（物理电子学专业论文）一款cmos大功率led驱动芯片的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大功率l e d 作为第四代电光源取代传统的照明光源已成为主要趋势。作为半导体 照明产业的重要配套产业，大功率l e d 驱动控制电路同样引起了业界的重视。 本论文设计了一款基于c m o s 工艺的大功率l e d 驱动控制芯片。该芯片主要设计 指标如下：输入电压5 v ，输出平均电流稳定在3 5 0 m a ；在输入电压4 5 v 5 5 v ，工作温 度o 到1 0 0 范围内，输出平均电流波动小于5 。 该大功率l e d 驱动控制芯片的核心电路包括电流源偏置电路、基准源、误差放大 器、三角波发生器、同相放大器、滤波电路、比较器及其控制电路。这几部分电路模块 构成电压负反馈结构，实现了芯片的恒流驱动控制功能。为了保证电路正常工作，还推 荐了一种该芯片的外围电路( 包括采样电阻及功率管) 。实际应用中可以根据需求改变 外围电路功率开关管宽长比的比例关系来实现不同的恒流输出。 基于无锡上华半导体公司的0 5 1 u nc m o s 工艺。采用c a d e n c e 软件和h s p i c e 软件 实现了电路设计与仿真。采用m e n t o r 的集成工具i cs t a t i o n 和c a l i b r e 给出了版图设计 和验证。仿真结果表明，该驱动芯片能够输出p w m 信号，恒流驱动功能已经实现。论 文最后提供了一种该芯片的测试方案。 关键词：l e d 驱动控制芯片；电源芯片；基准电压源；集成电路 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no f ah i g h - p o w e rl e dd r i v e c h i pb a s e d o nc m o s t e c h n o l o g y a b s t r a c t a saf o u r t h g e n e r a t i o nh i g h - p o w e rl e dl i g h ts o u l c 2t or e p l a c et h et r a d i t i o n a le l e c t r i c l i g h t i n gh a sb e c o m eam a j o rt r e n d a sa ni m p o r t a n ts u p p o r t i n gi n d u s t r i e so fs e m i c o n d u c t o r l i g h t i n gi n d u s t r y , h i g h - p o w e rl e dd r i v e rc o n t r o lc i r c u i ta l s oa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no ft h e i n d u s t r y t h i sp a p e rd e s i g n e dah i g h p o w e rl e dd r i v e rc o n t r o l l e rb a s e d0 1 1c m o st e c h n o l o g y t h em a i nd e s i g nt a r g e t so ft h ec h i pa lea sf o l l o w s ：w h e nt h ei n p u tv o l t a g ei s5 v ，t h ea v e r a g e o u t p u tc u r r e n ti ss t a b i l i z e da t3 5 0 m a w h e n t h ei n p u tv o l t a g er a n g ei sf r o m4 5 vt o5 5 va n d t h et e m p r e t u r er a n g ei sf r o m0 ct o1 0 0 c ，t h ef l u c t u a t i o no fa v e r a g eo u t p u tc u r r e n ti sl e s s t h a n5 t h ec o r ec i r c u i t so ft h eh i g h - p o w e rl e dd r i v ec o n t r o l l e ri n c l u d e sc u r r e n ts o t i c eb i a s c i r u i t ，r e f e r e n c es o u r c e ，e r r o ra m p l i f i e r ，t r i a n g l e w a v eg e n e r a t o r ，i n p h a s ea m p l i f i e r ，f i l t e r c i r c u i t 、c o m p a r a t o ra n dc o n t r o lc i r c u i t t h e s ec o r ec i r c u i t sc