（微电子学与固体电子学专业论文）电流模串并联式白光led驱动芯片设计.pdf

摘要 开关电源是稳压电源的主流产品。开关电源内部的调整管工作在开关状态， 即时通时断，其等效电阻很小，所以功耗很小，开关电源的效率可以达到普通线 性稳压电源的两倍多。开关稳压电源具有集成度高、外围电路简单、电源效率高 等优点，目前已逐步取代效率较低的线性稳压器，成为现代超大规模集成系统中 不可或缺的部分。 本文设计了一种宽范围输入、大电流输出的白光l e d 驱动芯片，可在串联 或并联方式下驱动白光l e d ，是一款基于p w m 调制方式的降压式开关稳压电源 芯片，采用的是电流控制模式，工作频率为8 3 k h z 。它包含了带隙基准模块、 锯齿波发生模块、电感电流采样和过流保护模块、误差放大模块、采样放大模块 和几个数字逻辑单元。本设计的仿真是基于c h a r t e r e d0 3 5 u r ne e 工艺库。 本文首先简要介绍了开关电源和白光l e d 。然后介绍了d c d c 开关电源的 原理，包括d c d c 驱动电路的拓扑结构、调制方式和反馈模式等。接着根据设 计的指标详细阐述了本次设计，包括整体电路和各子模块的分析，并运用c a d e n c e 综合仿真工具对整体电路和各子模块的各项指标和参数进行了仿真和分析。最后 还进行了整体电路功能仿真，仿真结果显示满足设计要求。本文最后还介绍了部 分模块的版图设计。 关键词：白光l e d 驱动电路d c d c 变换器p w m 电流模 a b s t r a c t s m s p ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) i st h el e a d i n gp r o d u c to fs t e a d yv o l t a g e s u p p l y t h ei n t e r n a ll a r g ep o w e rm o si ns w i t c hm o d ep o w e rs u p p l yo p e r a t e si n i n t e r m i t t e n ts t a t e ，i t se q u i v a l e n tr e s i s t a n c ei sv e r ys m a l l ，s oi tc o n s u m e sv e r yl i t t l e e n e r g y i t se f f i c i e n c yc a l lr e a c hn e a r l yd o u b l et h a to fn o r m a ll i n e a rs t e a d yv o l t a g e s u p p l y s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e sh a v et h ev i r t u e so fh i g h e ri n t e g r a t i o nl e v e l ， f e w e rc o m p o n e n t sn e e d e di na d d i t i o n a lc i r c u i t , h i g h e re f f i c i e n c y b e c a u s ei t sh i g h e f f i c i e n c y , i ti sn o wr e p l a c i n gt h el i n e a rs t e a d yv o l t a g es u p p l y , a n db e c o m i n ga n e s s e n t i a lc o m m o n p o r t i o ni nu l t r al a r g ei n t e g r a t e ds y s t e m t h i sr e s e a r c hi sa b o u taw h i t el e dd r i v e ri cw i t l lw i d er a n g ei n p u ta n dh i i g h c u r r e n to u t p u t t h i sc h i pc a ns u p p l yf o rs e r i a lo rp a r e l l e lw h i t el e d s t h i sc h i pi sa b u c ks w i t c hp o w e ri cb a s e d0 1 1t h ep r i n c i p l eo fp w mm o d u l a t i o nm o d e ，w o r k i n g u n d e rc u r r e n t m o d e i t sf r e q u e n c yi s8 3 k h z t h ec h i pi n c l u d e sb a n d g a p ，o s c i l l a t o r c i r c u i tf o rs a w t o o t hw a v e ，c i r c u i to fs a m p l ef o ri n d u c t a n c ec u r r e n ta l s of o ro v e r