： 图2 1 11 5 x 电荷泵的放电阶段等效图 f i g 2 1 1d i s c h a r g i n gm o d e lo f1 5 xc h a r g ep u m pc i r c u i t 1 6 大连理工大学硕士学位论文 - + - 一l 【( b ：+ 凡s ) 慨，+ 凡s ) 卜z = 面1 l o 丽a d ( 2 2 5 ) 阶段c ：等待阶段。开关s 1 $ 7 都断开，没有电荷从圪传递到c 1 、c 2 、e 。上， 而只有巳。对负载放电。c 1 、c 2 两端电压保持不变。 与2 x 电荷泵分析相同，如果电荷泵的输出已经处于稳定状态，则a 阶段对泵电容 的充电电荷必然等于b 阶段泵电容所放的电荷： j a q c 。i ( p h a s e a ) - i a q 。 ( p h a s e b ) ( 2 2 6 ) i a q c ： ( p h a s e - a ) 一i q c ： ( p h a s e b ) ( 2 2 7 ) f 。l 芋- r o , , ( 2 鹚 即。 l t 生2 ( 2 2 9 ) 在一个有效周期t 内，输入的平均电流为： 屯一半= 三厶k ( 2 3 0 ) 在整个周期内，只有b 阶段泵电容才能对输出电容c d 。充电，而三个阶段都对 负载放电。当输出电压p 乙稳定的时候，根据电荷守恒原理，c 0 在b 阶段的所充的电 荷应该等于整个周期内对负载所放的电荷，则： l h t - i b t o n 2 3 1 、 求出负载电流： ，m - i b 瓦厶。 ( 2 3 2 ) 根据式( 2 3 0 ) 和( 2 3 2 ) 得出： 厶昙 ( 2 3 3 ) 由式( 2 1 6 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 9 ) 和( 2 3 2 ) ，可得出输入输出电压之间的关系为： 高效电荷泵d cd c 白光l e d 驱动芯片的设计 - 互3 e 。一i 一1 ( 2 + 寺弓( + 毛+ 如) + 假：+ 氏) l l ( 氏+ 氏) 】+ 瓦蒯1 ( 2 3 4 ) 设5 z11， 屹l ( 2 + 孛畸+ 氏+ b ，) + 低z + ) i i 假，+ 氏卅瓦j 趸参历 q 3 5 则： v o ，昙一k 。r o l ( 2 3 6 ) 由( 2 3 6 ) 式可以得到1 5 x 电荷泵的等效直流模型，如图2 1 2 所示o l 图2 1 21 5 x 电荷泵的直流模型 f i g 2 1 2d cm o d e lo f1 5 xc h a r g e - p u m p + 吃 一 2 3 电荷泵的参数描述 电荷泵作为功率转换器件，有以下几个指标： ( 1 ) 输出电压： 由上节分析可知，当电荷泵t 作在2 x 模式下： 。2 小【( 2 + 专) 蒌+ 。壶】 q 3 7 当电荷泵工作在1 5 x 模式下； 皇_ 2 3 v 。一j 脚 ( 2 + 乏) 畦( b + b 一+ 尽，) + ( + b 圳l ( b ，+ 玛s ) 】+ z j 耐1 ( 2 3 8 ) 大连理工大学硕士学位论文 在式( 2 3 7 ) 和( 2 3 8 ) 的参数中，开关的导通电阻和兰 ，是相对独立的量，用来控 o n 制输出电压的大小。 ( 2 ) 输出电压纹波p 名： 由于输出电容c 0 周期性地充放电，输出电压就会有纹波产生。在实际应用电路中， 应该把纹波电压控制在很小的范围内。下面讨论2 x 电荷泵和1 5 x 电荷泵的输出电压纹 波和哪些参数有关。 对于2 x 电荷泵： 在阶段a 、c ，没有电流为输出电容e 。充电，而对负载持续放电，放电的平均 电流为： k 似，c ) 一一k d ( 2 3 9 ) 输出电压的变化为： 矿似，c ) 。一丘掣 ( 2 4 0 ) 在阶段b ，泵电容对输出电容c 乙，充电，充电电流为： ，。p ) ，一，k d j h d ( 1 + 三匕) ( 2 4 1 ) 输出电压的变化为： 训跏+ 等芒 ( 2 4 2 ) 由式( 2 4 0 ) 、( 2 4 2 ) 可以得到纹波电压峰值一峰值为： 。【每显+ ( 2 + 争) 麟】 ( 2 4 3 ) 。o n 其中，e s r ( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) 为输出电容的等效串联电阻。 通常我们选用e s r 很小( t l o o m