（电路与系统专业论文）高效率自适应背光与照相led控制器的设计.pdf

摘要 本论文设计工作来源于西安电子科技大学电路c a d 所的科研项目“深亚微米 电源管理类集成电路及各种数模混合集成电路的关键技术理论研究与设计”，作者 承担的是高效率自适应背光与照相l e d 控制器x d 3 3 1 3 的设计。 论文首先对电源管理类芯片的热点和电荷泵驱动l e d 的意义加以介绍，并在 此基础上介绍了白光l e d 的特性和驱动方式：然后选用电荷泵架构，对x d 3 3 1 3 进行系统级设计；针对电荷泵电路的设计难点，提出了一种新颖的电荷泵双环路 反馈控制系统，大大提升了电荷泵的效率，并实现了极低的输入噪声，小的电压 纹波；接着详细介绍了子模块的设计思路和仿真结果；最后给出了芯片x d 3 3 1 3 的整体仿真结果和部分电特性性能曲线。 x d 3 3 1 3 采用高效率多模式电荷泵d c d c 转换器架构。芯片内置可编程电流 源，根据不同的用途可以提供2 0 0 m a 、6 0 0 m a 和8 0 0 m a 三种l e d 电流，并且能 够在1x 、1 5 和2 三种工作模式之间自动切换。适用于拍照手机及其它便携式照 明应用中的视频和闪光灯。 x d 3 3 1 3 基于t s m c0 6 9 mc m o s 工艺，仿真结果表明芯片已实现全部电路功 能，性能良好。 关键词：输入噪声双环路反馈电荷泵l e d 控制器 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to fi n s t i t u t eo fe l e c t r o n i cc a d ，“t h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n dd e s i g no fk e yt e c h n i q u ef o rd e e p - s u b m i c r o np o w e rm a n a g e m e n ti ca n d m i x e di c ”ah i g he f f i c i e n c ya d a p t i v eb a c k l i g h ta n dc a m e r al e dc o n t r o l l e rn a m e d x d 3313i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eh o tt o p i ci np o w e rm a n a g e m e n ta n dt h em e a n i n g o f c h a r g ep u m pl e dd r i v e ri sg i v e n ，b a s e do nw h i c ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ed r i v i n g m e t h o d so fw h i t el e da r ed e s c r i b e d t h e nas y s t e ml e v e lc o n s t r u c t i o no fx d 3 313i s a c c o m p l i s h e db yu s i n gc h a r g ep u m pd c - d cs t r u c t u r e ad u a ll o o pf e e d b a c ki sd e s i g n e d f o rc h a r g ep u m pl e dd r i v e rt oi m p r o v et h ec h a r g ep u m pd e s i g n ，w h i c hg r e a t l y e n h a n c e st h ee f f i c i e n c ya n da c h i e v e st h eu l t r a - l o wi n p u tn o i s ea n ds m a l lv o l t a g er i p p l e f o l l o w e da r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n so fs u b b l o c k sw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , p a r t s o ft h ew h o l ec h i pp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa leg i v e n x d 3313 a d o p t st h ec h a r g ep u m pd c - d cs t r u c t u r e w i t hh i g h e f f i c i e n c ya n d m u l t i