（微电子学与固体电子学专业论文）白光led驱动芯片设计.pdf

白光l e d 驱动芯片设计 摘要 大功率l e d 以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点正在逐渐取 代传统的白炽灯、荧光灯成为新一代照明光源。其应用领域正随着大功率照明 l e d 性能的提高及生产成本的降低，由一些对亮度要求不高的景观照明领域向 普通白光照明领域扩展。与此同时，由于功率l e d 应用的逐渐普及与功率型 l e d 配套的驱动集成电路的研发也得到了长足的发展。 本文研究的串联饱和型恒流驱动集成电路，旨在当电源电压或环境温度变 化时为大功率l e d 提供恒定的驱动电流。为了达到功率器件和控制电路兼容集 成的目的，恒流控制电路和功率驱动m o s 晶体管集成在同一芯片上。 本文首先根据芯片的功能要求设计了驱动电路的整体结构，然后按照功能 进行了子模块设计：三个高增益放大器；具有2 0 温度滞回区间的热关断保 护模块，以在温度过高时关断芯片实施保护作用；一个温度系数为9 3 5p p m 的高精度带隙基准源以维持l e d 亮度。 在完成电路原理分析与电路模块设计的基础之上，采用c s m co 5 9 m c m o s 工艺，使用c a d e n c e 软件仿真。仿真结果表明设计的驱动电路达到了设 计目的，可为白光l e d 提供3 5 0 m a 的平均驱动电流，当电源电压变化1 0 时， 大功率照明白光l e d 上平均电流变化量不超过5 ；当环境温度由0 变化到 8 0 时，平均电流变化量不超过5 ；整个控制电路的电源效率超过8 0 。 关键词：半导体照明；恒流驱动；带隙基准源；二阶温度补偿；启动电路 w h i t el e dd r i v e ri cd e s i g n a b s t r a c t w i t hi t sh i g he f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n g ，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 gl i f ea n d h i g hr e l i a b i l i t y ，h i g h p o w e rl e d i sg r a d u a l l yr e p l a c i n gt r a d i t i o n a li n c a n d e s c e n t l a m p ，f l u o r e s c e n tl i g h tt h en e x tg e n e r a t i o n w i t ht h ei m p r o v e dp e r f o r m a n c eo f h i g h p o w e rl e dl i g h t i n ga n dp r o d u c t i o nc o s tr e d u c t i o n s ，i t sf i e l do fa p p l i c a t i o n ， b ys o m eo ft h eb r i g h t n e s so fl e s sd e m a n d i n ga r e a so fl a n d s c a p el i g h t i n g ， e x t e n d s t ot h eg e n e r a lw h i t el i g h t i n g a tt h es a m et i m e ，w i t hs u p p o r t i n gr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h ep o w e rt y p el e dd r i v e ri c sa n db e c a u s e o ft h ei n c r e a s i n g p o p u l a r i t yo fp o w e rl e da p p l i c a t i o n s ，l e dh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yd e v e l o p e d + i nt h i sp a p e r ，t h es e r i e ss a t u r a t i o nc o n s t a n tc u r r e n td r i v e ri ci sd e s i g n e dt o p r o v i d e ac o n s t a n td r i v ec u r r e n tw h e nt h ep o w e rs u p p l yv o l t a g eo ra m b i e n t t e m p e r a t u r ec h a n g e sf o rt h eh i g h p o w e rl e d t h