DO线性恒流源高亮度LED驱动的研究和设计毕业论文.doc

DO 线性恒流源高亮度线性恒流源高亮度 LED 驱动的研究和设驱动的研究和设 计毕业论文计毕业论文 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 高亮度 LED 发展历程和研究意义 1 1 1 1 高亮度 LED 发展历程 1 1 1 2 研究高亮度 LED 驱动的意义 2 1 2 论文结构和主要内容 3 第第 2 章章 高亮度高亮度 LED 驱动的理论基础驱动的理论基础研究研究 4 2 1 高亮度 LED 驱动技术 4 2 1 1 高亮度 LED 的发光特性与驱动 4 2 1 2 LED 常用驱动方法 5 2 2 高亮度 LED 驱动的典型电路原理 6 2 3 课题设计要求和设计方案的优化 9 2 3 1 课题设计要求 9 2 3 2 线性线性恒流源 LED 驱动的优化设计 10 2 4 芯片整体设计目标 11 2 4 1 芯片要实现的功能 11 2 4 2 芯片的应用领域 12 第第 3 章章 关键子电路的设计关键子电路的设计 13 3 1 带隙基准和稳压输出电路 13 3 1 1 带隙基准电路的设计 13 3 1 2 稳压输出电路 15 3 2 实际电路的设计 17 3 3 带隙基准和稳压输出电路 18 3 4 过热保护电路 19 3 4 1 过热保护电路设计 19 3 4 2 其他电路的设计 20 3 5 版图布局 22 第第 4 章章 芯片全局后仿真及分析芯片全局后仿真及分析 24 4 1 仿真结果 25 第第 5 章章 总结与展望总结与展望 28 参考文献参考文献 29 致谢致谢 30 附录附录 主要英文缩写语对照表主要英文缩写语对照表 31 第第 1 章章 绪论绪论 随着电子技术的不断进步 高亮度 LED 的研制得到了成功 尤其是白光 LED 的研制成功 使得它越来越在生活中的各个领域 而高亮度 LED 发光效率 的不断提高 使得越来越多的选择高亮度 LED 例如汽车的外灯等 日间行车灯 近光灯 远光灯等 和普通照明设备等 LED 生产厂家最近推出的高亮度 LED 的效率已替换传统的卤素灯 从传统 的卤素灯过渡到高亮度 LED 可以大大降低功耗 延长产品的使用寿命 按照市 场调研公司 Strategies Unlimited 得出的结论 随着亮度增加 价格降低和应用市 场的推广 照明背光及汽车应用将是高亮 LED 市场在今后 3 5 年内的主要增长 动力 到 2011 年 整个市场规模将会达到 90 亿美元 目前 高亮度 LED 驱动 芯片是电源管理芯片市场的研究热点 高亮度 LED 驱动关键是要提供恒定的电 流 以保证发光强度的稳定和均匀 线性恒流型高亮度 LED 驱动 具有结构简 单 电磁干扰 EMI 和噪声低 对负载和电源的变化响应迅速 尺寸较小及成本 低廉等优点 适合应用于蓄电池供电的照明系统中 因此研究 LDO 线性源高亮 度 LED 驱动有着极其重要的经济意义 1 1 1 高亮度高亮度 LEDLED 发展历程和研究意义发展历程和研究意义 1 1 1 高亮度高亮度 LED 发展历程发展历程 从 20 世纪 60 年代第一只发光二极管 Light Emitting Diode LED 问世以 来 LED 经历了 30 多年的指示器和显示器的应用 早期用 GaAsP 材料制成的红 光 LED 在驱动电流 20mA 时 光通量为千分之几流明 发光效率仅 0 1 lm W 只能做指示灯 20 世纪 70 年代 材料研究不断深入 引入了 ln 和 P 使 LED 能 产生绿光 黄光和橙光 发光效率提高到 1 lm W 应用进入显示领域 80 