m o d e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tu s e ，i n t e r n a lp r o g r a m m a b l ec u r r e n ts o u r c e c a n p r o v i d e2 0 0 m a ，6 0 0 m aa n d8 0 0 m a t h r e et y p e so fl e dc u r r e n t x d 3313c a no f f e r a u t o m a t i cm o d es w i t c h i n ga m o n g1 ，1 5 xa n d2 m o d e s ，s oi tc a nb eu s e da sl e d t o r c h c a m e r al i g h ts u p p l yf o rc e l lp h o n e sa n do t h e rp o r t a b l ee q u i p m e n t sw i t ht o t a l o u t p u tc u r r e n tu pt o1a b a s e do nt h et s m c0 6 mc m o sp r o c e s s ，s i m u l a t i o nr e s u l t so fx d 3 3 13s h o wt h e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ec a nm e e tt h ep r o s p e c t i v es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d ：i n p u t n o i s ed u a ll o o pf e e d b a c kc h a r g ep u m pl e dc o n t r o l l e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名：雠 同期型划 第一章绪论 第一章绪论 本章简单介绍了电源管理现状、l e d 的特点及应用领域，以及电荷泵d c d c 驱动l e d 的意义，最后对本论文的主要工作和章节安排作了简要介绍。 1 1 电源管理现状 2 0 0 5 年，电源管理i c 市场呈现出快速增长的势头，除了在传统的白色家电市 场，还主要集中在计算机领域，主要包含台式电脑、笔记本电脑和游戏机。各种 终端产品的同益普及和功能的不断增加，对电源管理i c 产品提出了更高的要求。 目前，电源管理芯片发展的热点表现在以下三个方面： ( 1 ) 降低功耗【l 】。在d c d c 应用中，例如v c r 、d v d 播放器、打印机、传真 及扫描设备中的开关电源，要求高功率高效率，而待机功耗是其中一大关键。在 手机等d c d c 应用中，要求的是功率管理。由于电池技术很难追上增添多种功能 的产品对功率的需求，各大设计公司必须提供产品以延长电池寿命。在2 0 0 5 年， 飞兆半导体公司推出了业界首个串化器解串器解决方案，提供极佳的待机功耗。 此外，通过采用功率因数校j 下或准谐振回扫式功率设计等拓扑结构降低系统的待 机功耗、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 ) 辐射、总体元件数目及电路板空间。此 外，国家半导体2 0 0 5 年推出了工业上第一款数字控制的p o w e rw i s e 系列能耗监控 元件，能够降低电池驱动的手持产品数字处理器的能耗。微芯公司在其p i c 单片 机和低电源模拟产品生产线中引入了片上纳瓦技术，在电源关闭或休眠模式情况 下只需要毫微瓦特的电流。 ( 2 ) 高度集成化【2 1 。电源管理芯片的另一发展趋势是在更小的硅片上集成更多 功能特性，以更好的设计灵活性实现更强的系统用电性能，而不会增加成本。多 个单一功能的电源管理器件组合的方法将会被类似p m u ( 电源管理单元) 的芯片取 代。例如，国家半导体的多功能电源管理单元l p 3 9 7 0 内置了1 1 个线性稳压器、2 个d c d c 降压稳压器、1 个后备电池充电器及4 个通用输出，可为处理器提供稳 压供电。处理器也可以对l p 3 9 7 0 进行数字控制，根据负载情况动态调节电源电压 来减小功耗。m a x i m 公司推出的m a x 8 6 2 1 电源管理芯片，内部集成了2 个d c d c 降压稳压器、4 个线性稳压器、1 个复位定时器和1 个驱动器，而面积仅为1 6 m m 2 。 ( 3 ) 白光l e d 驱动【】。便携式产品中为l c d 显示器提供背光的光源是系统 中耗电量最大的部分。由于功率限制日趋苛刻，因此功耗较低的白光l e d 仍然是 最佳选择。众多著名设计公司均正在开发结构更紧凑、背光效率更高的白光l e d 驱动电路。