c u r r e n tl i m i t i n g ，e r r o ra m p l i f i e r , s a m p l e ds i g n a la m p l i f i e ra n ds e v e r a ld i g i t a ll o g i c u n i t s t h ep a p e ri n t r o d u c e ss w i t c hp o w e r , w h i t el e df i r s t ，a n dt h ep r i n c i p l eo fd c d c s w i t c hp o w e r , i n c l u d i n gt h e t o p o l o g yo fd c d cd r i v e r , m o d u l a t i o nm o d ea n dc o n t r o l m o d ea n ds oo n t h ed e s i g ni sf i n i s h e db a s e do nt h et a r g e t m yw o r ki n c l u d e st h e a n a l y s e sf o rt h ew h o l ec i r c u i ta n de v e r ys u b c i r c u i t , a n ds i m u l a t i o nf o rt h ew h o l e c i r c u i ta n de v e r ys u b c i r c u i tu s i n gc a d e n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e c i r c u i ts a t i s f i e sm yt a r g e t t h ee n do fp a p e ri s i n c l u d i n gt h el a y o u to fs o m e s u b c i r c u i t s k e yw o r d s ：w h i t el e dd r i v e r , d c d cc o n v e r t e r , p w i v i c u r r e n t - m o d e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞盔盘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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 第一章引言 第一章引言 照明是人类生活的基础，而电源则是照明的基础，可以说，人类社会各个方 面的发展都离不开电源产业的发展。 开关电源是一种使调整管工作在开关方式的稳压电源，它的特点是小型、轻 量和高效率，这种电源在各种电子设备中被广泛应用。但是这种电源目前在技术 上还有较大问题有待解决，是当今电子工程学中的一个需要攻克的大课题，所以 值得我们学习并深入研究。【l 】 目前，中国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大国和全球最大的移动 电话市场、第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第二大半导体市场。目前， 无线多媒体通信与计算机市场的迅猛发展使全球半导体市场迅速增长，同时也为 全球电源以及电源管理芯片市场的发展注入了一股强劲的增长动力。目前中国电 源管理芯片市场仍保持旺盛增长的势头，高于全球平均增长水平。 开关电源发展的趋势是为了满足市场对电源性能不断提高的要求，d c d c 模块电源开始向高效率、高功率密度、低压大电流、低噪音、良好的动态特性以 及宽输入范围等方向发展。目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度达到 1 8 8 1 m w ， 比传统的电源功率密度增大不止一倍，效率可超过9 0 ，随着微处 理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5 v 降到了现在的2 6 v 甚 至1 8 v ，业界预测，电源输出电压还将降到l v 以下。与此同时，集成电路所需 的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。【2 】 1 1 开关电源的定义 开关电源的说法是与线性稳压电源相对的，是随着线性稳压电源的发展而产 生的。当线性电源满足不了应用的要求时，开关电源便孕育而生。 开关电源( 如图1 1 所示) 是一种用控制信号使调整管以开关方式进行工作 的稳压电源。也就是说调整管工作在开启和通断两种状态。当开启时，调整管两 端的电压比较小，但通过它的电流比较大；当关断时，调整管两端的电压比较大， 但是却没有电流通过它，这样就大大降低了调整管损耗的功率。调整管由于开关 状态产生了脉冲，需要经过滤波电路才能得到恒定的直流输出电压。