o n s t i m i t ean e g a t i v ef e e db a c kp a r t o ft h ec i r c u i ts t r u c t u r et oa c h i e v et h ef u c t u i o nt h a to u t p u ti sac o n s t a n tc u r r e n t i no r d e rt o e n s u r et h ec i r c u i tt ow o r k , t h ep a p e ra l s or e c o m m e n d e dap e r i p h e r a lc i r c u i t so ft h e c h i p ( i n c l u d i n gt h es a m p l er e s i s t a n c ea n dp o w e rm a n a g e m e n t ) a c c o r d i n gt od e m a n d ，w ec a n c h a n g et h er a t i or e l a t i o n s h i po fw i d t ha n dl e n g t ho f t h ep o w e rs w i t c hi nt h ee x t e r n a lc i r c u i tt o a c h i e v ead i f f e r e n to u t p u tc o n s t a n tc u r r e n t b a s e do i lc s m c s0 5 岬t e c h o n o l o g y , 1 l q cc a d e n c es o f t w a r ea n dh s p i c 宅s o f t w a r et o i m p l e m e n t et h ec i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o n u s em e n t o rt o o l si cs t a t i o na n dc a l i b r et o d e s i g na n da u t h e n t i c a t et h el a y o u t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eo u t p u tp w m s i g n a lo ft h e d r i v e rc o n t r o l l e rc h i pi sa c h i e v e da n dt h eo u t p u tc u r r e n ti sc o n s t a n te x l u a l tt o35 0 m a f i n a l l y t h ep a p e ra l s op r o v i d e sat e s tp r o g r a mf o rt h ec h i p k e yw o r d s ：l e dd r i v e rc o n t r o l l e rc h i p ；p o w e rs u p p l yc h i p ；v o l t a g e r e f e r e n c e ：i n t e g r a t e dc i r c u i t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：二盏丝坠趔垒丝2 墨竺翌查堡坐! 型 作者签名：差= 2 整整日期：垄2 年丝月笙日 大连理工大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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：二赵丝堡奎丝垒堡2 丝墨主查复塑! 缉 日期：丝年丝月笪日 日期： z ! z 年笠月盟一日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 l f ：d 的发展历程 l e d 即发光二极管，是一种固态半导体器件，可以直接将电转换为光。它利用固体 半导体芯片做为发光材料，当其两端加上正向电压时，半导体中的载流子复合，放出过 剩的能量，引起光子发射，产生可见光。 1 9 6 2 年，何仑亚克( n i c k h o l o n y a k j r ) 开发了第一种具有实用性的l e d 。后来相 继开发出了红色、橙色、黄色、绿色、蓝色l e d 以及白光l e d 等。红色、橙色、黄色、 绿色、蓝色l e d 都已经有数十年的发展历史了，而白光l e d 是最近才发展起来的【1 1 。 早期l e d 发光效率很低，只适合应用在室内，家电，仪器仪表，通讯设备等方面。 1 9 9 3 年，日本科学家中村秀二用稼合物制造出蓝光l e d 2 1 ，对l e d 的发展起了决定性 的作用。无论红色、橙色、黄色、绿色、绿色还是蓝色l e d 均是单色的l e d ，发出的 都是单色光，如果让它们做光源的话，被照物将不会是物体本身的颜色，所以不适合应 用到照明领域。