此外，新一代的o l e d ( 有机发光二极管) 显示器的应用也逐步升温，各 高效率白适应背光与照相l e d 控制器的设计 设计公司也正努力扩展这方面的l e d 驱动。 1 2l e d 的特点及应用领域 1 2 1l e d 发展概述 发光二极管( l e d ) 是指半导体p n 结通以正向电流时能发光的半导体器件。早在 1 9 2 2 年，有人就发现了碳化硅( s i c ) 的p n 结发光现象。1 9 6 8 年，美国孟山都公司首 先向市场提供了磷砷红色l e d ，并得到广泛应用。随后，黄光l e d 、绿光l e d 、橙 光l e d 、黄绿色l e d 、橙红光l e d 和紫光l e d 相继问世。2 0 世纪8 0 年代未和9 0 年代 初，蓝光l e d 应运而生，并迅速向高亮度化发展。继蓝光l e d 之后，白光l e d 开始 崭露头角并迅速得到应用，倍受人们的青睐。 l e d 的光色是由其波长决定的。白光并不能呈现在彩色光谱上，我们看到的 白光至少是两种颜色混合而成的光，所以它没有特定的波长。目前，商品化的白 色l e d 是一种两波长光，它是由蓝光及由蓝光激发钇铝石榴石( y a g ) 黄色荧光粉产 生的黄光而形成的混合光。实际上，由无机紫外光晶片力i r g b 三色荧光粉还可以 制作三波长白色l e d ，而且制作比较容易，成本较低，未来有可能取代两波长白 色l e d 。就光色而言，l e d 的颜色已经比较齐全，今后的主要发展趋势是高亮度化。 1 2 2l e d 的主要特点 ( 1 ) l e d 是一种p n 结二极管，属于固体器件，因此机械强度大，耐振动和耐 冲击能力强。 ( 2 ) 体积小，重量轻，采用s m t 式封装的l e d 外形尺寸仅约2 m m x 2 m m x 2 m m ， 有的高度不足2 m m ，尤其适合在小型和超薄型电子设备和装置中使用。 ( 3 ) 寿命长达1 0 万小时，不仅远远超过家电的寿命，而且超过汽车的使用寿 命，这是任何其他类型的显示器件和照明器具无法相比的。 ( 4 ) 功耗低，易于实现低压驱动。白光l e d 的正向电流为2 0 m a ( 大电流白光 l e d 可达7 0 0 1 0 0 0 m a ) ，正向压降为3 - 一4 v ( 典型值范围为3 5 - 一3 8 v ) ，其他光色 l e d 的正向电流大多为1 0 m a 左右，正向压降为1 5 - 3 v 。l e d 与基于i c 的驱动 电路有很好的兼容性，驱动电路比较简单。l e d 既可以单个应用，也可以多个一 起应用，既可以串联，也可以并联。 ( 5 ) 反应速度快。白炽灯加电后需要2 0 0 m s 的时间才能达到设定亮度，而l e d 在通电后达到设定亮度的时间不到l m s 。若使用l e d 作为汽车中央高位刹车灯 ( c h m s l ) ，后边的汽车驾驶员就能立刻看到刹车灯，从而减少追尾事故。 ( 6 ) 发光效率高，可达2 0 l m w 5 0 l m w ，仅次于荧光灯，远高于白炽灯，并 且l e d 不易发生光衰现象，也不受电流冲击的影响。 ( 7 ) l e d 是一种固态电光源，易于实现对光的辐射方向和发光面积的精确控 第一章绪论 制。在一些照明面积要求不大的应用领域，采用l e d 既可以满足照明要求，又不 至于造成能源浪费。 ( 8 ) l e d 不仅可以节约能源，而且不存在荧光灯废弃物的汞污染，因此是一种 绿色化照明和显示器件。与荧光灯和白炽灯相比，l e d 在制作过程中消耗的能源 是微不足道的。l e d 的节电( 包含制造过程) 特点非常有助于减少火力发电所造成的 污染，具有典型的绿色特征。 当然，l e d 并非是完美无缺的，它也存在视角窄和不易滤色与扩散等不足， 因而用途会受到一定的限制。 1 2 3l e d 的应用领域 在l e d 问世之后的近3 0 年中，l e d 主要作为显示器和指示器来使用。随着l e d 品种的增加和亮度的提高，l e d 的应用正在进入一些新的领域。 ( 1 ) 替代白炽灯 白炽灯寿命短( 约为1 0 0 0 h ) ，发光效率低，耗电高，易破碎，反应时间慢，启 动时冷态电阻较小，冲击电流相当大。采用l e d 不存在这些问题。虽然白炽灯价 格较低，对消费者来说，初始成本( 或投资) 较低，但照明成本( c o l ) - 羽远1 ：i s l e d 高。 照明成本不仅涉及电灯的初始成本，还涉及电灯所消耗的能源成本和电灯更换时 所需要的劳动成本等。白炽灯虽然初始成本很低，但它将电能转换成光能的效率 也很低，而且经常烧坏，更换频率高。l e d 很难被烧坏，光衰难以观察，具有比 较低的长期成本。 ( 2 ) l c d 背光照明 。 传统液晶显示器( l c d ) 的背光照明通常采用冷阴极荧光灯( c c f l ) 和电子发光 ( e l ) ，而采用l e d 取代c c f l 禾i e l ，可使l c d 色彩更逼真，色度更饱和，并使l c d 的厚度更薄，而且不会产生干扰。事实上，l e d 在p c 、t v 、汽车、手机、p d a 和 手表等领域的背光照明应用中正在成为主流器件。