e c o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lc i r c u i t r y a n dp o w e r d r i v e nm ost r a n s i s t o r si si n t e g r a t e do nt h es a m ec h i ps oa st om a k et h e p o w e rd e v i c e sa n dc o n t r o lc i r c u i t r yc o m p a t i b l ew i t hi n t e g r a t e dd e s i g n f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lo ft h ec h i p ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r e o ft h e d r i v ec i r c u i tw a sd e s i g n e d ，a n dt h e nf o l l o w i n gt h ef u n c t i o n st h es u b - m o d u l ew a s a l s od e s i g n e d ，w h i c hc o n t a i n e dt h r e eh i g h g a i na m p l i f i e r s ，at h e r m a ls h u t d o w n p r o t e c t i o nm o d u l e ，a n dah i g hp r e c i s i o nb a n d - g a pr e f e r e n c ew i t h9 3 5p p m t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti no r d e rt om a i n t a i nl e d sb r i g h t n e s s b a s e do nt h ec i r c u i tt h e o r ya n a l y s i sa n dc i r c u i tm o d u l ed e s i g n ，c s m c0 5 1 x m c m o sp r o c e s si su s e da n dt h ec a d e n c es o f t w a r ee m u l a t i o ni sm a d e t h ea v e r a g eo f t h ed r i v i n gc u r r e n ti sd e s i g n e dt o3 5 0 m a w h e nt h ep o w e rs u p p l yv o l t a g ec h a n g e s 10 ，t h ec h a n g eo fh i g h p o w e rw h i t el e dl i g h t i n gv a r i a t i o no nt h ea v e r a g ec u r r e n t i sr e q u i r e dt ob ew i t h i n5 ：w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o m0 ct o 80 c t h ec h a n g eo ft h ea v e r a g ec u r r e n td o e sn o te x c e e d5 ；t h ee f f i c i e n c yo f e n t i r e e o n t r o lc i r c u i tp o w e rs u p p l yi sm o r et h a n8 0 k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n g ；c o n s t a n tc u r r e n td r i v i n g ；b a n d g a pr e f e r e n c e ； s e c o n d - o r d e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；s t a r t 。