但是随着蓝色l e d 的发明，通过蓝光l e d 得到白光l e d 的方法很快 在1 9 9 7 年被发明出来。白光l e d 构造简单、成本低廉、技术成熟度高且白光又为复合 光。从此白光l e d 产品被广泛应用于各个领域，并且被认为是未来的照明光源【3 】。 现在白光l e d 的发展己经达到了一个很高的程度，尤其白光l e d 作为光源具有使 用电源电压低、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短等特点，白光l e d 己经被 广泛用作灯泡、霓虹灯和光管的最理想的代替物。随着白光l e d 的进一步发展，被赋 予“第四代光源 的白光l e d 将完全代替传统光源，使人类的未来更加光明【4 】。 l e d 按不同的分类方法可以分成不同的类型。 按发光颜色可分为白光l e d 、红光l e d 、黄光l e d 、橙光l e d 、绿光l e d 、蓝光 l e d 、黄绿光l e d 、橙红光l e d 。 按亮度划分，可分为一般亮度l e d ( 发光强度 1 0 0 m c d ) 。 按光面特征分，可分为圆形灯、方形灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用 微型管等。 按发光强度角分布图来分，可分为高指向性( 可作局部照明光源) 、标准型( 通常 做指示灯用) 和散射型( 通常做视角较大的指示灯) 。 按波长分，可分为可见光l e d ( 3 8 0 - - 7 8 0 n m ) 和不可见光l e d ( 用于红外线遥控器 的l e d 的波长为8 5 0 9 5 0 n m ，用于光通信光源的l e d 的波长为1 3 0 0 1 5 5 0 n m ) 。 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 按结构划分可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装 等类型。 按功率大小可分为普通功率( 小功率l e d ) ( 功率一般为0 0 5 w ，电流小于2 0 毫 安) 、大功率l e d ( 功率可为l w ，2 w 甚至几十瓦，电流几十毫安到几百毫安) 。 1 2 l e d 在照明领域的应用 现代灯泡即白炽灯价格虽然便宜，但是效率很低，只有约5 的能量能转化为光， 其它的能量都转化成热量，非常浪费的散发掉了，而且每工作达1 0 0 0 小时就需要更换 一次。 在不更换电灯配件的情况下，荧光灯成了最便宜的替代品，荧光灯就是我们常说的 节能灯，可以节省7 5 左右的电能，而且使用寿命也增加到白炽灯的1 0 倍，但是荧光 灯也有它的缺点： 一是价格比较高，每只要3 美元左右； 二是光线质量比较差，不是人们已经习惯的白炽灯光谱： 三是荧光灯不适合应用在短时间使用的场合，因为荧光灯要达到最亮需要一定的时 间； 四是荧光灯有可能对人体的健康够成危害。荧光灯的灯光会闪烁，可能引发癫痫发 作，而且质量差的荧光灯可能出现紫外线辐射泄露，引发癌症。 目前白炽灯的最好的替代品是l e d ，它可以通过调节半导体的特性来调节合适的光 色，而且不释放紫外线和热量。其节电率有望高达8 0 ，工作寿命足有4 5 0 0 0 小时 5 】o 2 0 世纪以来，由于以氮化镓为基础的白光二极管( l e d ) 的出现，使照明光源的革命初现 端倪。与传统的白炽灯相比，白光l e d 具有节能、环保、耐候性好、发光效率高、显 色指数高、响应速度快、体积小、工作寿命长和启动时间短等突出优点【6 1 ，因此被称做 是第四代照明光源。主要应用在交通讯号显示光源，汽车工业，l e d 背光源等。除了上 述应用以外，目前已逐渐将白光l e d 应用在照明领域。综上所述，l e d 较其他照明方 式都有着更大的优势。目前应用白光l e d 作为照明光源已经成为了一种不可阻挡的趋 势【7 1 。 通过之前的介绍我们知道l e d 又分大功率l e d 和小功率l e d 两种。而l e d 照明 的核心是大功率l e d 8 1 。小功率l e d 虽在照明领域也被应用，但小功率l e d 在照明领 域的应用有着明显的局限性：1 、小功率l e d 的亮度小，所以需要的数量多；2 、光衰 性强；3 、安装成本高等。而大功率白光l e d ( 大于2 0 m a ) 照明除了克服了上述小功 大连理工大学硕士学位论文 率l e d 的缺点外还具有节能、环保、寿命长等优点，是目前替代传统光源的新一代光 源【9 1 。 l e d 的连接方式可分为以下几种： ( 1 ) 全部采用串联的连接方式。如图1 1 所示。 戳卜卜卜h 融 uul功 图1 1 串联连l e d 原理图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e r i e sc o n n e c t e dl e d 采用串联连接方式的l e d ，通过每个l e d 上的电流都是相等的，所以l e d 的亮度 应该是一致的，但是如果当l e d 的一致性较差时，分配在不同的l e d 两端的电压会不 同，如果其中一个l e d 因为品质问题或其他原因短路的话，那么分配在剩余的l e d 两 端电压将会升高，通过l e d 的电流将会增大，容易导致余下的l e d 也损害。