由于白光l e d 的价格仍比较高， 目前仅限于彩屏手机、p d a 和数码相机等应用。 ( 3 ) 在汽车中的应用 l e d 在照明领域的最基本和最引人注目的应用就是汽车刹车灯和交通信号 灯。目前，在新产汽车中已有4 0 以上的中央高位刹车灯采用红光l e d 。此外，有 些汽车( 如奥迪a 6 ) 及摩托车的主刹车灯也采用l e d 取代传统的白炽灯。为了提高刹 车灯的亮度，需要使红色l e d 串联起来。目前，在交通信号灯中，l e d 已完全取代 了传统的白炽灯。在2 0 世纪9 0 年代中期，l e d 被用作交通信号灯时，有的多达6 0 0 个l e d 。而今天，由于高亮度l e d 的发展，一个信号灯中仅使用8 个l e d 。只要l e d 的光输出再增加三分之一，再配置一个漫散器，一个交通信号灯就可以使用一只 i ，e d 。 ，一 4 高效率自适应背光与照相l e d 控制器的设计 ( 4 ) 手机中的白色l e d 闪光灯 目前，高端移动电话都内置分辨率达兆像素的照相机。为了帮助用户在较黑 暗的环境中拍照，一般手机都配置了闪光灯。静止数码相机中使用的闪光灯难以 被置入移动电话中。采用白光l e d 作为移动电话中的闪光灯，既节约成本，又节 省空间。白光l e d 使用的升压变换器驱动电路远比标准闪光灯驱动电路简单，成 本也可成倍降低。 1 3 电荷泵d c d c 驱动l e d 的意义 便携式设备的广泛应用，将对电源管理形成大量新的需求。为了支持日益复 杂的系统电源要求和新功能，各大芯片设计公司提出了先进的、各具特色和尺寸 越来越小的电源管理解决方案。各种解决方案均需在效率、封装尺寸和成本之间 反复权衡，但小尺寸封装的散热能力不及大尺寸封装产品，迫使器件的转换效率 必须提高。因此，开关调节器正在取代线性调节器，以延长电池的工作时间，但 噪声和电磁干扰的问题也随之而来。许多便携式设备都具有无线电电路和射频接 收器，对噪声都十分敏感，因此作为噪声发生器的开关电源，势必对这些敏感电 路形成潜在干扰。传统的解决办法是使噪声发生电路远离对噪声敏感的电路。然 而，当今的便携式产品中，由于系统内部布局非常紧密，这种做法已不再可行， 而加设屏蔽的方案则会因为成本和尺寸方面限制，变得不切实际。 一种切实可行的方案是使用高效率、低噪声、低成本、无电感器型的电荷泵 d c d c 转换电路。在不需要外接电感元件的情况下电荷泵【5 l 能实现一定的升压。 由于无电感元件，所以克服了由电感带来的e m i 问题，并且其所占面积小，设计 简单，价格低，缺点是在升压模式转换时，存在效率急剧下降，损耗发热量增加 的问题。因此，在需要实现高输出电压电源电路中，电荷泵电源的应用范围就受 到了限制。不过，在所需电压不高、所占p c b 面积小、效率高、低噪声和低成本 的应用中，电荷泵电源成为各厂家的首选【6 】。目前，国际国内在如何减小电荷泵的 功耗、噪声及增大输出功率方面进行了较为广泛的研究。本论文正是基于电荷泵 低噪声、高效率的要求进行设计的。所设计出来的芯片具有较广阔的市场应用前 景。 便携式产品大多以电池供电，电池的广泛使用给电源管理提出了特殊要求： 高效率、低成本、小体积和低静态电流。传统的电源通常采用电感式d c d c 变换 器，但是电感体积庞大、容易饱和、会产生e m i 而且成本高。电荷泵d c d c 转 换器具有功耗小、成本低、结构简单，无需电感和二极管等外围组件以及高e m i 抑制等优点，在低功耗中得到广泛应用【7 】。但是电荷泵效率相对较低，不适用于 大功耗应用。近年来，随着电荷泵结构的不断改进和工艺水平的提高，电荷泵效 率得到改善p j ，使得电荷泵也可以适用于较大电流应用。 第一章绪论 1 4 论文的主要工作和章节安排 本论文设计完成了一款适用于便携式产品的高效率自适应l e d 控制器芯片 x d 3 3 1 3 。该芯片选用电荷泵d c d c 转换器结构，无需电感器，减小了e m i t l 0 j ， 并在电压外环和电流内环的共同调节下，实现了芯片的高效率与低噪声。芯片能 够在1 、1 5 和2 三种工作模式之间自动切换；内置可编程电流源，可以根据不 同的用途来提供2 0 0 m a 、6 0 0 m a 和8 0 0 m a 三种l e d 电流，因此适用于拍照手机 及其它便携式照明应用中的视频和闪光灯；此外，x d 3 3 1 3 仅需要两个编程电阻和 四个小陶瓷电容器就可以构成一完备的l e d 电源和电流控制器，有效的减小了 p c b 面积。 本论文具体章节安排为：第一章介绍了电源管理现状、l e d 的特点及应用领 域、电荷泵驱动l e d 的意义以及论文的主要工作和章节安排；第二章论述l e d 的 特性，白光l e d 驱动方式以及本文采用的l e d 驱动方案；第三章描述x d 3 3 1 3 的系统设计，介绍了系统工作原理：第四章在分析电荷泵电路原理的基础上重点 介绍本论文所采用的关键技术；第五章介绍x d 3 3 1 3 主要模块电路，并进行了电 路设计和仿真验证；第六章中对整体电路进行仿真验证，给出芯片整体电路仿真 结果；最后是结束语，总结概括了论文的主要工作。 