u pc i r c u i t 2 图表清单 图1 1l e d 正向伏安特性一4 图1 2m a x l 9 1 6 电路结构图5 图1 3m a x l 8 4 8 驱动器7 图1 4 世界l e d 市场8 图1 5l e d 应用领域9 图2 1 串联饱和型恒流驱动电路结构框图1 0 图2 2 照明l e d 的等效电路模型1 3 图2 3 简单一级差分运算放大器1 5 图2 - 4 套筒式共源共栅运算放大器1 5 图2 5n m o s 输入管的折叠共源共栅运算放大器1 6 图2 - 6 单端输出的两级运算放大器1 6 图2 7 增益提高运算放大器的实现：1 7 图2 8p m o s 管输入差分对的二级差分运放电路1 8 图2 9 放大器补偿原理图1 8 图2 一1 0 反馈环路小信号等效模型1 8 图2 1 1 采样放大器的幅频相频特性一2 0 图2 1 2 二级采样放大器的大信号响应特性2 0 图2 1 3 缓冲器电路的原理图2 1 图2 1 4 缓冲器电路的具体形式2 2 图2 1 5 缓冲器输出电压随输入电压变化的特性一2 2 图2 1 6 传统的过温保护电路2 3 图2 1 7 过温保护电路原理图2 5 图2 1 8 比较器的幅频响应特性”2 6 图2 1 9 比较器动态响应特性”2 6 图2 2 0 过温关断特性曲线2 7 图3 1 传统带隙基准电路3 0 图3 2p n p 管等效基区串联电阻3 2 图3 3 带隙基准二阶温度补偿3 3 图3 4 级联p n p 管3 5 图3 5 带隙基准电路的实现3 7 图3 - 6 运放仿真曲线”3 8 图3 7 带隙基准温度特性仿真曲线3 8 图3 8 多值偏置产生电路的原理图3 9 6 图3 - 9 多值偏置产生电路实现形式3 9 图3 1 0 基准电压源随温度变化特性4 0 图3 1 1 电源电压上跳时基准电压源输出变化特性4 0 图3 1 2 电源电压下跳时基准电压源输出变化特性4 1 图4 15 v 电源电压下跳1 0 时驱动电流的变化情况“_ 一4 2 图4 25 v 电源电压上跳1 0 时驱动电流的变化情况4 2 图4 3 环境温度变化时驱动电流的变化情况4 3 表1 1 白炽灯与白光l e d 的性能比较2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金月墨王些太堂 或其他教育机构的 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已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 籼姗签名曩醵一嘶穆咿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金胆工业太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 躲刚雾 签字日期：凋萨r 月p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：舢f 口年4 月id 日 电话： 邮编： 玲h 1帑 师m b 致谢 时值本文完成之际，回首在合肥工业大学度过的七年岁月，感受万千，受 益良多。师长学友的点滴教诲和丝丝关怀，无不教人铭记于心。 首先要感谢我的导师何晓雄教授的悉心指导。每当我课题遇到困难时，何 老师都会找我讨论帮助我解决问题，他丰富的专业知识和严谨的治学态度，让 我敬佩，可以说，在这三年，何老师不只是在教我从事科研工作，更重要的是 他在教我做人。 同时感谢我们实验室管理老师杨依忠，他在管理实验室和项目的同时，维 护服务器的稳定，保证了项目的持续进行。更重要的是教会我们l i n u x 操作 系统以及c a d e n c e 软件的使用。 这里还要感谢实验室全体同学，感谢魏胜涛和沈勇同学对我学习上的帮助。 最后，衷心感谢我的父母，是他们多年不遗余力地为我的成长和学习在默 默地付出，支持我继续学习，使我有勇气和动力去克服困难，完成学业。 作者：段闻勇 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 在当今的社会里，照明在我们的生活里占据着非常重要的地位，它的重要 性不仅体现在黑夜，在白天，在日常需求中，照明都占有着举足轻重的地位。 有时候，为了营造某种氛围，为了使生活更加美好，都要用到照明。近年来， 出现一种更先进的光源，人们把它称为发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ， l e d ) 。在日常生活中照明l e d 的应用越来越广，因为它遵循着环保的可持续 发展的理念，与传统照明灯具比起来，具有长寿命、高效率，低功耗等优点。 l e d 应用领域正随着大功率照明l e d 性能的提高及生产成本的降低，由 不要求亮度的室内美化或室外指示灯的使用方向朝日常白光照明的使用方向发 展【lj 。并且，伴随着照明l e d 大范围普及的应用使得为照明l e d 提供稳定电 流的驱动芯片的开发也得到了飞快发展。随着照明光源和照明技术的不断发展 与完善，人类度过了以火为光的时代、历经了使人类摆脱黑夜的白炽灯时代、 走过了使照明普及的荧光灯时代，目前正在进入l e d 照明阶段。由于半导体固 体照明是在荧光灯照明之后兴起的一种照明方式，理所当然被认为是人类照明 史上的又一次历史性飞越。伴随着高亮度白光l e d 的诞生，人类的照明效率也 在随之不断提高，它的出现给人类照明带来了美好的希望。