年代 以后 出现了用 GaAlAs 材料制成的 LED 其封装技术也逐步提高 红 黄色 LED 的发光效率可达 10 lm W 90 年代初 发红光 黄光的 GaAllnP 和发绿光 蓝光的 GalnN 两种新材料开发成功 使 LED 的发光效率得到大幅度提高 1993 年日本日亚化学 Nichia 率先在蓝色氮化镓 LED 技术上突破并很快产业化 进 而于 1996 年实现白光 LED 并于 1998 年推向市场 为 LED 找到了照明的新舞 台 高亮度 LED 与标准 LED 的主要差别在于它们的输出功率 传统 LED 的输出 功率在 0 1 瓦以内 而高亮度 LED 可达 1 5 瓦 白光 LED 的出现 使高亮度 LED 应用领域跨足至高效率照明光源市场 曾经有人指出 高亮度 LED 将是人 类继爱迪生发明白炽灯泡之后 最伟大的发明之一 目前 高亮度 LED 已普遍 应用在生活中的各个领域 如 显示 交通信号灯 汽车电子 背光源 建筑照 明 建筑装饰等 随着亮度的增加 价格降低和应用市场的推广 高亮度 LED 得到了空前的发展 1 1 2 研究高亮度研究高亮度 LED 驱动的意义驱动的意义 LED 利用固体半导体芯片作为发光材料 当两端加上正向电压 半导体中载 流子发生复合 放出过剩能量而引起光子发射产生可见光 LED 的核心是一个半 导体晶片 而高亮度 LED 是以 GaN 氮化稼 材料 P 型掺杂的突破为起点发展 起来的 高亮度 LED 泛指以四元化合物及 GaN 系化合物所制成的 LED 高亮 度 LED 的内在特征决定了它是最理想的光源 可以代替传统的光源 有着广泛 的用途 在全球能源短缺问题成为广泛关注的焦点的今日 环保 节能是当今各产业 发展的重心 尤其是需要消耗大量电力的照明产业 在灯源的研发上更是趋向节 能 环保 发光二极管的出现 为人类的照明世界带来新的革命 尤其是高亮度 LED 更被寄予厚望 有 绿色照明 光源之称 发展潜力无限 受全球市场需求 持续增长的刺激 以及中国政府制订并扶持半导体照明工程的影响 以 LED 为 代表的半导体照明产业规模不断扩大 LED 产业发展显现出新的特点 高亮度 LED 应用领域不断扩大 尤 3 其是汽车照明 显示器 相机用闪光灯 面板背光 源以及户外照明和室内装饰的新需求激增 市场潜力巨大 根据 Forst Sullivan 的统计 1995 年以来 全球高亮度 LED 市场发展迅速 年均增幅达到了 47 2003 年高亮度 LED 市场规模总体增长了 47 达到 27 亿美元 预计高亮 度 LED 的市场销量仍将保持 30 以上的年增长率 赛迪顾问预测 在汽车尾灯 交通灯 公共设施以及家庭照明需求的带动下 2003 2007 年我国高亮度 LED 市 场规模将保持年均将近 25 0 的增长速度 到 2007 年我国高亮度 LED 市场规模 将突破 20 亿元 在奥运会 世博会召开以及国家对环保问题的重视等多种有利 因素的影响下 LED 产业将保持快速增长 市场规模可观 面对高亮度 LED 产 品巨大的市场需求和发展潜力 一些先进国家与地区对 LED 的发展制定了国家 级的发展计划 我国也于 2003 年紧急启动了 国家半导体照明工程 把半导体 照明工程作为一个重大工程进行推动 加快我国高亮度 LED 从外延 芯片 封 装到应用整个产业链的发展已是大势所趋 发展具有高效 环保 节能的半导体 LED 照明对我国经济的长远 持续发展意义重大 因此研究与 LED 配套使用的 LED 驱动有着极其重大的社会和经济意义 1 2 论文结构和主要内容论文结构和主要内容 第一章目的在于介绍研究高亮度 LED 驱动芯片的意义 首先对高亮度 