第二章白光l e d 的特性和驱动方式 第二章白光l e d 的特性和驱动方式 随着彩色l c d 显示器在蜂窝电话、p d a 、数码相机中的广泛应用，作为照明 源的白光l e d 也变得越来越通用。提供白光光源有两个主要途径，白光l e d 和 c c f l ( 冷阴极荧光灯) 。c c f l 已经在笔记本电脑上应用了许多年，但是，考虑到尺 寸、复杂度以及成本上的优势，近来自光l e d 成为小型便携终端的理想光源。白 光l e d 只需相当低的直流电压( 3 4 v ) ，而c c f l 则需要极高( 2 0 0 - 一5 0 0 v r m s ) 的交 流电压和昂贵的、基于变压器的电源，并占用较大的线路板面积】。 白光l e d 为手机、p d a 等电子产品的彩屏l c d 提供背光光源。数码相机、 蜂窝电话一般需要2 到3 个l e d ，p d a 通常需要3 到6 个l e d 用于背光。通常这 些电子产品所采用的单节锂离子电池典型供电电压为3 5 v ，最高电压为4 2 v ，且 供电电压随使用时间增加不断下降。白光l e d 存在一个正向导通电压( v l e d ) ，在 2 0 m a 电流时正向导通电压典型值为3 5 v ，最大值为4 v 。可见，单节锂离子电池 不能长时间直接驱动白光l e d 。因此，经济、高效的白光l e d 驱动芯片愈显重要。 本节首先介绍白光l e d 发光特性，然后分别介绍通常采用的四种白光l e d 驱 动方式。 2 1l e d 特性 2 1 1 标准红、绿l e d 特性 标准的红、绿l e d 所产生的色彩( 发射波长) 在正向电流、正向电压或环境温度 发生变化时保持相当的稳定性。标准绿光l e d 发射波长约为5 6 5 n m ，离散值在9 5 n m 以内。由于色差非常小，多个l e d 并联驱动时，正向电压的正常变化引起的光强差 异很小。标准红、绿l e d 的正向导通电压在1 4 , - 一2 6 v 之问；且正向电流达到1 0 m a 时，正向电压的变化量红光l e d 为2 0 0 m v 左右，其它l e d 为4 0 0 m v 左右。因此，只要 供电电压高于l e d j 下向电压的最大值，就不需要升压变换器或复杂的电流源。如果 不要求电池放电导致的亮度变化，可以直接由锂电池或三节镍氢电池经限流电阻 驱动l e d 。 2 1 2 高亮白光l e d 特性 l e d 是由电流驱动的器件，其亮度与流过l e d 正向电流i l e d 大小线性相关( 如图 2 1 所示) 。其正向导通压降v l e d 为3 4 v ，典型值为3 3 - - - , 3 6 v 。为保证可靠性，驱 动l e d 的电流必须低于l e d 额定值的要求，典型最大值一般为3 0 m a 。 8 高效率自适应背光与照相l e d 控制器的设计 术 鲁 霄 善 孽 麓 霉 _ 一一 ，一一 环境温度2 5 0 c 妒 一， 、 ，一 _ 一 t 一r z o a t i l ， i | 1 0柏鲫4 0轴6 07 0舯帅1 0 0l l o 正向电漉t - n ， 图2 1 白光l e d 相对辐射功率与止向电流 冀 拈 柚 2 曼嚣 麓 星舅 肖2 5 幅 1 0 s 匡二訇 | | ， | | ， | | | | ，7 t| ， f ， ， ， f ，。力，j ，多 石， 一 乡哆一7 u 2i 4 1 1 正向电压( v ， 图2 2 不同向光l e d 的正向1 v 曲线 正向导通电压v l e d 可以用来描述白光l e d 的工作效率，但并不影响其亮度， 亮度仅由j 下向导通电流i l e d 决定。对于一定的正向导通电流l l e d ，正向导通压降v l e d 越大，其消耗功率越多，效率越低。白光l e d 的这一特性为驱动电路中d c d c 转 换部分提供了进一步优化的空间。l e d 的正向导通电压受生产因素的影响很大， 即便是同一厂家同一批次、同一型号的产品，其v l e d 的差异也在1 0 0 m y 左右。不 仅如此，在同一j 下向电压下，流过白光l e d 的电流也有很大的离散性。图2 2 给出 了六只随机挑选的白光l e d ( 其中三只来自两家项级产商) 的正向电流随f 向电压 的变化关系曲线。这种情况下，如果用固定电压3 4 v 驱动这六只l e d ，相应的正向 电流分布在1 0 m a 至4 0 m a 范围，差别较大。在很多实际应用中，需要同时驱动几 个l e d 为l c d 提供背光。电流的差别，导致l e d 具有不同光强，产生不均匀的背光， 使l c d 画面亮度交织。另外一个问题是所需的最小供电电压无法满足。通常l e d 要求高于3 v 的电压驱动，若低于该电压，几个l e d 可能会完全变暗。l e d 的这一 特点，也是造成并联l e d 各个通路电流不相等的主要因素之一。 