甚至有人这么断言： 高亮度l e d 将是人类继爱迪生发明白炽灯之后，最伟大的发明之一。白炽灯作 为一种传统的光源在2 0 世纪初就己经批量生产，但是这种光源有着众多的缺 陷，例如：能耗高、效率差、环境污染严重，非常不符合当前节能、环保的理 念。在白炽灯之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。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。欧洲和美国等一些国家的技术较为先进。目前， 世界上定义的新型光源要满足以下些条件：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、无辐射等优点，因此成为国际公认的新一代照明光源【2 】。 随着白光l e d 技术的不断成熟，今后将逐步取代传统的照明源。因此，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 驱动芯片也将有着越 来越广泛的应用前景。除此之外，白光l e d 驱动电路虽然属于电源管理芯片的 范畴，但是在技术指标上和传统电源管理类芯片又有所不同。白光l e d 驱动电 路需要集成功率器件，同时也需要保持电路稳定，以此二者为基础，最终能够 不断提高能量转换的效率，这些对驱动电路的设计者来说都是较大的挑战。 1 2 白光l e d 特性 1 2 1 概述 照明l e d 光源本质上就是一个发光二极管，在其p n 结两端加上正向电压， 就会使p n 结内的电子空穴对发生复合，电子跃迁后多余的能量以热量和发射 光子的形式释放。不同的掺杂半导体，制造的发光二极管颜色也不同。由于照 明l e d 光源符合当前的低碳经济理念，因而各国政府备受重视，世界各地纷纷 投入人力物力从事照明l e d 的研究，使其发光效率大大提高，现已超过白炽灯 水平。在性能上与白炽灯相比较，l e d 具有很多优点【3 j ，见表1 1 。 表1 1 白炽灯与自光l e d 的性能比较 l e d白炽灯 色温( k ) 3 0 0 0 1 0 0 0 02 5 0 0 ，、一3 0 0 0 光效( 1 m w ) 1 0 08 1 5 反应速度( p , s ) o 1 1 0 0 ，0 0 0 工作电压( v )3 5 2 2 0 耐压击性很强易断裂 寿命( h ) 5 0 0 0 0 !13! 、 e ns e tl e d ll e d 2l e d 3 2 3 0 2 3 0 x2 3 0 阿 一匡 l ei 吕 一 _ j u 广_ j u li ili g n d 图1 - 2m a x l 9 1 6 电路结构图 图1 2 。可以看出，该器件为三路电流镜输出，镜像电流比为2 3 0 。器件的输出 电流或者说l e d 的亮度可由两条途径调整，其一是选配电阻r 。以设定电流镜 的基准电流；其二是在使能( e n a b l e ) 端施加占空比不同的脉宽调制信号。 l x l9 9 0 的功能与m a x l9 1 6 本质相同，但其只有两路输出，每路0 1 3 0m a ， 最高工作电压1 2v ，饱和压降4 0 0m v 。电流设定电阻由芯片内电压基准供电， 镜像电流比为1 0 0 ；脉宽调制信号的亮度调节范围可高达5 0 0 1 。整个器件工 作时电源电流为4m a ，在关断状态时电源电流为l “a 。 1 3 2 电荷泵 白光l e d 的正向压降在3 4v 之间，但是当前兴起的手机、m p 4 和笔记 本电脑等手持电子设备多以单一锂电池供电，因此，必须借助于各类电源变换 器件设备电源才能对白光l e d 进行供电。电荷泵就是一种用作白光l e d 驱动 器的电源变换器件，接下来结合电荷泵的几个产品对电荷泵器件的性能及其典 型应用分别进行介绍。 s i p e x 公司的s p 6 6 8 2 芯片的输入电压为2 7 5 5v ，可以根据输入电压自 动选择工作模式，输出电压可从3 3v 可调到5v ，适合驱动大部分白光l e d 。 器件的开关工作频率为6 0 0k h z ，所以可采用容量较小的开关电容器，最大输 出电流1 2 0m a ，工作电流和关断电流分别为1 2m a 与1 5 肛a ，控制l e d 亮度 的脉宽调制信号可由器件的使能控制( e n ) 端送入，为了防止l e d 产生闪烁 现象其重复频率应控制在6 0h z 以上，但为了保证开关电容器具有足够的放电 时间其重复频率也不宜超过2 0 0h z 。该电荷泵通过检测串联在l e d 上的限流 电阻上的电压来实现对电流的精确的控制，控制精度可达3 。 l t c 3 2 15 是一种低噪声、大电流电荷泵式d c d c 变换器，用于驱动大电 流白色l e d 。该器件主要特点：根据工作条件自动改变升压模式；超低压差电 流控制；输出电流可达7 0 0m a ；恒定工作频率0 9m h z ，噪声低；启动时有软 启动，限制尖脉冲电流：有l e d 开路、短路保护和过热保护；有关闭控制，在 关闭时断开l e d ，其耗电典型值为2 5 “a ；l e d 的电流可设定，精度4 1 小 尺寸l o 管脚d f n 封装；外围元件少；工作温度范围广。