f 3 】 第一章引言 i 圈吉签il0 点0 士士乒复i l 哕! j 芷置n 惦戗吧瑁i 整流 一 滤波 脉冲调宽h 比较放大+ l - 取样电路卜 电路 十 l 基准电路i t 图1 i 开关电源示意图 总结开关电源的优点如下： 效率高；开关电源的调整管( 如图1 1 所示) 相对于线性电源的始终工作于 导通状态的调整管来说，是交替工作在截止和导通的开关状态，转换速度很快。 这就使得调整管的损耗比较小，电源的效率可以大幅度的提高，最高可达9 0 以上。 体积小：调整管上的功耗大大降低后，发热量也大大降低，可以省去散热片， 虽然开关电源需加入电容电感等滤波元件，但是如果将开关电源的频率提高，相 应的滤波元件将会大大减小。 抗噪声性能好：开关电源是由控制信号控制调整管的通断来决定输出的，输 入电压的变化并不影响输出，例如在脉冲频率调制( p f m ) 模式下，可通过调节 控制信号的频率来稳定输出；而在脉冲宽度调制( p w m ) 模式下，可通过调节 控制信号的占空比来稳定输出。 开关电源存在的缺点：由于调整管工作在开关状态，必然会产生一些纹波， 这些纹波不但会影响开关电源输出的直流特性，而且还会对后级电路和附近的电 子设备产生影响。由于引入了滤波电路，增加了结构复杂的复杂性，使之更不易 制作和维修。 1 2 开关电源的分类 开关电源可以分为a c d c 和d c d c 两大类。d c d c 变换器的技术及生产 工艺在国内外均己成熟和标准化，但a c d c 因其自身的特性使得在模块化的进 程中遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 ( 1 ) a c d c 开关电源州 a c d c 开关电源是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流 出电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。 2 第一章引言 a c d c 变换器输入为交流电，必须经整流、滤波，而且需要体积相对较大的滤 波电容。因遇到安全标准( 如u l 、c c c e e 等) 及e m c 指标的限制( 如i e c 、 f c c 、c s a ) ，交流输入侧需加e m c 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限 制了a c d c 电源体积的小型化。 ( 2 ) d c d c 变换 d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式t s 不变，改变t o n ( 通用) ，二是 频率调制方式，t o n 不变，改变t s ( 易产生干扰) 。其具体的电路由以下几类： b u c k 电路一降压斩波器，其输出平均电压u o 小于输入电压u i ，极性相 同。 ， b o o s t 电路一升压斩波器，其输出平均电压u o 大于输入电压u i ，极性相 同。 b u c k b o o s t 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输 入电压u i ，极性相反，电感传输。 c u k 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输入电压 u i ，极性相反，电容传输。f 4 】 本文设计了一种宽范围输入的电流反馈模式、固定频率、脉冲宽度调制 ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 的d c 仍c 降压变换器，具有高效的稳 压性能、较小的输出的纹波和快速的瞬态响应。 3 第二章白光l e d 的基础知识 第二章白光l e d 的基础知识 发光二极管( l e d ) 是用半导体材料制作的正向偏置的p n 结二极管。其发 光机理是在p n 结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子( 电子一空穴对) 在扩散过程中复合发光。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边 发射型。我们最常用的l e d 是i n g a a s p l n p 双异质结边发光二极管。发光二级管 的一个重要应用是作为背光光源。现在的移动电话具有多种背光色彩、夜光照明 按键，并能以不同色彩显示来电，而且新一代移动电话已配备全彩色显示屏和内 置照相机。为此，我们必须采用先进的l e d 显示和驱动技术来适应色彩的要求。 如果采用白光作为背光光源，由于白光光谱包含了所有颜色，而显示器的滤色镜 会从白光谱中挑选所需要的颜色；反之如果光谱不是完全白色，色彩便会失真扭 曲，显示也会变得混浊。所以现在的发展趋势是在彩色显示背光照明中使用白光 l e d 。白光l e d 的结构非常紧凑，具有更长的寿命和更低的功耗，因而成为现在 移动电话、p d a 等便携式产品中最流行的照明选择。嘲 2 1 白光l e d 的原理 最初是1 9 9 3 年日亚化学公司在蓝色g a nl e d 技术上突破，并很快产业化， 进而于1 9 9 6 年实现白光l e d ，1 9 9 6 年推上市场引起了业内外人士极大的关注。 我国发光二极管起步于2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代形成产业，9 0 年代已具相当规 模。