采用串联 连接方式的l e d 一般需要较高的驱动电压。 ( 2 ) 全部采用并联的连接方式。如图1 2 所示。 l e d 图1 2 并联连l e d 原理图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f p a r a l l e lc o n n e c t e dl e d 采用并联连接方式的l e d ，其两端电压相等。如果采用恒压驱动即使有一个l e d 因为品质不好或是其他原因断开了，也不会影响其他的l e d 正常工作，如果采用恒流 驱动，那么分配到余下的l e d 的电流就会增加，也有可能使剩下的l e d 灯损坏。其缺 点是，如果l e d 的一致性不好，则通过各l e d 的电流不等，各l e d 的亮度也不均。 该连接方式要求驱动器能提供较大的驱动电流。 ( 3 ) 采用混联的连接方式。如图1 3 所示。 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 图1 3 混联l 印原理图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fm i xc o n n e c t e dl e d 通过以上分析，我们可以看到无论是全部采用串联的连接方式还是全部采用并联的 连接方式都存在一定的弊端。串联连接方式需要驱动器提供较大的驱动电压。全部采用 并联的连接方式需要驱动器提供较大的驱动电流。为了解决上述问题，可以采用混联的 连接方式。将所有串并联的l e d 平均分配如图1 3 所示。则通过每串的电流几乎相等， 加在每串的电压也几乎相等。但是无论是恒流驱动还是恒压驱动，如果有一个l e d 因 为某些原因断路或短路，都会影响其他的l e d 。解决方法就是尽可能多的并联l e d ， 使得断开某一颗l e d 后，分配给余下l e d 的电流并不是很大，以保证剩下的l e d 能 正常工作10 1 。 1 3l e d 的驱动 由于半导体照明在照明领域有如此优势，作为半导体照明的重要配套产业也同样引 起了业界的重视。目前大多数照明用的l e d 驱动电路是由分立元件组成的，存在体积 大、发热量高、输出电流稳定性差、性能不理想等缺点。所以目前如何设计和制造一种 集成度高、体积小、发热量低、稳定性好且又适合大功率l e d 的驱动电路，已经成为 广大集成电路设计工程师最为关注的问题之一。 常用于照明l e d 驱动的电源管理芯片包括低压差稳压器( l d ol i n e a rr e g u l a t o r s ) ， 基于电感器储能的d c d cc o n v e r t e r s ( i n d u c t o rb a s e ds w i t c h i n gr e g u l a t o r s ) ，基于电容 器储能的电荷泵( c h a r g ep u m p s ，s w i t c h e dc a p a c i t o rr e g u l a t o r s ) ，电池充电管理b a t t e r y c h a r g e r s ，锂电池保护l i t h i u mb a t t e r yp r o t e c t i o n 。 低压差稳压器l d o 属于简单的线性稳压器，它只能把输入电压降为更低的电压。 具有稳压性好，输出纹波电压很小的优点。但缺点是必须使用笨重的工频变压器与电网 进行隔离，而且损耗大，其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。致使电源的 体积和重量大、功率低【l l 】。如图1 4 所示。 大连理工人学硕士学位论文 图1 4l d 0 线性低压著稳压器 f i g 1 4l d ol o w - d r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r 2 0 世纪6 0 年代，取代线性调节器的开关式d c d c 升降压稳压器开始应用。它将 快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节晶体管的通断时间来控制输出直流 电压的平均值。此平均值电压由宽度可调的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流 输出电压1 1 2 】。线性稳压器与开关稳压器的性能比较如表1 1 。 开关电源有两种控制方式：是保持开关工作周期不变，控制开关导通时间的脉冲 宽度调制( p w m ) 方式；另一种是保持导通时间不变，改变开关工作周期的脉冲频率 调制( p f m ) 方式。开关电源一般都由两部分组成：一是功率主回路，二是控制回路【1 3 j 。 p w m 调制方式因其有电路简单、控制方便等优点得到广泛应用，故本设计的驱动 控制芯片采用p w m 调制方式i l 制。 