该芯片主要应用于白 色l e d 的手电筒、照明灯、闪光灯及频闪观察器等。 1 3 3 开关电源 除上面所述各类以电容器作为储能元件的电荷泵以外，还存在很多以电感 器作为储能元件的白光l e d 驱动器。事实上，此类升压式开关电源的装置，在 电压提升的效能方面远远超过电荷泵。用作l e d 驱动器的开关电源多为电流输 出型，其基本电路如图1 3 所示，工作原理则可以m a x l 8 4 8 ( m a x i m ) 瞵】为例 予以对照说明。 目前，作为功率开关的n 沟道m o s f e t 多己集成在小功率集成开关电源芯 片的内部，但是储能电感通常仍需外接。图1 3 中，小阻值电流采样电阻将流 经l e d 负载的电流转换为反馈电压送入芯片内的误差放大器，同芯片内的基准 电压比较后再控制脉宽调制功率开关的通断，从而保证负载电流基本维持恒定。 m a x l 8 4 8 的开关频率为1 2m h z 。以2 6 5 5v 电源工作时，最高输出电压可 达1 3v ，足以驱动2 3 个串联的自光l e d 。在采用一个3 6v 电源工作并以1 5 m a 工作电流来驱动时芯片电源效率为7 7 。事实上，该器件还可同时驱动三 路并联负载，每路负载包括两个串联的l e d 。当然，此时需要配用三个采样电 阻，各路负载的电流匹配情况也不甚令人满意。 6 输入 图1 - 3m a x l 8 4 8 驱动器 1 4l e d 的发展概况及前景 1 4 1 国内外发展概况一d 4 j 1 9 0 7 年，人类首次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。1 9 2 3 年，人类在 研究有杂质的p n 时发现有光发射，研究出了发光二极管。直到1 9 6 5 年全球首 款商用红光二极管才被生产出来。2 0 世纪6 0 年代末，已经有公司采用在砷化 镓基体上使用磷化物的方法进行量产红光l e d 。磷砷化镓材料使得l e d 发出 的红光更亮，甚至能产生橙色的光。但当时普通白炽灯的光效是这些早期红光 l e d 光效的1 0 0 多倍，因此红光l e d 只能用于显示不能用于照明。1 9 6 8 年， 采用在磷砷化镓里掺杂氮的方法使得l e d 的研究取得了新的里程碑，不仅将 l e d 的发光效率提高了将近1 0 倍，而且使l e d 能够发出红、橙和黄色三种光。 到2 0 世纪7 0 年代，已经出现了以砷化镓为发光源的绿光l e d 。此时l e d 随 着工艺技术的不断进步被广泛应用，以2 0 世纪7 0 年代中期推出的红光l e d 显 示屏计算器标志，l e d 开始了飞速发展。上2 0 纪8 0 年代诞生了第一款高亮度 l e d 。2 0 世纪9 0 年代，采用氮化镓为发光源的蓝光l e d 诞生，这标志着l e d 将进入照明领域。随后不久，白光l e d 的诞生，标志着新一场的照明革命开始。 2 0 世纪9 0 年代中期，我国才开始在照明l e d 的相关领域进行研究工作， 比发达国家晚了lo 多年。目前，我国l e d 技术尚不成熟，只能应用于中低端 产品的生产，在要求工艺水平高的l e d 液晶显示器、高亮度白光l e d 等领域 还存在着技术空白，与国际先进水平存在很大差距。但我国是正在迅速发展的 电子制造业大国，国内的手机、汽车等产业为l e d 的发展提供了推动力，在国 家政策的支持下，国内l e d 产业将会有广阔的发展前景。未来5 年，我国也将 把半导体照明作为一个重大工程进行推动，而科技部也已批准上海、深圳、大 7 连、厦门、石家庄、扬州、南昌7 地作为l e d 产业化基地。 目前，随着l e d 通用照明的技术的成熟，全球照明升级工程产业机会巨大。 为此，世界各国对l e d 的研发生产都极为重视。美、日、欧盟等发达国家先后 都成立了专门机构来推广实行l e d 照明，如美国世纪初制定的“下一代照明计 划”被列入了能源法案，计划在十年内，投资5 亿美元，用l e d 光源取代5 5 的白炽灯和荧光灯；日本耗费6 0 亿日元推行2 1 世纪的半导体照明计划；2 0 0 0 年7 月欧盟实施彩虹计划，设立执行研究总署，通过欧盟的专项补助金来支持 推广l e d 应用。 1 4 2 白光l e d 发展前景 每年，我国在照明上的用电占全国总用电的1 1 5 ，想要节电不仅要加强人 民的节电意识，而且还要研发出低功耗的照明设备和高质量的照明光源。l e d 的光效从上个世纪末到本世纪初短短的十几年已经被提高了2 0 多倍，是当之无 愧的“未来照明市场的耀眼明星 。在l e d 领域达成共识的“摩尔定律 一海 兹定律【1 5 】认为：以1 0 年为一个阶段，l e d 的性能将被提升2 0 倍，而其生产成 本将减小1 0 倍。