在9 0 年代后期，我国超高亮度l e d 产业迅猛发展，现已具有g a a s 和g a p 单晶、外延片、芯片的大批量生产能力。在国家“8 6 3 ”计划的支持下，我国已经 初步形成从外延片生产、芯片制造设备到器件封装集成应用等比较完整的产业 链。白光l e d 已作为第四代新型照明光源而倍受关注。 依据发光学和色度学原理，实现白光l e d ，有多种方案，下述三种方案发 展较快： ( 1 ) 蓝色l e d 芯片和可被蓝光有效激发的发黄光荧光粉有机结合组成自光 l e d ，。一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光；发射的黄光和剩余的 蓝光混合，调控他们的强度比，即可得到各种色温的白光。也可加入可被蓝光激 发的发红光、绿光其它荧光粉。 ( 2 ) 像三基色节能灯那样，发紫外光l e d 芯片和可被紫外光有效激发而发射 红、绿、蓝三基色荧光粉有机结合组成白光l e d 。此外，还可选用两基色，甚 4 第二章白光l e d 的基础知识 至四基色、五基色荧光体。 ( 3 ) 将红、绿、蓝三基色u d 芯片或发光管组装成一个象素，实现白光。【刀 2 2 白光l e d 驱动方案 白光l e d 一般需要3 - - - 4 v 的直流电压供电。白光l e d 的正向压降高于其 它普通l e d 。因此，其它l e d 能够直接由典型的电池电压供电，但白光l e d 不 能由电池直接供电，需要d c d c 转换器。 白光l e d 的亮度由流过l e d 的电流控制。l e d 有串联与并联两种驱动方 式( 如图2 1 所示) ，采用串联方式能够保证流过每只l e d 的电流相同，得到均 匀的亮度，但它需要较高的驱动电压。采用并联方式驱动多只l e d 只需要一只 l e d 的正向压降，但由于每只l e d 的正向压降不同，使得每只l e d 的亮度不 同，除非单独调节每只l e d 的电流，但这样会增加电源结构的复杂性。 白光l e d 的串联驱动方式 ( b ) 白光l e d 的并串联驱动方式 图2 1 驱动白光l e d 的两种方式 5 第二章白光l e d 的基础知识 驱动并联l e d 有三种方式，图2 - 2 给出了这三种方式的示意图： r 叼u 日o a q a t ( a ) 利用电源和专用的l e d 电流调节器实现并联l e d 的驱动 利用稳压源和镇流电阻实现并联l e d 的驱动 舞呻均日o 娜 黜l 曲4 均f 刊叫 惑。 巨m 耳i 知，脚l ( c ) 利用电流源和镇流电阻、l e d 的反馈电流实现并联l e d 的驱动 图2 2 驱动并联l e d 的三种方式 其中：图2 - 2 ( a ) 利用电源和专用的l e d 电流调节器实现并联l e d 的驱动，各 支路的电流是可调的。图2 2 ( b ) 利用稳压源和镇流电阻，由不同的镇流电阻来 抵消各支路l e d 的不匹配，这种模式与图2 - 2 ( a ) 相比精度较低，并且可以改变稳 压源的输出电压或镇流电阻的阻值来单独调节各支路l e d 的电流。图2 - 2 ( c ) 利用 电流源和镇流电阻、基于l e d 正向压降的匹配性调节二极管电流，该电路将流过 一只l e d 的电流转换成电阻r 1 的电压、反馈至d c d c 转换器，从而保证稳定的 输出电流，由于图2 - 2 ( c ) 中只能调节流过d l 的电流，其它两只二极管的电流会 因正向压降的不同而产生误差，只有通过调节镇流电阻保证流过各二极管的电流 相同。d c 仍c 转换器可选用开关稳压器和电荷泵，当驱动并联l e d 时选可用电 6 第二章白光l e d 的基础知识 荷泵结构，因为电荷泵在升压比( 输出电压与输入电压的比) 较低时可获得较高的 效率。开关稳压器一般用于所需输出电压较高的串联方式。【9 1 采用串联方式驱动l e d 的优点是通过每个l e d 的电流相同，从而使它们 的亮度相同。缺点是需要较高的驱动电压，且串联的l e d 越多，所需的驱动电 压也越高。而采用并联方式驱动l e d 的优点是无论驱动几个l e d ，所需的驱动 电压都不变，缺点是各支l e d 的亮度不相同，且不好调节。所以还需要根据具 体情况如d c d c 转换器的额定输出电压和l e d 应用要求而定，本设计的优势是 可以根据实际情况的需要选择l e d 的驱动方式，大大提高了芯片的应用范围。 7 第三章d c d c 转换电路原理分析 3 1 概述 第三章d c d c 转换电路原理分析 d c d c 转换电路被广泛应用于开关稳压电源，是直流到直流的转换方式。图 3 1 是d c d c 转换电路的示意图，它的输入可由电池( 如便携设备采用的锂电池) 或经过整流的工频电源供电，无论是电池还是整流后的工频电源，通常都不稳定， 这就需要采用d c d c 转换电路将不稳定的直流输入变为稳定直流输出。 图3 id c d c 转换电路示意图 d c d c 转换电路有三种基本拓扑结构，即降压型( b u c k ) 变换器、升压型( b o o s t ) 变换器和升降压型( b u c k - b o o s t ) 变换器，其它变换器类型都是由b u c k 变换器和 b o o s t 变换器组合演变而成。