p w m 开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压变化，内部参数变化， 外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调 节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳 定。 p w m 开关电源按其反馈类型分又可分为电压控制模式和电流控制模式两种。 电压控制模式的基本原理是把误差放大器输出信号与一频率固定的三角波进行比 较，产生脉冲宽度可调节的p w m 信号。其原理图如图1 5 所示。工作原理为：由于外 界某种原因，采样信号发生变化，则它与基准电压的差值经误差放大器放大后也会变化。 该误差放大器输出信号与振荡器发出的频率恒定的三角波比较，生成具有一定脉冲宽度 的p w m 信号。该p w m 信号的脉冲宽度随采样信号的变化而变化( 即通过外界环境进 行调节) 。p w m 信号的脉冲宽度控制输出能力的大小。当负载需要能量变大时，p w m 信号的脉冲宽度变大，功率开关管的导通时间变大，从而维持输出恒定。反之，当负载 需要的能量变小时，p w m 信号的脉冲宽度变小，功率开关管的导通时间变小。整个开 一款c m o s 人功率l e d 驱动芯片的设计 关电源只需要一个反馈信号来实现一个负反馈系统，从而维持输出恒定。电压控制模式 开关电源的优点如下： ( 1 ) p w m 三角波的幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量； ( 2 ) 方波脉冲的占空比调节不受限制； ( 3 ) 对于多电路输出电源，它们之间的交互调节效应更好； ( 4 ) 单一反馈电压闭环设计，调试比较容易； ( 5 ) 对输出负载变化有较好的调解作用l l 引。 图1 5电压型p w m 开关电源原理图 f i g 1 5vo l t a g e t y p ep w ms w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys c h e m a t i c 基于以上优点，本文的芯片设计采用电压型控制模式。 表1 1 线性稳压器与开关稳压器的比较 t a b1 1l i n e a rr e g u l a t o r sa n ds w i t c h i n gr e g u l a t o r sc o m p a r i s o n 0 l 1 t 另一方面，在开关电源d c d c 变换器中，由于输入电压或输出端负载可能出现波 动，所以保持平均直流输出电压能够控制在所要求的幅值偏差范围内，就需要复杂的控 大连理t 大学硕士学位论文 制技术，于是各种p w m 控制结构的研究便成为研究的热点。目前单片集成的l e d 电 源管理芯片已经成为主要趋势，使得电源产品体积小、可靠性高，带来了极大的方便。 在这样的前提下，设计开发开关电源d c d c 控制芯片，无论是从经济上，还是从 科学研究上都是很有价值的。 1 4 本文主要工作 本论文共分六部分，各部分内容如下： 第一部分是绪论，主要介绍了课题研究背景。简要介绍了开关电源的电路，开关电 源的分类，以及l e d 的连接方式； 第二部分对本论文芯片的设计进行整体的介绍； 第三部分是芯片各个子模块的设计和仿真； 第四部分对整体电路进行仿真和分析； 第五部分是版图设计与布局，进行了版图设计和验证； 第六部分为结论部分，对本设计做总结与展望。 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 2 芯片原理及顶层结构的搭建 2 1 主要设计要求 ( 1 ) 工艺为上华o 5um n 阱c m o s 标准工艺； ( 2 ) 采用电压型p w m 控制方式； ( 3 ) 采用串联l e d 驱动方式； ( 4 ) 功率管外接，控制部分电压为5 v ； ( 5 ) 平均电流恒定在3 5 0 m a ，调制频率为1 0 k h z ，通过选择适当的外接功率管， 平均电流可恒定在7 0 0 m a t ( 6 ) 当电源电压波动1 0 的时候，l e d 上的平均电流波动控制在5 之内； ( 7 ) 当环境温度从0 。c 变化到1 0 0 。c 的时候，要求l e d 上的平均电流波动控制在 5 之： 2 2 本设计的工作环境 设计环境如下：硬件方面：w i n d o w sx p 操作系统的p c 机和s u n 工作站。软件方 面：电路设计工具是c a d e n c e 的c o m p o s e r 设计工具；仿真工具是h s p i c e ，在论文中出 现的所有仿真图均为h s p i c e 仿真波形；版图设计工具采用m e n t o r 下的i cs t a t i o n ，论 文中所有出现的版图均为m e n t o r 下的i cs t a t i o n 工作台下绘制的版图。版图验证工具采 用m e n t o rc a l i b r e 系列( c a l i b r ed r c ，l v s ，x r c 等) 。流片工艺为无锡上华的0 5 i _ t m 6 s 0 5 d p t m s t 2 1 0 0 工艺。 