LED 的发展和特点进行了简介 然后阐述了相关集成电路产业的发展状况及其重要性 接着简要介绍了 LED 驱动芯片的国内外研究现状 最后介绍本文的组织结构 第二章首先阐述了高亮度 LED 驱动的理论基础 接着 根据课题设计目标 确定了线性恒流源高亮度 LED 驱动芯片这一课题的设计要求 并提出了线性恒 流源高亮度 LED 驱动的优化设计方案 第三章是本文的重点 详细介绍了芯片中关键子电路的设计过程 这些电路 包括 带隙基准和稳压输出电路 过热保护电路等 最后给出芯片的版图设计结 果 第四章是芯片主要性能参数的后仿真结果及分析 第五章对全文的工作进行总结 并指出了今后进一步研究的方向和目标 第第 2 章章 高亮度高亮度 LED 驱动的理论基础研究驱动的理论基础研究 2 1 高亮度高亮度 LEDLED 驱动技术驱动技术 2 1 1 高亮度高亮度 LED 的发光特性与驱动的发光特性与驱动 经高亮度 LED 具有类似于二极管的非线性 I V 特性 只能在器件上加正向直 流电压时才能点亮 一般称通过 LED 的电流为正向电流 IF 其上的压降则称为正 向电压 VF 图 2 1 显示了高亮度 LED 内部电压与电流的 I V 特性曲线 在正向电 压 VF超出内部阈值电压前 几乎没有正向电流 IF流过 此后如果 VF进一步升高 则 IF迅速增大 图 2 1 中的 I V 特性曲线表明 高亮度 LED 在正向导通后其正向 电压的微小变化将引起 LED 电流的大变化 同时 高亮度 LED 的发光亮度与流 过它的电流直接相关 2 而电池很难提供稳定的驱动电压 也就很难保证恒定的 驱动电流 从而得不到稳定的发光亮度 因此 为达到较高的亮度均一性和稳定 性 必须设计专门的驱动电路 驱动电路的好坏直接影响到高亮度 LED 的性能 和发光效果 图图 2 1 HB LED 的的 I V 特性曲线特性曲线 另外 由于高亮度 LED 独特的电 光学特性 当使用高亮度 LED 作为照明 光源时 其驱动电路完全不同于传统光源 需要特别考虑 比如 驱动电路要能 在输入电压和环境温度等因素发生变化的情况下 有效控制 LED 电流的大小 否则 LED 的发光亮度将随输入电压和温度等因素的变化而变化 若其电流失控 长期工作在大电流下将影响 LED 的可靠性和寿命 3 并有可能失效 因此 为保 证 LED 间的色彩匹配得到最佳控制 亮度及安全工作 LED 驱动的设计至关重 要 没有好的驱动芯片的匹配 LED 在照明领域的节能和长寿命等优势无法体现 2 1 2 LED 常用驱动方法常用驱动方法 目前应用的半导体光源的驱动方式有恒压驱动和恒流驱动两种 第一种方法是恒压驱动方式 如图2 2所示 图图2 2 带镇流电阻器的恒压源驱动电路带镇流电阻器的恒压源驱动电路 第二种方法是利用恒流源来驱动LED 也是目前常用的高亮度LED驱动方法 恒流源驱动可消除因温度和工艺等因素引起的正向电压变化所导致的电流变化 因此可产生恒定的LED亮度 产生恒流源仅需调整通过电流检测电阻器的电压 而不用调整电源的输出电压 图2 3是其电路示意图 参考电压VREF和电流检测电 阻器RSENSE的值决定了LED电流的大小 图图2 3 驱动驱动LEDLED 的恒流电源的恒流电源 2 2 高亮度高亮度 LEDLED 驱动的典型电路原理驱动的典型电路原理 高亮度 LED 的驱动设计必须充分考虑系统的需求 一方面 使用高亮度 LED 的系统大多采用电池供电 如 手机中的 3 6V 锂电池 汽车中的 12V 蓄电 池等 它们提供的电压不适合直接驱动高亮度 LED 另一方面 从 2 1 节的论述 中可以看出 高亮度 LED 应该工作在稳定的电流下 因此现代高亮度 LED 驱动 