这三种d c _ ，d c 转换电路可以采用电流反馈模式和电 压反馈模式两种反馈环路结构，各种转换电路的控制方式根据电路要求和实际应 用要求可选取p w m 、p f m 和p w m p f m 三种控制方式。本论文所设计的电路属 于降压型( b u c k ) 电流模式p w m 变换器。下面几节将简单介绍d c d c 转换电路的 三种基本拓扑结构，其中着重介绍了b u c k 变换器。 在d c d c 转换电路中，即使输入电压与负载有变动，但变换器的直流输出 电压可通过内部电路控制稳定在所期望的电压。开关型d c d c 变换器是采用一 个很大的调整管把一种直流电压变换为另一种直流电压。如果变换器的输入直流 电压给定，则可以通过控制开关管的开关时间( 占空比或开关频率) 来控制直流输 出电压。开关型d c d c 变换器的基本电路及波形图如图3 2 所示： ( a ) d c d c 变换器的拓扑结构 8 第三章d c d c 转换电路原理分析 v o ( b ) 开关型d c d c 变换器的基本电路( c ) 开关型d c d c 变换器的波形图 图3 2d c d c 变换器的基本电路和波形图 图3 2 中，t o n 和t o f f 分别为开关的导通和关断时间，输出的平均电压v o 大小取决于通断时间( t o n 和t o f f ) 。 电路设计通常要用到的元件见图3 3 ，即电阻、电容、磁性元件包括电感和 变压器、工作在线性模式的半导体器件以及工作在开关模式的半导体器件。在传 统的信号处理应用时，由于并不关心效率问题，所以通常避免使用磁性元件。而 在开关电源转换电路中，功耗小的电容和磁性元件则相当重要，并且避免使用电 阻和线性模式的半导体元件，但开关模式的半导体元件照常要使用，因为开关模 式的半导体器件在导通和截止的状态下功耗都很小。电容、电感和开关模式的半 导体器件都是高效率转换器的理想元件。 图3 - 3 电路设计常用元件 如上所述，开关电源电路中主要使用的元件是开关模式的半导体器件、电感 和电容。无论哪一种d c d c 变换器结构，主回路使用的元件也只是这三种。半导 体器件需要快速地开通并快速地关断，只有半导体器件快速地转换状态，状态转 换引起的损耗才会小。电感常为储能元件，它的电流、电压相位不同，因此理想 电感的损耗为零。电容也是储存电能和传递电能的元件，主要是用来“吸收”纹波， 具有平滑电压波形的作用。电感常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上。【8 】 9 第三章d c d c 转换电路原理分析 3 2d c d c 变换器的拓扑结构 3 2 1b u c k 型变换器 降压型变换器又称为串联开关( 即开关s 与直流电源v 1 串连) 稳压电源，或 称为三端开关型降压稳压器。图3 - 4 ( a ) 是b u c k 变换器典型原理图。 当图3 4 ( a ) 中开关s 导通时，如图3 - 4 ( b ) 所示，在电感未饱和时，电源给电感 充电，电流线性增加，即有d i d t = v l l 。当电感电流i l ( 等于电源电流i l ) 大于输 出负载电流i 2 时，电源通过电感给电容充电，此时二极管承受反向电压。当图3 4 ( a ) 中开关s 关断时，如图3 - 4 ( c ) 所示，电感l 两端的电压极性反相，但其电流i l 不变， 负载r 两端电压仍是上正下负。当i l 0 ，而开关关断时i 1 = o ，h j i l 是脉动 的，但在l d ，c 作用下可输出连续、平稳的电流。 图3 5 为在电感电流连续和不连续两种模式下b u c k 变换器电路各点的波形 图，电感电流为开关电流和二极管的电流之和。 _ 一琢i l l l l j + r 1 4 c 冀卞i t 1d 1 ( a ) 电路原理图 ( b ) 开关打开时 ( c ) 开关闭合时 图3 - 4 b u c k 变换器原理图 1 0 第三章d c d c 转换电路原理分析 ( v 一 oi - i s - 划 f 嗡 l ib缘：。3 i k i l 。 笊 o广。r 弋 l - i 。纥 il i ii 蚰 ；。 i o 1 j s k t k o乏l _ - b 卜 一险b一弋f - 一一 d 0 d , - n 一r , k - 一： 一 ( a ) 电感电流连续电感电流不连续 图3 5b u c k 变换器的两种工作模式 这两种工作模式可由电感电流在周期开始时是否为零来区分。 下面简要分析一下电感电流连续与不连续模式： 在图3 5 中，设开关周期为t s ，闭合时间为t 1 = d 1 t s ，断开时间为t 2 - t 1 = d 2 t s ； d 1 l ，称d 1 为接通时间占空比，体现了开关接通时间占周期的百分值，d 2 l ， 称d 2 为断开时间占空比，体现了开关断开时间占周期的百分值，很明显：d l + d 1 = 1 。 在输入输出不变的前提下，当开关s 在a 位时，波形图如图3 5 ( a ) 所示，电 感电流线性上升，其增量为： a l l l = c 1 弛：v s - - v ot l = 堡塑d 。t s ( 2 - 1 ) lll 其中豇t 电流增量； v r 输入电源电压； v 广_ 一输出电源电压； i 一电感； t r 开关周期： d 1 开关接通时间占空比。 