2 3 顶层结构的搭建 2 3 1芯片结构图以及引脚介绍 根据要求本设计的系统框图如图2 1 所示，外部引脚五个，各引脚的介绍如下： p w m ：p w m 信号的输出端，通过改变p w m 信号的占空比可以调整系统输出电流 的大小； v d d ：电源引脚，接5 v 电源电压，作为芯片的输入； a 奶：接地引脚； e n ：使能输入引脚，高电平有效。该引脚不用时可以连在v d d 引脚上； s a m p l e ：用来提取采样电压，构成反馈回路。 大连理工人学硕士学位论文 2 3 2 芯片模块的简述 本文设计的各模块电路的功能说明如下： ( 1 ) 带隙基准电压源( v r e f ) ：带隙基准电压源模块用于向其它电路模块提供基 准电压并为振荡器提供比较门限电压； ( 2 ) 电流源偏置电路( b i a s ) ：为其它电路提供偏置，为振荡器提供一个不随电 源电压变化的电流源； ( 3 ) 振荡器电路：用来为整个系统提供频率精确恒定的三角波； ( 4 ) 同相放大器电路：用于放大采样电压； ( 5 ) 无源滤波电路：用于提取出同相放大器输出信号的直流值； ( 6 ) 误差放大器：用于放大无源滤波电路输出信号与基准源信号的差值； ( 7 ) 迟滞比较器：将误差放大器的输出信号与频率恒定的三角波信号进行比较放 大，生成具有一定脉冲宽度的p w m 信号； ( 8 ) 采样电阻：用于获取电压采样信号； ( 9 ) 功率管：用于功率放大。 、叻心l d s 怂i l e e np 骶l 图2 1 芯片管脚图 f i g 2 1 ch i pp i nd i a g r a m 2 4 芯片的工作原理 本文所设计的p w m 调节方式电压型驱动控制芯片适用于降压( b u c k ) 型d c d c 开关电源。提供大电流3 5 0 m a ( 或更大) 的恒流驱动，特别适用于驱动大功率l e d 。可 以通过更换外接功率管，改变其宽长比的比例关系实现不同的大电流驱动，方便灵活。 由于采用恒流输出，能够很好的保证l e d 发光强度的一致性，从而保证l e d 的发光质 量。其芯片的整体功能框图如图2 2 所示。 一9 一 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 图2 2 整体功能框图 f i g 2 2 t h ew h o l ef u n e t i o nf r a m e 如上图所示，n m o s 管q j ，q 2 和采样电阻尺3 均为外围电路。可根据实际要求改变 q ，和q 的宽长比的比值来实现不同电流的恒流输出，前提是保证流过采样电阻的电流 控制在2 m a 左右。 整个芯片的工作原理是：由于要实现大电流驱动，而标准c m o s 工艺不能承受如 此大电流。所以先要通过外围电路的功率管将电流变小，本例采用1 7 0 1 。经过功率管 转换后的电流为采样电流，这个电流很小，可经采样电阻r 3 转换为采样电压。于是采 样电阻将采样信号送到芯片内。由于采样信号很小，该信号必须经同相放大器放大后才 能被后续电路处理。同相放大器将采样信号放大后的信号仍为脉冲信号，无法与基准电 压进行比较，需经无源滤波电路将采样放大信号的直流成份提取出来，用于与基准源的 基准电压进行比较。两者之间的差值再经过误差放大器放大，放大后的结果再与振荡器 产生的三角波进行比较后，最终产生p w m 信号。如前面介绍，p w m 信号的脉冲宽度 大小控制功率管导通时间的长短。例如由于某种原因( 电源电压不稳定或温度变化时) ， 流过l e d 的电流的平均值变大，则采样电压增大。采样电压经无源滤波器后输出值同 样变大。误差放大器将无源滤波器的输出与基准电压的差值放大，误差放大器的输出电 压也增大。因此误差放大器的的输出与频率恒定的三角波经过比较器比较后，输出的 p w m 脉冲信号的脉冲宽度减小。由于外接功率管为n 管，所以功率开关管的导通时间 变短即输出电流的脉冲宽度变短，从而使输出电流的平均值恒定，反之亦然。 大连理工大学硕士学位论文 通过芯片原理图，可以看出，如果误差放大器的增益足够高，则误差放大器的同相 端输入信号( ，) 与误差放大器反相端输入信号近似相等，假设同相放大器的增益为 山，则采样电压为v r e a v ，若外接功率管的宽长比的比为1 7 0 1 ，则 1 矿 ，：二型一1 7 0 ( 2 1 ) 1 缚彳，尺枷 通过选择适当的，彳，和凡呷如的值，使输出电流恒为3 5 0 m a ，通过模拟仿真， 取，值为0 8 5 v ，a ，取1 3 。 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 3 各子模块电路的设计和仿真 3 1同相放大器的电路设计与仿真 由于采样信号幅值太低，不适合下级电路处理，所以要对该采样信号进行放大，于 是本文需要设计一同相放大器来实现这一功能，其原理图如图3 1 所示。 c l 图3 1 同相放大器的原理图 f i g 3 1 s c h e m a t i co fh y s t e r e s i sc o m p a r a t o r v o u t 其中c ，的作用是密勒补偿，将其放在放大器模块外部以便后来整体电路仿真过程 中对c ，进行不断的修改，以防止脉冲尖峰。本同相放大器的增益公式由式3 1 给出。 妒告5 警 1 ) 通过3 1 式可以看到，只要调节好( r ，根2 ) 和尼的比，就可以使同相放大器达到 要求的增益。