电路从原理上来说应具备两个基本要素 一是直流变换 二是恒流 4 高亮度 LED 驱动电路的一般原理如图 2 4 所示 图图2 4 高亮度高亮度LED驱动电路的一般原理驱动电路的一般原理 从图 2 4 可以看到 驱动电路主要由 DC DC 变换器 电流检测电路组成 DC DC 变换器将电池电压变换成适合驱动高亮度 LED 的直流电压 电流检测电 路检测输出电流 通过反馈环路控制 DC DC 变换器输出电压 将 LED 电流稳定 在一个预设值 根据 DC DC 变换器原理的不同 高亮度 LED 驱动电路可分为开 关电源型和线性恒流型 1 开关电源型 LED 驱动 开关电源型 LED 驱动是利用开关电源原理进行 DC DC 直流变换的 其原理 如图 2 5 所示 L1和 Cout为储能元件 MOSFET 和整流二极管 D1为开关元件 MOSFET 不断开启和关闭 使输入电压 VIN升高至输出电压 VOUT 从而驱动 LED 升压比由开关管占空比决定 Boost DC DC 控制器能根据 Rsense 反馈的电 压自动调节开关的占空比 从而调节输出电压的高低 使 LED 电流稳定在预设 值 图图 2 5 Boost 开关电源型高亮度开关电源型高亮度 LED 驱动电路原理图驱动电路原理图 开关电源型 LED 驱动的优点是有 BOOST BUCK 和 SEPIC 等形式 可实现 升压 降压和升 降压功能 且效率较高 突出的缺点是输出纹波电压大 瞬时恢 复时间较慢 会产生电磁干扰 EMI 信号既具有很宽的频率范围 又有一定的幅 度 经传导和辐射会污染电磁环境 对通信设备和电子产品造成干扰 如果处理 不当 开关电源本身就会变成一个干扰源 另外 价格偏高和外围器件复杂也是 开关电源型驱动相对其他类型 LED 驱动的缺点 5 2 线性恒流型 LED 驱动 图图 2 6 线性恒流型线性恒流型 LED 驱动电路的基本原理图驱动电路的基本原理图 线性恒流型 LED 驱动是一种降压驱动 其基本原理如图 2 6 所示 LED 灯在 使用时需要多颗灯珠串联或者并联起来才能工作 采用并联方式驱动多只 LED 虽然所需的电压较低 但由于每只 LED 的正向压降不同 使得每只 LED 的亮度 不同 除非采用单独的调节的方式来保证每只 LED 有相同的亮度 所以并联方 式要保证亮度均匀一致 实现起来比较复杂 而采用串联方式能够保证流过每只 LED 的电流相同 亮度一致 是目前常用的结构 该电路由串联调整管 PE 采 样电阻 Rsense 带隙基准电路和误差放大器 EA 组成 采样电压加在误差放大器 EA 的同相输入端 与加在反相输入端的基准电压 VREF 相比较 两者的差值经 误差放大器 EA 放大后 控制串联调整管的栅极电压 从而稳定输出电流 线性 恒流型 LED 驱动的优点是结构简单 电磁干扰低 低噪声特性 对负载和电源 的变化响应迅速 较小的尺寸及成本低廉 缺点主要是 第一 驱动电压必须小 于电源电压 因此在锂电池供电系统中的应用受限制 第二 调整管串联在输入 输出之间 效率相对较低 2 3 课题设计要求和设计方案的优化课题设计要求和设计方案的优化 2 3 1 课题设计要求课题设计要求 论文的设计目标是应用于汽车照明系统中的高亮度 LED 驱动芯片 因此必 须了解汽车照明系统的环境特点和系统要求 汽车环境对电子产品而言是非常苛 刻的 任何连接到 12V 蓄电池上的电路都必须工作在 9V 至 16V 的标称电压范围 内 其它需要应对的问题包括负载突降 冷车发动 噪声和极宽的温度范围 在 负载突降时 交流发电机的输出电压迅速升高到接近 30V 的高电压 冷车发动指 的是在低温时起动汽车 这会引起电池电压下降至 9V 