第三章d c d c 转换电路原理分析 当开关s 在b 位时，如图3 5 ( a ) t 2 t 1 时间段所示，i l 电流增量为： 地= 一i ：2 = 一硝) = 一警( 乃也耻一v 上o d ：t s ( 2 - 2 ) 由于稳态时两个电流变化量相等，即纪- = i 记z i ，所以： z | v s - ，v od l t s ：孥d 2 t s ；v ，o 、 1 一d 1 ) r s ( 2 3 ) 三三二、 。 又因为d l + d 2 = 1 得。 v o = 加l ( 2 - 4 ) 上式表明，输出电压v 0 随着占空比d 1 而变化，由于d 1 k t q 时，可以有 i c ：i 蠢恤轴 即= v r l n ( 1 c l s ) ( 5 2 ) 其中阶= k t q l s = b t 4 + ”e x p ( - e g k r ) ( 5 - 3 ) 其中b 是一个比例系数，e g 为硅的带隙能量。 对上式代入式5 2 2 并微分可得： 盟：堡l n 三一( 4 + 埘) 堡一粤巧 、 8 tt i ，j 。tk t 2 l ：v k - ( 4 + m ) v r - e g q 丁 ( 5 4 ) 可见双极型晶体管的b e 结压降具有负温度系数，且b e 结压降的温度系数与 l r b e 本身有关。 本次设计的温度范围在5 0 1 5 0 c 之间，设5 0 时的v b c = v k 。于是有： 玩= v x + c ( t + 5 0 )( 5 5 ) 其中v k 为9 0 0 m v 左右( 随发射极面积变化，略有变化) ，c 为一1 5 m w 。c 。 这样，得到了一个具有负温度系数的器件，但由于双极型晶体管b e 结压降对温度 变化斜率固定，所以，必须重新设计具有正温度系数的偏置电路( p 喇) ，以 配合得到双极型晶体管得到预期的偏置电压。 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 图5 7 带隙基准电压源的原理图5 8 双极晶体管的b e 结特性 1 9 6 4 年，人们认识到如果两个双极晶体管在不同电流密度下工作，它们的 基极一发射极电压的差值具有正温度系数，如图5 。8 。 忽略晶体管的基极电流，可以得n - a v b e = v b e l v b e 2 ：阼l n 堕一v t t u o l i s l is 2 = v r l n 刀 ( 5 - 6 ) v t = k t q 具有正的温度系数，a v b e 也具有正的温度系数。从上式来看，如 果晶体管b e 结的反向饱和电流i s 有一定的比例关系，能使v t 的系数增大，这在补 偿温度系数时多提供了个可以调节的参数。 2 3 1 m o s 管在饱和区的电流公式： 1 d = 学专( 一v t h ) 2 ( 1 + 名) ( 5 - 7 ) 根据以上原理，采用c m o s 技术可以设计出如下结构的基准： 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 图5 - 9 采用简单生成基准电压 图中p m l 和p m 2 、n m l 和n m 2 分别具有相同的尺寸，以保证两支路电流 相等，1 1 = 1 2 = i ，q 2 的发射极面积是q 1 的8 倍，p m l 、p m 2 和p m 3 具有相同 栅源压差，主要作用是控制两支路电流相等，但由于沟道长度调制效应，会使两 支路电流出现偏差，所以在设计过程中，可以将m o s 管的长度选择相对较大， 能有较好的抑制。p m l 、p m 2 、n m l 、n m 2 组成一个电流镜的封闭回路，其起 始回路增益大于l ，所以，在启动过程中，两支路电流将不断增加，直到达到平 衡。 由于电流相等，在相应m o s 管上的压降相等，所以v a = v b ，满足 吃1 = 2 + o r( 5 8 ) ，= 击( 一) = 去i n 鲁2 备i na 2 么。2 互r 1 m 限9 ， 其中，a 1 、a 2 是晶体管q l 、q 2 的发射极面积。 p m 3 与p m l 、p m 2 取相同尺寸，并且连接成电流镜结构，以精确镜像i ， 所以： 少0 ：3 + i r ：玩3 + r 。z 1v。ins(5-10) 尺l 。 一7 3 2 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 根据前面分析，仉朋= 1 5 m v ，0 v r f r ：0 0 8 7 m v c ，要得到一个温 度系数为零的电压，则需满足a l o t = 扒乞o t + r 2 1 n 8 r 1 o v t 刃= o 所以，r 2 1 n 8 r 1 = 1 7 2 ，表明零温度系数的基准为： v 叫= v b c + 1 7 2 v t , 1 2 5 v ( 5 - 1 1 ) 根据理论分析，上述电路可以提供不随电源电压v d d 变化的低温度系数的 基准电压，p m l 、p m 2 、n m l 、n m 2 均工作在饱和区，但该电路要正常工作所 需的最小电源电压为v b e l - t - v r s + v d 刚曲+ v d s p m i n ，约为2 v 左右，在设计中v d d 典型值为3 9 v ，可以满足工作的基本要求。