传统的电压控制模式是向l e d 提供恒定电压，通过镇流电阻来控制l e d 上的电 流。根据图2 2 给出的6 个随机白光l e d 的正向电流随f 向电压的变化关系曲线可 知，这种方法的稳流能力非常差。只要外加电压或白光l e d 正向电压有任何变动， 白光l e d 的电流都会改变。对l e d 正向电流的控制不精确，就会导致照明显示器偏 离真实的色彩。另外，由于l e d 具有不同的光强，还会造成不均匀照明。在高要 求的应用中，比如白光l e d 为手机或者p d a 等显示屏作背光源时，恒压控制无法 满足要求，需要更为精确的恒流控制。 第二章白光l e d 的特性和驱动方式 9 、 7 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 环境温度t a c t l 图2 5 白光l e d 额定电流与环境温度 高功率l e d 正向电流在1 0 0 m a 以上，但其f 向电压依然是3 5 v 左右，因此，电压 变化引起的电流变化量比普通l e d 要大得多，大电流更容易引起结温升高，随着结 温升高，给出同一电流的正向电压值减小，如果采用电压源驱动的话，势必会使正 向电流进一步增加，最终导致器件性能恶化甚至损坏，高功率l e d 这一影响比高亮 柚 如 加 加 6 o 一暑l，一媾粤披骚 1 0 高效率白适应背光与照相l e d 控制器的设计 l e d 更为严重。使用高功率l e d 要进行散热设计，正确选择散热片。图2 5 是某白光 l e d 器件的周围温度与额定电流特性之间的关系示意图，它是选择器件j 下向电流 的一个约束条件。 综上所述，由于l e d 的性能限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控制等困 扰，随着白光l e d 背光模块应用的需求不断增加，如何改善上述波长与电流精度 问题，同时降低驱动电路的制作成本，成为l e d 驱动芯片设计者必需解决的难题。 l e d 驱动芯片的设计目标是提供一个足够高的输出电压，且在各个l e d 通道上加载 同样大小的电流。下面一节就将对l e d 驱动器的分类和白光l e d 驱动的基本方式进 行简要的介绍。 2 2 白光l e d 驱动电路方式 白光l e d 驱动电路集成化芯片很多，按用途分有照明用和彩色液晶背光用驱 动器，包括高功率l e d 驱动器( ! t 1 l t c 3 2 1 4 、l t c 3 2 1 6 ) 和高亮度l e d 的驱动器；按 l e d 的连接方式分有并联、串联和串并联三种，并联驱动和串联驱动都有相应的 专用芯片。驱动器电路一般都由d c d c 变换器和恒流源两部分组成。其中d c d c 变换器依据输入输出电压的要求，有升压、降压与降升压变换器三种，依据储能元 件的要求，有电感储能型和开关电容储能电荷泵两种。 2 2 1 按连接方式分 按连接方式可以分为串联驱动与并联驱动。串联驱动的优点在于保证了各 l e d 问的亮度匹配，l e d 电流控制特性好，只使用一个镇流电阻，效率高，并易于用 电感型变换器实现。并联驱动的优点是适于用开关电容升压器实现，但效率比串联 方式低。 2 2 2 按驱动方式分 白光l e d 驱动器基本上有两种驱动方式：1 ) 采用开关电容储能的升压式电荷泵 驱动电路，由于它的输出电压小于两倍的输入电压( 一般输出电压+ 5 v ) ，所以它驱 动l e d 的方式是并联的，如图2 6 ( a ) 所示；2 ) 采用电感储能的升压式d c d c 变换器 电路来驱动，由于它的输出电压从1 3 v 至i j 2 8 v ( 甚至更高) ，因此它驱动l e d 的方式 是串联的，如图2 6 ( b ) 所示。采用串联方式使流过每一个l e d 的电流都一样，则发 光的均匀性好；采用并联方式受正向压降v f 的离散性影响，在恒压供电时容易造 成每个l e d 的电流不等而造成无均匀性差。虽然可以采用调节限流电阻来调节亮 度，但这十分麻烦，所以开发了并联的l e d 均流( 电流匹配) 的新品种。下面介绍常 用的4 种电荷泵驱动白光l e d 方案。 第二章白光l e d 的特性和驱动方式 ( a ) 升压式电荷泵并联驱动 l l | l h ( b ) 升压式d c d c 变换器串联驱动 图2 6 两种基本l e d 驱动模式 ( 一) 电压源加镇流电阻驱动方式 c t 图2 7 电乐源加镇流电阻驱动模式 该驱动方式用稳压源配合镇流电阻控制l e d 的电流，如图2 7 所示，其中，稳 压源使用电荷泵d c d c 转换器。这种结构的优点是选择电压源的余地很大，提供 一定电压给白光l e d 而不需考虑其正向电压。驱动芯片与l e d 之间只需要一个连接 端点，外围储能元件只需要若干电容就可以从2 7 5 v 的输入电压得到稳定的输出 电压，完全不需要电感，使整个应用电路所占体积很小，非常适用于轻便、微型 等需要节省电路板面积的应用场合( 如手机应用) 。另外，由于它不需要使用电感， 也就没有一般电压转换器最严重的由线圈引入的噪声问题，因此也就不存在电磁 干扰问题。 