而且我们知道，在c m o s 工艺里，即使应用各种匹配技术也很难将电阻 做得很精确，但是电阻的比值是很容易做到精确的。 为了能得到性能良好的同相放大器，本设计中的同相放大器采用的运放为折叠式共 源共栅放大电路，其晶体管级电路图如图3 2 所示。从图3 2 我们可以看到，折叠式共 源共栅运算放大器用共源共栅输出级与一个不寻常的差分放大器级联，达到一个大的输 入共模范围，所以折叠共源共栅运算放大器可以提供自补偿、良好的输入共模范围、较 大的输出电压摆幅以及两级运算放大器的增益。折叠共源共栅运算放大器跟套筒式共源 共栅放大器相比，有较大的功耗、较低的电压增益和较高的噪声，但是由于折叠式共源 共栅结构的输入和输出能够短接，且输入共模电平更容易选取，所以还是选用了折叠式 共源共栅结构来实现本模块的功能。 大连理工大学硕七学位论文 图3 2 同相放大器的电路结构图 f i g 3 2 s c h e m a t i co f h y s t e r e s i sc o m p a r a t o r 下面我们来分析折叠共源共栅电路的增益。如图3 2 所示，m ，飓，乃，n ，b ， n 可以暂看作理想电流源。只要选取适当的d 和m 的偏置电压，输出电压摆幅的低端 为v o d n 2 - f v o d n 3 ，高端为v d d ( i v o d p s i + i v o d p s l ) 。因此，运放的每一边的峰峰值摆幅为 v d d - ( v o d n 2 + v o d n 3 + i v o d p s l + l v o o p s l ) 。 采用半边电路的方法，折叠共源共栅放大器的小信号电压增益 m v i g m p l ( g m n 2 + g m b n 2 ) r o n 2 ( r o p ll ir o n z ) 川 ( g m n 5 + g m b n s ) r o p s r o e 3 。c i ，r i 为频率补偿电 路，使得运放的相位欲度大于6 0 。，避免产生振荡。其仿真波形如图3 3 。 一 印 名、 子柚1 l 鼍 o 啦 。jr 且a - 1 泅 哪 、 i 加1 nmh 嗍1 黯咄)1 i嫩1 啦! 1 0 一。 、 、0b - 、一 毒： 薹 j 茎柚j l l 图3 3 共源共栅放大器的仿真波形 f i g 3 3 c 嬲c o d ea m p l i f i e rs i m u l a t i o nw a v e f o r m s 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 未加密勒补偿时的同相放大器仿真波形如图3 4 。我们可以看到有严重的脉冲尖峰。 z i i t 2 2 2 l 。 i 童 di 鲁 i2 耋i 帆 m 撕 0 ；l 赢赫赫矗赢诫赢斌赢l ： t l - a i ) f i n e ) 图3 4 密勒补偿同相放大器的仿真波形 f i g 3 4 t h es i m u l a t i o nw a v e f o r m sw i t ht h ep h a s ea m p l i f i e rb e f o r em i l l e rc o m p e n s a t e d 进行密勒补偿后的同相放大器仿真波形如图3 5 。我们可以看出性能有了很大的改 善，脉冲尖峰现象已克服。 i1 剖t 出血 )( v 01o o u2 0 0 u3 0 0 u4 0 0 u5 0 0 u6 0 0 u7 0 0 u8 0 0 u 8 0 0 u 18 1 t i m e ( 1 i n ) ( 7 1 m e ) 图3 5 密勒补偿后同相放大器的仿真波形 f i g 3 5 t h es i m u l a t i o nw a v e f o r m sw i t ht h ep h a s ea m p l i f i e ra f t e rm i l l e rc o m p e n s a t e d 3 2 滤波电路的设计与仿真 经过同相放大器放大后的信号为脉冲信号，不能与基准电压进行比较，需提取其平 均值，所以本文设计了一个二阶的无源低通滤波器来实现该功能。该无源低通滤波器由 2 ， m m m m 0 佗 ， 咖 咖 咖 咖 o 8 b 4 2 (u|o=o 大连理工大学硕士学位论文 电阻和电容构成，与有源滤波电路相比无源滤波电路具有稳定性好，容量大的优点。它 可以把脉冲电压信号中的平均电压提取出来，该平均电压的值为脉冲电压的峰值与占空 比的乘积。具体的电路中使用两级无源r c 滤波电路，构成如图3 6 所示，能够比较准 确将直流部分提取出来，且输出端纹波较小。 图3 6 滤波电路原理图 f i g 3 6 f i l t e rc i r c u i ts c h e e t i c 经过计算及仿真，仿真波形如图3 7 所示。r o = r ，= 2 0 0 kq ，电容c o = c ，- - 9 5 n f ，输入 端输入一个峰值为1 5 v ，占空比5 0 且频率为1 0 k h z 的脉冲信号，输出端的输出信号如 图3 7 。