【2 5 】 对v o u t 进行直流分析，对温度5 0 一1 5 0 范围内扫描，可以得到如下曲 线： t e r n p ( c ) 图5 一1 0 5 0 一1 5 0 范围内基准电压随温度变化 从温度特性曲线分析，图5 1 0 的输出电压值在1 2 1 2 v 一1 2 1 5 v 间摆动i 变 动极小，但与理论分析结果不符，曲线的“曲率”是有限的，并不是在每一点都能 使w o u t 加1 = o ，这是由于前面进行v o u t 推导时，假设v b e 、集电极电流i c 、p n 结反向饱和电流i s 是不随温度变化的。【2 3 】实际上，这些值都是温度的函数。当然， 电阻拥有很大的正温度系数，也是一个非理想，且难以估计的量。 基准电压源要求输出对电源的变化不敏感，能够在出现电压纹波或尖峰时， 能保持输出变化极小或不变化。输出电压对电源的抑制特性用电源抑制比p s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 来衡量，可以表示为： p s r r ；2 0 1 9 塑丝 9 a v d d 3 3 ( 5 - 1 2 ) 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 即v d d 变化1 v 时v o u t 将的变化量，所以p s r r 越小越好，且应该为负值。同 时，p s r r 是频率的函数，由于存在各种容性通路，电路在高频时p s 雌降低。 【2 7 】 对图5 - 9 的结构进行分析，在v d d 上施加一个1 v 的交流小信号，进行交 流分析，频率1 h z i g h z 扫描结果如下： 一 a 号一2 巧 一3 巧 - ：d b 2 e ( v f ( ，、, o u t ) f r e q ( h z ) 图5 1 1l h z 1 g h z 对v o u t 进行交流分析 在低频时，1 2 v 的基准电压的电源抑制比为3 l d b 左右。对电源的抑制特性 不太理想。由于存在沟道调制效应，流过p m l 、p m 2 管的电流略有不同，且电 流的大小与电源电压v d d 有关，从而使电路的电源电压抑制比下降。 根据电路结构分析，增力i c a s c o d e 结构或者采用性能较好的运放对a 、b 两点的 电压进行钳位，使得当v d d 变化时，p m o s 的栅极电压极好跟踪其变化，保持电 流基本相等，且大小不变。本文采用增力h c a s c o d e 结构来进行改进。【2 3 】如果按照 传统结构，在v d d 与地之间将会有5 级压降，估算v o s 。n p ，= v t h = v b c = 0 7 v ， 则所需v d d 至少为3 5 v 。本设计中，v d d 在3 9 v 左右波动，在工作过程中可能 会使部分m o s 管工作在线性或者亚阈值区，影响输出电压的性能。使用c a s c o d e 结构是为了隔开v d d 与输出的直接连接，保持两支路电流更匹配，根据m o s 管 的电流公式，该结构能更好保持v a _ 、两，改进输出的电源抑制比，所以综合考虑， 设计出以下结构： 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 图5 1 2 改进后的带隙基准电压源 p m l 、p m 2 、p m 5 、p m 6 和n m l 、n m 2 分别具有相同的尺寸，为了版图绘 制方便和精确，r 2 r 1 = 4 8 k q 1 2k q ，再调节p m 3 的尺寸，根据式5 2 6 后的论 述，通过调整电流的比值可以达到与增加电阻比值补偿温度系数相同的效果。对 上述结构进行d c 温度扫描和a c 频率扫描，得到下图5 1 3 ： cr e s p o n s e 图5 1 3 改进后的基准电压源p s r r 交流分析 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 可见p s r r 比第一个简单结构的增加了1 0 d b ，而且温度特性几乎没有损失。 在本设计中，需要一个随电源电压v d d 同方向变化的基准v b h ，也就是一个 2 9 v 的输出，其主要作用是和v d d 分别接在p m o s 管的栅源两端，保持恒定的差 值，从而使p m o s 管成为电流恒定的电流源，为后级运放提供为电流偏置，为了 节省面积，避免重复设计，在基准产生的电流源中，通过调节r 1 和p m o s 尺寸， 使p m l 、p m 2 的栅压满足这个电压要求。v 明从p m l 、p m 2 的栅上引出，其随 v d d 变化的曲线如下图，可见v 明具有很好的电源电压跟随特性。 6 口 5 5 5 0 4 5 4 w 3 5 一 一 3 a 2 5 2 a 1 5 1 0 5 0 ：v d d - ：v 啪 ：v d d v b 。m l l 4 t l l ， l 一r ， ：，一 # 。 l 一 v b a l l 一 c l v d d -，b ；a f , o # c j 6t o4 44 ，85 2 d c ( v 图5 1 4v b h 跟随v d d 变化的曲线 另外一个v b l 为2 v 的基准电压v r e f , 给后级电路提供偏置，使其成为恒定的 电流源，同时也为后级比较器和误差放大器等提供基准电压。