如图1 4 所示，世界l e d 市场数据已经验证了这个定律，由 于l e d 制造技术的进步生产成本一再被降低，世界l e d 市场在5 年间增长了 2 0 多亿美元，平均每年的市场增长高达1 0 。 亿7 0 美钧 元s o 4 0 弼 2 0 l o o 觚， 嬲32 0 0 42 0 0 52 0 2 0 0 72 嘲( 年) 图1 - 4 世界l e d 市场 由图1 5 可知，目前l e d 的主要应用于手机背光的制造。现在手机已经不 再仅仅是通信工具，人们可以用它来看书、看电影、上网等，因此就需要更大 更亮的屏幕，这样就能使得l e d 在手机领域的应用可持续增长。汽车价格的下 降刺激了人们的购买欲，使得汽车产量高速增长，同时也会给l e d 带来巨大市 场。l e d 光源的特点赋予了它照明革命的使命，但由于目前技术的不成熟，还 不能将其广泛应用于日常生活中。随着科技的发展，最终l e d 光源会完全替代 传统光源，所以l e d 在照明领域的未来市场不可估量。l e d 在电视、手表、 便携式工具等其它领域的应用也在逐步增长，其应用已经进入到人类生活的方 方面面。 图1 5l e d 应用领域 1 5 本文的组织结构 本论文研究了白光l e d 驱动电路的结构形式和指标要求，详细分析设计各 子电路并进行仿真验证，最后对整个系统电路进行功能验证和性能仿真，确定 电路能满足设计要求。内容分五章进行： 第一章主要是在查阅文献资料的基础上对自光l e d 的发展和现状进行概 略性介绍。 第二章主要是介绍串联饱和型恒流驱动电路的原理，讲述芯片子模块的组 成、基本原理、具体设计电路和仿真结果。 第三章讨论了驱动电路中的高性能带隙基准源的设计与实现。 第四章对整个系统作了具体分析并完成了整体结果的仿真。 第五章对全文进行归纳总结和展望。 第二章串联饱和型恒流驱动电路的原理分析 2 1 串联饱和型恒流驱动电路的电路结构和工作原理 图2 1 串联饱和型恒流驱动电路结构框图 图2 1 所示为串联饱和型恒流驱动电路的整体框图。在电源电压产生波动 或是工作温度变化的情况下，该电路仍可为单个照明l e d 提供3 5v 的工作电 压和3 5 0 m a 的恒定驱动电流。整体电路由以下器件和模块构成：一个6 0 4 个宽 长比为1 0l am 1 l am 的n m o s 管并联的功率m o s 管，一个宽长比1 01 1m 11 1m 的与功率m o s 管有相同栅一源电压的传感m o s 管，一个采用外接形式 的取样电阻，一个误差运算放大器，一个带多值偏置电路的基准电压源，一个 带温度迟滞的过温保护模块，以及三个用来提高输出驱动能力的缓冲电路。 该恒流驱动电路的工作原理如下：基准电压通过多值偏置电路产生3 3v 和1 5v 两个恒定电压，其中1 5v 的恒定电压通过缓冲器与误差运算放大器的 反相端相连，3 3v 恒定电压通过缓冲器与取样电流在取样电阻上产生的电压的 差值形成反馈电压，该反馈电压与误差运算放大器的正相端相连，即与多值偏 置电路产生的1 5v 恒定电压进行比较。误差放大器的输出电压通过缓冲器后 与传感m o s 管和功率m o s 管的栅极相连，使两管的栅极电压恒定，进而实现 调整传感m o s 管的取样电流的作用，以实现恒定功率m o s 管驱动电流的目的。 整个闭环反馈系统处于动态平衡中，即当取样电流变小时，在取样电阻上产生 的压降也变小，则误差运算放大器的同相输入端电压变大，而误差运算放大器 1 0 d 、 h 渺0 的反相端为基准参考电压，因此误差运算放大器的输出电压变大，进而导致取 样电流增大：反之当取样电流增大时，在取样电阻上产生的压降也变大，则误 差运算放大器的同相输入端电压变小，因此误差运算放大器的输出电压变小， 进而导致取样电流减小，这样就实现了取样电流的动态平衡。正常工作状态下， 功率m o s 管m 1 与传感m o s 管m 2 均工作在饱和区，且有相同的栅源电压， 因此使功率m o s 管上的驱动电流也处于动态平衡中，为照明l e d 提供3 5 0m a 的恒定驱动电流。 2 2 串联饱和型恒流驱动电路模型 2 2 1 输出功率m o s 管的设计【1 6 】 2 2 1 1 输出功率m o s 管栅压的确定 在正常工作情况下的照明l e d 正向额定工作电压为3 5v ，因此功率m o s 管的漏源电压应为1 5v 。但由于制造工艺的离散性使得照明l e d 的正向额定 工作电压处于3 3v 和3 8v 之间。为了完全消除工艺离散性对电路产生的影响， 保证功率m o s 管在外接不同的照明l e d 时都能工作在饱和状态下，需满足： v o s l 1 一圪 ( 2 - 1 ) l v d l + v , h = y 矗一+ ( 2 2 ) 由上式可知，保证v f 在3 3v 和3 8v 之间功率m o s 管m 1 都能工作在饱和区， m 1 的栅压v g i 必须满足： v 0 1 y 品一3 8 + v , h = 5 3 8 + 0 7 2 8 = 1 9 2 8 ( 2 - 3 ) 在满足上式的前提下v m 值的选择还要受两方面的限制：一方面，v g l 的值应 设计的尽量小来确保m 1 处在较深的饱和区，这样可以避免当m 1 的漏端电压 略有波动出现m 1 立即脱离饱和区进入线性区进而使驱动电流变小的情况；另 一方面，v g l 的值应设计尽量大，这样为照明l e d 提供3 5 0m a 的稳定电流， m 1 的宽长比可适当设计的小些，即m 1 所占版图面积可小些，这样可以节省芯 片的面积。