然而，这种驱动方式的缺点也很明显，第一，虽然它可以提供一个比其正向 电压大的恒定电压给白光l e d 提供证向驱动，但对白光l e d 而言，其正向电压很大 的离散性，也造成了白光l e d 亮度不一致的情形。第二，由于锂电池利用电荷泵 1 2 高效率白适应背光与照相l e d 控制器的设计 升压最多采用倍压方式，也就是说对锂电池而言，假设其电压为4 v ，若使用电荷 泵倍压，在没有稳压的情形下，其输出电压应为8 v ，而为了得到稳定的5 v 输出电 压，需要牺牲多出来的电压，在这种工作方式下，输入电压越高，电源转换效率 越低。另外，镇流电阻的存在也是造成该方式效率较低的一个原因，而且，它对 l e d 正向电流的控制也不是很精确。 ( 二) 电流源加镇流电阻驱动方式 c i c 2 v 图2 8 电流源加镇流电阻驱动模式 图2 8 是电流源加镇流电阻驱动方式的外围拓扑结构，仙章公司的f a n 5 6 0 9 就 是采用这种控制模式。此方式下，电流驱动器采用带有整流功能的电荷泵，电荷 泵向外提供稳定的电流输出。这种结构不但具备解决方案电路简单、体积小的优 点，还考虑了提高电流的匹配性能。虽然总的输出电流稳定了，但是为了匹配各 个l e d 的电流，使用了镇流电阻来检测。总的输出电流可以利用连接至反馈端的 镇流电阻r c s 进行调节。由于l e d 之间的j 下向电压各不相同，因此电流匹配的精度 非常有限。另外可以通过减小镇流电阻来降低电路的功耗，但是这种结构在镇流 电阻上的耗电仍然较大。 ( 三) 单路电流反馈 v c lc 2 图2 9 单路电流反馈控制模式 第二章白光l e d 的特性和驱动方式 单路电流反馈的拓扑结构是从电压源加镇流电阻的结构上演化而来的，如图 2 9 所示，这种控制方式对一路l e d 提供电流调节，其它l e d ( d 2 、d 3 ) 靠与d l 之间 正向电压一电流特性的一致性及镇流电阻来保持电流匹配。这种控制方式一定程 度上避免了电压源加镇流电阻控制方式中各l e d 正向电流不精确的缺点，但是其 正向电流仍然会存在一致性误差。美信公司的m a x l 9 1 0 属于这一类芯片。该方案 可以实现同一制造商同批次l e d 间的良好匹配，其缺点是镇流电阻依然存在，降 低了效率。 ( 四) 多路电流源驱动方式 c lc 2 v i 图2 1 0 多电流源驱动模式 图2 1 0 是采用多路电流源驱动白光l e d 的方案，电路可以分别调节l e d 的电 流，不需要镇流电阻。电流调节精度和匹配度取决于每个独立电流源调节器。由 于没有了镇流电阻，就没有了输出电阻上的电损耗，而且该结构允许输入和输出 电压的压差可以很低，这两个方面都提高了电路的效率。这种结构能够保证较高 的性能指标，镇流电阻的减少也进一步减小了应用电路的有效体积，更适合空问 极为狭窄的场合使用。该结构和基于电感结构驱动方案比具有很大的竞争力，它 唯一的缺点是驱动白光l e d 的数目由它的输出端口数目决定。 2 2 3 电路应用特点比较 前面我们讨论了四种驱动并联白光l e d 方式，可以看到，四种并联方式都用 到了开关电容式升压电荷泵，而串联方式用到的是电感升压方式。前面已经讲到 了并联驱动和串联驱动各自的优缺点，下面再以表2 1 简单列举一下。 表2 1 并联方式和串联方式驱动白光l e d 优缺点比较 驱动方式 并联 串联 转换器开关电容式d c d c 转换器 d c d c 磁升压转换器 驱动电压 低( 3 5 v 5 v ) 高( 通常高于1 6 v ) e m l 辐射低( 或无)高 噪声低高 l e d 电流失配有 无 1 4 高效率自适应背光与照相l e d 控制器的设计 驱动方式 并联串联 l e d 正向导通电压离散性需考虑其对亮度的影响无需考虑 电感不需要 需要 面积小 大 成本 低高 容错设计有无 引出端需要多个仅需要两个 亮度控制 每个l e d 的亮度可单独控制所有l e d 的亮度都相同 效率较低较高 2 3 本设计中的电荷泵驱动方案 x d 3 3 1 3 主要用于驱动单节锂离子电池供电的便携式设备中，用于背光照明和 照相闪光的并联白光l e d ，因此在选择驱动方案的时候，必须重点考虑驱动电压、 e m i 辐射和输入噪声这三个因素。综上所述，电荷泵是最佳驱动方案。但电荷泵存 在效率较低的缺点，为了实现高效率、低输入噪声，x d 3 3 1 3 采用了如图2 1 1 所示 的一种优化的电荷泵并联l e d 驱动方案，即电压源加电流源驱动方案。 v i c ic 2 图2 11 电压源加电流源驱动模式 这种驱动方案集合了上述四种电荷泵驱动方案的优点。并且由于在芯片内部 设计了一个电流源，使x d 3 3 1 3 在输出一个稳定的电压v o u t 的同时，还将输出一个 稳定的电流i o u t 。v o u t 与i o u t 共同驱动l e d ，不仅可以保证l e d 发光亮度的一致， 提升l e d 的发光亮度，而且将大大提高电荷泵的工作效率。 