但根据前面分析， 带隙基准图5 1 2 的结构的输出电压值在1 2 v 附近摆动。所以需要通过一个额外 的电路将其倍压来得到2 v 的输出： 2 8 1 图5 1 5 倍压电路的基本原理图 第五章自光l e d 驱动芯片各子模块的设计 其中v i n 是输入的基准电压，v r e 堤产生的最终电压，通过高增益的运放a ， a 点的电平被钳位在与v i n 相同的值，同时将运放连接成同相跟随器【2 9 】，能将输入 和输出隔离，以避免后级对前级基准的影响。假设a 为理想运放，可以得n - v o 鲥：r 1 + r 2 砌r 1 + r 2 胁( 5 1 3 ) 尺2r 2 只要选择适当的r l 和r 2 ，就可以得到需要的电压，v o u t 与输入的基准电 压具有相似的温度系数。而且这是一个比值关系，对电阻值的选择有很大的随意 性，对电路功耗和版图面积设计创造了充足的改动的空间。 取前级基准产生电压平均为1 2 v ，则只要r 1 r 2 = 2 3 即可满足2 v 的输出 电压。关键在于运放的性能，其增益和相位裕度会直接影响倍压的效果，并且如 果运放的电源抑制比较差，将极大影响后级输出的p s r r 。在对图5 1 中对运放 的分析可知，a m p l 的性能足以作为这个用途，来实现倍压的性能。 图5 1 6 倍压电路图 倍压后电路的输出，即v b l 的特性如下图所示。 3 7 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 ( a ) v d d 为典型工作电压3 9 v 时v b t , 的温度特性 ( b ) v d d 为3 5 v4 v4 5 v5 v 时、饥的温度特性 图5 1 7 倍压后v b l 的温度特性 启动性能分析如下图所示： 3 8 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 。 c - - 3 9 8 f l 耳 图5 1 8 带隙基准电压源的启动性能分析 整个基准电路在1 0 u m 之前即可启动到正常水平，可见启动性能良好。 通过上面的设计，当v d d = 3 9 v 时，在低频时，p s r r 接近4 0 d b ，对电源电 压的变化有较好的抑制作用。同时，为后级运放等子模块提供的v b h 在3 2 v 6 v 范围内对v d d 跟踪良好，表明p m o s 上的电流值比较稳定。【3 0 】 5 3 锯齿波发生器 锯齿波发生器是一种常用的信号发生器，且属于振荡电路，经典锯齿波发生 器结构中需要齐纳二极管，本次设计中由于工艺库的限制，没有齐纳二极管模型， 所以必须对经典的锯齿波发生器结构进行改进。 5 3 1 锯齿波发生器原理 锯齿波发生器原理上说是一种自激振荡电路，自激振荡往往是i c 设计中需 要避免的问题，因为自激振荡会给电路带来巨大的噪声，对电路产生致命的影响， 但在锯齿波发生器中，自激振荡却是必须的。电子电路的系统框图如图5 1 9 所 示： 图5 1 9 闭环电子电路系统框图 3 9 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 由图5 1 9 可知： x o = a o x d x d = x i + x f x f = f x o 由以上三式可得闭环增益a f 刖( 1 - a o f ) 图5 2 0 自激电路系统框图 由图5 2 0 可知：x a = x f 舯x o x o 刊x d 刊x 尸a o f x o 所以电路发生自激振荡的条件是：a o f = i 由于闭环系统的闭环增益为：a f = a d o a o f ) 若1 a o f = o ，则a f 响，即系统产生了自激振荡。 可总结如下： ( 1 ) 正反馈足够强，输入信号为0 时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。 ( 2 ) 要获得非正弦自激振荡，反馈回路中必须有r c 积分电路。例如：方波发生 器、三角波发生器、锯齿波发生器等。 ( 3 ) 要获得正弦自激振荡，反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反 馈系数写成：a ( ) 和f ( ) 加上相位条件后可知自激振荡的条件是：a ( ) f ( ) 一 已知：a ( c o ) - - i a l t p a且f ( ( o ) - - - i f iz 驰 可得自激的振幅条件为：i a f i = l 相位条件为：l t p a + l t p f = 2 n j - i 闭环电路上电后，电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率 的分量，其中也包括有自激频率分量。此时，需要通过选频网络将把自激频率分 量选出，把其他频率的分量衰减掉。 自激振荡只有两个稳态，即振荡与不振荡，要使电路达到振荡稳态，必须满 足起振条件，即i a f i 1 和么时么驰- 2 n 。起振后，输出将逐渐增大，若不采取 第五章白光l e d 驱动芯片各子模块的设计 稳幅，这时若i a f i 仍大于1 ，则输出将会饱和失真。稳幅的条件是： 当输出幅度大于稳态振荡幅度时：l a f i i 当输出幅度等于稳