从仿真结果看，滤波电路能够比较准确地提取输入脉冲的平均电压，仿真时的 输出电压为7 5 0 2 m y ( 理论值为7 5 0 m v ) ，精度可达0 3 ，纹波只有0 1 m v 。由于电容偏 大，所以反应速度有点慢。其纹波电流放大图如图3 8 所示。 1 - n 一1m j n 一一， l z 6 0 0 m ： l 藿”j | 摹。l g o mj 。 f- l i l r s , m - 6 - k i m1 “i 6 m i m j 6 m 。m j m i m 。j m 瓣( 品考0 。毒磐7 0 m 7 a 6 me 图3 7 滤波电路仿真波形 f i g 3 7 f i l t e rc i r c u i ts i m u l a t i o nw a v e f o r m 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 7 5 嗡 p 鲁瑚2 一 7 孤1 铀 斗- t l + - - 7 2 惦_ 7 2 1 - 7 2 1 钠陀加7 z 踟7 z 抽7 约辄7 2 翩4 5 m7 2 5 m7 2 5 辄7 z 聃7 z 翻7 27 m7 27 5 憎7 2 加7 2 舾m7 z g m7 2 蛎m 伽0 t n ) m 悃 图3 8 滤波电路仿真波形放大图 f i g 3 8 f i l t e rc i r c u i ts h n u l a t i o nw a v e f o r me n l a r g e m e n t 3 3 高精度基准电压源模块的设计与仿真 经滤波器提取出的采样电压信号需要与一基准电压进行比较产生p w m 信号，为此 需要设计一个可以产生与环境温度、电源电压都无关的带隙基准电压源模块。其性能好 坏直接影响芯片的整体性能，本文设计的高精度基准电压源模块由基准源，误差放大器， 调整元件和分压电阻几部分组成，其结构框图如图3 9 所示【1 6 1 。 亨 图3 9 基准源电压源模块结构框图 f i g 3 9 r e f e r e n c es o u r c ev o l t a g es o u r c em o d u l eb l o c kd i a g r a r a 大连理工大学硕士学位论文 3 3 1 基准电压源原理 基准电压源为误差放大器提供基准电压。基准电压源一般采用带隙结构，因为这种 基准电压源能够工作在较低的电源条件下，并且有较高的精度和热稳定性【1 7 】。 ( 1 ) 基准电压源 双极晶体管的基极一发射极电压或者更一般的说，p n 结二极管的正向电压，具有负 温度系数【18 1 。对于一个双极型器件： 一f ，。= b t 4 + 艉e x p 羔 ( 3 2 ) 。 一船 = y r i n ( l l ) ( 3 3 ) 其中b 是一个比例系数。对r 进行求导，我们可以得到： 丝：v z - ( 4 + m ) v r - e g q a 丁丁 ( 3 4 ) 由式3 4 我们可以看出在给定温度下基极一发射极电压的温度系数：当 - 7 5 0 m v v7 = 3 0 0 k 时，等- - 1 5 m v k 。 如果两个二极管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极一发射极电压的差值 就与绝对温度成正比，即具有正的温度系数。如图3 1 0 两个同样的晶体管( 尽，= 岛) 偏 置的集电极电流分别为幽和而并忽略它们的基极电流，那么 ：l 一2 ：巧h l 粤一巧h l 乒：1 i l 刀 ( 3 5 ) s l s 2 这样v s f 的差值就表现出正温度系数： 丝鳌：生l i l 甩( 3 6 ) 刃。 g 带隙基准的原理就利用上面得到的带正温度系数和负温度系数的电压，设计出一个 令人满意的零温度系数的基准电压。我们有： 巧泖= 口l + 口2 ( i n n ) ( 3 7 ) 在这里我们可以令口。：1 ，选择吃i n n 使得簪：0 ，得口2l n 1 7 2 ，表明零温 度系数的基准为+ 1 7 2 巧1 2 5 v 。 图3 1 0 为传统的带隙基准电路，q 与q ，集电极电流相等。运算放大器强制所和 陀的电压相等，一般选取r ，嘲2 。 一款c m o s 大功率l e d 驱动芯片的设计 图3 1 0 传统的带隙基准 f i g 3 1 0 s c h e m a t i co f t h et r a d i t i o n a lb a n d g a pr e f e r e n c e 。一2 = 巧i n n ，得到流过右边支路的电流为巧l n n r ，因此，输出电压为 = ：+ 与警( r 3 + r 2 ) = ：+ ( 巧i n n ) ( 1 + 惫) ( 3 8 ) 为得到零温度系数，必须使( 1 + 孚) 1 1 1 刀1 7 2 。我们可以选择适当的刀和了a 2 的 o ba 3 值来实现零温度系数，从而的值与温度变化无关。 3 3 2 本文基准电压源的设计和仿真 随着精度要求的不断提高，传统的一阶带隙基准电压源的温度特性不能满足更高的 性能要求，一般只能保持在1 0 p p m * c - 3 0 p p m 。g 之间。这是因为实际上双极型晶体管的 基极一发射极电压v s e 并不是随温度线性变化，所