第三章x d 3 3 1 3 的系统设计 第三章x d 3 31 3 的系统设计 x d 3 3 1 3 主要用在由单节锂离子电池供电的便携式设备中，由于在便携式产品 中，一方面要求外围器件数目少，这样可以有效地减小体积；另一方面要尽量减 小e m i 。基于以上方面的考虑，最终选择电荷泵d c d c 转换器作为x d 3 3 1 3 的整 体设计结构，进行了系统设计。 3 1 系统功能及电特性指标 3 1 1 芯片的整体描述 x d 3 3 1 3 采用高效率自适应电荷泵d c 。d c 转换器架构，在电压外环和电流内 环的共同调节下，实现了芯片的高效率与低噪声。芯片能够在1 、1 5 和2 三种 工作模式之间自动切换；并内置可编程电流源，可以根据不同的用途来提供 2 0 0 m a 、6 0 0 m a 和8 0 0 m a 三种l e d 电流，因此适用于拍照手机及其它便携式照 明应用中的背光和闪光灯。2 9 v 到4 4 v 的输入电压范围使得x d 3 31 3 非常适合单 节锂电池供电的应用，在整个锂离子电池工作范围内可实现最高达9 2 的效率。 新颖的双环路反馈技术实现了低输入电流噪声控制和多种工作模式之问的自动切 换从而有效地提高了效率，延长了电池在便携式系统中的使用寿命。 内部的软启动电路阻止了在芯片启动和模式转换期间过大的涌入电流， 9 0 0 k h z 的开关频率确保可以使用较小的输出电容器。两个外部可编程电阻分别用 于闪光和背光模式的独立高和低电流设置。停机模式和电流输出值通过两个逻辑 输入引脚进行选择。 x d 3 3 1 3 仅需要两个可编程电阻和四个小陶瓷电容器就可以构成完备的l e d 电源和电流控制器，有效的减小了p c b 面积；同时无需电感器，大大减小了e m i 。 3 1 2 芯片的特点 结合以上描述，将芯片的特点归纳如下： ( 1 ) 可自动进行模式( 1 、1 5 x 、2 x ) 切换； ( 2 ) i l e d 电流的超低压降检测控制( 提高了效率) ； ( 3 ) 宽输入电压范围：2 9 - - 4 4 v ； ( 4 ) 输出电流可高达l a ； ( 5 ) l 模式下最高效率达9 2 ； ( 6 ) 低输入电流噪声，工作频率恒定； ( 7 ) 独立的背光照相l e d 亮度调节； ( 8 ) 具有l e d 的开路和短路保护； 1 6 高效率自适应背光与照相l e d 控制器的设计 ( 9 ) 停机电流低至2 5 衅； ( 1 0 ) 4 的l e d 电流匹配精度； ( 1 1 ) 自动软启动以限制浪涌电流； ( 1 2 ) # b 围电路仅需两个电阻和四个陶瓷电容器，无需电感，消除了e m i 问题； ( 1 3 ) 3 m m x 4 m m1 2 引脚d f n 封装。 3 1 3 芯片的应用范围 ( 1 ) 拍照手机 ( 2 ) 数码相机 ( 3 ) p d a d s c 的多l e d 照明灯电源 3 1 4 芯片的封装结构和引脚描述 x d 3 3 1 3 一共有1 2 个引脚，采用d f n 的封装形式，如图3 1 所示。引脚描述如下： c 1 p 、c 2 p 、c 1 n 、c 2 n ：电荷泵跨接电容器引脚。在引 脚c 1 p 与c 1 n ，c 2 p 与c 2 n 之间接2 2 9 f 的多层陶瓷电容。 c p o ：电荷泵的输出。需要在c p o 和地之间接一个4 7 9 f 的多层陶瓷电容。 i s e t l 、i s e t 2 ：l e d 电流设置引脚。该引脚电压为1 3 2 v 。 通过引脚i se t l i s e t 2 与地之间的编程电阻来调节高低电流模 式下输出电流的大小。若引脚接入的电阻小于2 k f 2 ，将使芯 片过流关断。 i l e d ：l e d 电流源输出，l e d 连接在c p o ( i j n 极) 和i l e d ( 阴 极) 之间。流入引脚i l e d 的电流由引脚e n l 和e n 2 的输入电平， i s e t i 、i s e t 2 和地之问的编程电阻来设置。 c l n g n d c 2 n v i n e n 2 e n l 图3 1x d 3 3 1 3 的封装结构 以及连接在引脚 e n l 、e n 2 输出l e d 电流模式选择引脚。当e n l = 0 ，e n 2 = 0 时，芯片进入 停机模式；当e n l = l ，e n 2 = 0 时，选择低电流模式( 2 0 0 m a ) ；当e n l _ o ，e n 2 = i 时，选择高电流模式( 6 0 0 m a ) ；当e n i = i ，e n 2 = 1 时，选择高+ 低电流模式( 8 0 0 m a ) 。 g n d ：接地引脚。 3 1 5 芯片的最大额定指标 x d 3 3 1 3 的最大额定指标见表3 1 表3 1绝对最大额定值参数表 名称 绝对最大额定值名称绝对最大额定值 v i n ，c p o 至g n d0 3 v 5 5 ve n l e n 2 - 0 3 v - - - ( v i n + 0 3 v