由于m 1 占用了整个芯片大部分的面积，因此较小的m 1 面积有利 于提高芯片面积利用率。对以上两方面因素进行折中选择，选定输出功率m o s 管的栅压v g l 为1 8v 。 2 2 1 2 输出功率m o s 管宽长比的确定 m 1 的栅压确定后，其宽长比由m o s 管饱和电流公式确定： 1彤 k = 专以巳( ) 。( 。一圪) 2 ( 2 - 4 ) 二l 可得当v g l = 1 8v 时，为得到i l e d = 3 5 0m a 的驱动电流，( w l ) 1 应取6 0 4 。 此外，工作在饱和状态下的功率m o s 管m 1 给照明l e d 提供稳定驱动电 流的同时需尽量减小饱和工作状态下的沟道调制效应，而从m o s 管的特性可 知，沟道长度越小，沟道调制效应越明显，因此增大m 1 的沟道长度可以减小 沟道调制效应的影响提供较为稳定的电流。但是增大沟道长度就表示着增大功 率m o s 管的版图面积。由版图常识可知，沟道长度扩大一倍，m o s 管面积扩 大一倍，这样不利于提高芯片面积的利用率。综合以上所述，选定m 1 的沟道 长度为1g m 。这样，m 1 可使用宽长比为1 0g , m l1 t m 的6 0 4 对小m o s 管并联 而成。 2 2 2 取样电流和取样电阻的确定 取样电流i 。为对照明l e d 的驱动电流i l e d 的按比例缩小取样，照明l e d 的驱动电流的任何波动都将等比例同向地反映在取样电流上。反馈控制电路通 过控制取样电流间接地控制照明l e d 的驱动电流达到使其维持稳定的目的。取 样电流i 。由传感m o s 管m 2 的宽长比确定。取样电流的设计主要受以下两方 面的约束：一方面，取样电流太小便不能精确控制照明l e d 的驱动电流；另一 方面，取样电流太大则会增加控制电路的功耗。结合以上两点因素的考虑，选 定传感m o s 管的宽长比为1 0p , m 1g m ，此时取样电流为驱动电流的1 6 0 4 ， 即o 5 8m a 。 取样电阻r 。的选取由下式决定： l = 警 ( 2 - 5 ) 其中，v a 为基准输出电压3 3 v ，由“虚短 可知v 。近似等于运算放大器反相 端电压，即基准输出电压1 5v 。要保证取样电流为o 5 8m a ，取样电阻r 。t 的 取值应设计为3 1k q 。这样才能保证功率m o s 管提供的电流为3 5 0m a 。 2 2 3 照明l e d 的等效电路模型 为了对白光l e d 驱动电路的特性进行模拟，有必要分析出照明l e d 的等 效电路模型。l e d 的伏安特性曲线与普通二极管特性曲线相似，即小注入时的 二极管方程： = i o e x p ( q n k t ) 一l 】( 2 - 6 ) i o 是反向饱和电流，1 1 值由正向电压决定，在1 至2 之间变化，k 是玻耳兹曼 常数，在室温时，k t q = o 0 2 5 6 9 ，又因l e d 正常工作时的电压v f 在3 3v 到3 8v 之间，所以e x p ( qv f n k t ) 1 ，式2 - 6 可以简化为： 厶e x p ( q 咋n k t ) ( 2 7 ) 珞：塑l i l ( 冬) ( 2 8 ) go 由式2 8 可看知，正常工作时照明l e d 驱动电流与其两端电压呈指数关系。由 于指数关系不能形象的描述等效电路，因此需要对照明l e d 的电流电压特性在 额定电流周围做一个线性近似： 1 2 珞= v 1 j t i 堋+ ， ( 2 - 9 ) 其中，v t u f no 。是照明l e d 的开启电压，一般在3v 左右。又知在正常工作时照 明l e d 的正向电压为3 5v ，正向电流i f 为3 5 0m a 。因此，由式2 - 9 可得出r = 1 4 3q 。 到此照明l e d 的等效电路模型的参数全部计算出来如图2 2 所示。一个 1 4 3q 电阻与一个3v 电压源串联的形成等效电路。该模型虽然不是很精确， 但不影响确定工作在饱和区的m o s 管m 1 的直流工作点。 y = 3 v d e ，= 1 4 3 f 2 图2 2 照明l e d 的等效电路模型 2 3c m o s 运算放大器的设计 2 3 1c m o s 运算放大器概述 运算放大器早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算 放大器”。今日的运算放大器的用途已经远超过早期的数学运算功能，在模拟电 路设计中，通常与反馈网络一起组成单元模块，实现不同功能。随着c m o s 工 艺技术的发展，运算放大器的组成器件都被集成在单片上，使芯片面积不断减 小，性能不断提高。所以c m o s 运算放大器已经成为模拟集成电路设计中最常 用的模块。 2 3 2c m o s 运算放大器设计指标 集成运算放大器可以实现高增益放大功能，是模拟集成电路中应用最为广 泛、品种最为多的结构单元。因此要设计性能良好的电路就必须了解运算放大 器的直流参数与交流参数： 1 ) 开环增益 开环增益是指在未接入负反馈电路的时候差模电压放大倍数，即直流差模 增益【1 6 郴】。本章所设计的两级运算放大器的增益为8 5d b 。 2 ) 开环带宽 ? 当工作频率增加时，集成运算放大器的开环电压增益从直流增益下降3 d b 时所对应的信号频率称为开环带宽。 3 ) 输出摆幅 。 输出摆幅是指输出信号的电压范围。目前很多模拟信号处理系统具有大的 电压摆幅以适应大范围的信号值。运算放大器的输出电压摆幅与偏置电流、器 件尺寸、电路速度等之间的性能指标是相互制约、相互折衷。 4 ) 共模抑制比( c m r r ) 理想的运算放大器，对于共模输人电压不会产生输出电压，但实际上，同 相输入端和反相输入端的电压不可能完全相同，因此也就不能完全抵消共模输 人电压。共模抑制比越大越好【1 6 棚l 。 5 ) 转换速率 该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。 6 ) 输入失调电流 当运算放大器直流输出为零时，两输入端输入偏置电流之差称为输大失调 电流。它一般为零点儿微安至几微安。 7 ) 电源抑制比( p s r r ) 该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力， p s r r 通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。 8 ) 等效输入噪声 等效输入噪声是指当运算放大器的输入端短路时，将产生于输出端的噪声 折算到输入端的等效电压值。噪声会干扰电平信号。在微弱信号检测当中是一 个非常重要的参数2 0 1 。 9 ) d c 功耗 在空载情况下器件在给定电源电压下所消耗的静态功率。 上面所述为放大器的主要参数，在电路设计时，要综合考虑各种因素才能 设计出性能良好的放大器， 2 3 3c m o s 运算放大器的分类 差分运算放大器是电路设计中最常用的一种，如图2 3 所示。在深亚微米 器件的典型电流条件下，这种电路的低频小信号增益一般为5 0 左右，很难满足 设计的要求，因此经常与其它放大器组成二级运放。 为了得到更高增益的放大器将上述放大器内的c m o s 管全部换为共源共 栅结构，这样就增加了输出阻抗，达到提高增益的效果，如图2 - 4 和图2 5 所 示的套筒式共源共栅运算放大器和折叠式共源共栅运算放大器。但是这样也减 小了运算放大器的输入和输出摆幅范围。为了保证共源共栅两管都工作在饱和 区，输出电压摆幅不能大于阀值电压，因此也决定了套筒式共源共栅运算放大 1 4 器不能用做源跟随器。 综合以上对套筒式共源共栅运算放大器缺陷的分析，对电路进行改进，人 们又设计出了折叠共源共栅运算放大器，如图2 - 6 所示。这是以牺牲增益和增 大噪声换来的输出摆幅。这种结构可以用做源跟随器，因此在电路设计中被广 泛使用。 v o dv d d 图2 3 简单一级差分运算放大器( 左为单端输出，右为双端输出) v d 。 图2 - 4 套筒式共源共栅运算放大器( 左为单端输出，右为双端输出) 以上所述的几种一级放大器，由于增益有限，所以很少单独使用，都是与 其它放大器组成两级放大器使用，来得到更高增益来满足设计需要，图2 - 6 所 示。第一级采用差分放大器来提高增益，第二级采用共源放大器来增大输出摆 幅。 提高输出阻抗也以用来增大增益，如图2 7 所示。放大器使m 2 管漏级的 输出阻抗增高，达到提高增益的效果。但是这种结构设计复杂，电路也不稳定。 图2 5n m o s 输入管的折叠共源共栅运算放大器 v d d 图2 - 6 单端输出的两级运算放大器 1 6 图2 7 增益提高运算放大器的实现 以上各种结构的运算放大器都有自己的特点，如何使用还要根据设计指标 和设计要求来定，本文就是基于以上思想来进行放大器的设计。 2 3 4 电流检测放大器的设计与实现 图2 1 中的运算放大器为误差放大器，它把取样反馈电压与1 5v 基准输 出的电压差进行放大，因此该放大器开环增益越大越好。因为放大器增益无穷 大，v i n = v o u t a 就越趋近于0 ，也就是“虚短”使得放大器的同相端电压 v 。，与反相端1 5v 电压基准电压相等，所以i 。t = ( 3 3 v 。t ) r 。就越稳定， 从而i l e d = 6 0 4 i 。t 就能稳定在3 5 0m a 。因此，本章中的运算放大器设计为二级 运算放大器的形式，开环增益高达8 4 5d b 。此外，设计为p m o s 输入差分对 比n m o s 作为差分输入对有更好的噪声抑制