或更低 考虑到汽车电子 系统由大电流电动机 继电器 螺线管 车灯和不断颤动的开关触点组成 因此 不可避免会出现噪声问题 简言之 汽车电子系统的特点是 供电电源是蓄电池 且要求宽输入范围 高输入电压电路 对噪声比较敏感 尤其是导航系统 无线 电路和 AM 收音机 要求 LED 驱动芯片的外围器件尽可能简单 以降低系统复 杂度和节省空间 极宽的工作温度 因此 对应用于汽车照明系统的高亮度 LED LED 驱动芯片必须满足以下设计要求 6 1 具有宽输入电压范围 以保护芯片不受甩负载和冷启动过程中巨大瞬 变的影响 2 低噪声和较弱的 EMI 对其它电路的干扰小 3 具有 40 125 的宽工作温度范围 4 电流精度高 以保证多个 LED 并联使用时各 LED 之间的电流相匹配 亮度均匀 5 LED 的最大电流 ILEDMAX可设定 具有亮度调节功能 6 低功耗 静态电流小 在关闭状态时耗电小 7 有完善的保护电路 如 过温保护 短路保护或过流保护 8 要求外围元件少而小 并采用小尺寸封装 以减小印制板的面积 9 使用方便 价位低 2 3 2 线性线性恒流源线性线性恒流源 LED 驱动的优化设计驱动的优化设计 由 2 2 节知道 线性恒流型 LED 驱动电路由于具有结构简单 电磁干扰 EMI 及噪声低 对负载及电源的变化响应迅速 尺寸较小且成本低等优点 适合应用于汽车电子系统 其不足之处是效率相对较低 针对这一点 首先计算 图 2 6 所示的线性恒流型 LED 驱动电路的效率 分析得到 2 1 QLEDFBOUTINLED FBOUTLED QLED LEDLED IIVVV VVI IIVIN VI 式中 VIN OUT为输入电源电压 VIN与输出电压 VOUT之间的差额 是调整管的源漏 电压 IQ为驱动电路的静态电流 由式 2 1 知道 线性恒流型 LED 驱动电路的效 率主要受检测电流基准 VFB 输入电压与输出电压之间的差额 VIN OUT及驱动电路 的静态电流 IQ这三个因素的影响 且 VFB VIN OUT或者 IQ越小 驱动电路的效 率越高 因此 为改善线性恒流型 LED 驱动电路的效率 设计中在图 2 6 所示的 线性恒流型 LED 驱动电路基础上做了两点改进 第一 线性恒流型 LED 驱动电 路效率低的主要原因是调整管串联在输入 输出之间 且输入电压与输出电压的 差额较大 为克服这一缺点 本文借鉴 LDO 线性稳压器的优点 采用导通电阻 极低的 DMOS 管做调整管 从而减小输入电压与输出电压的差额 提高效率 第 二 图 2 6 中 另外 在设计芯片内部具体电路时 如 带隙基准电路 电压比 例放大器等 始终坚持保证性能的前提下尽可能地减小电路的静态电流 IQ的原则 目的是减小整个芯片的静态电流 IQ 提高效率 图图 2 7 在在 FB 反馈端和检测电阻反馈端和检测电阻 RSENSE之间放置一个电压比例放大器以降低功耗之间放置一个电压比例放大器以降低功耗 2 4 芯片整体设计目标芯片整体设计目标 2 4 1 芯片要实现的功能芯片要实现的功能 论文设计的芯片是一款低压差线性恒流型高亮度 LED 驱动电路 可提供高 达 350mA 的电流来驱动一列或多列高亮度 LED 6 5V 至 30V 的宽输入电压范围 适合于汽车 商业以及工业应用 有助于保护芯片不受甩负载和冷启动过程中巨 大瞬变的影响 芯片包含一个用于检测电流的精确基准 并采用差分 LED 电流 检测 可提供 3 5 的负载电流精度 同时 芯片的低压差调整元件 典型值为 0 5V 和低压电流检测基准能有效降低系统功耗 芯片利用输出 PWM 亮度调节 技术进行亮度调节 即通过在专门的亮度调节输入端 EN 引脚加载脉冲输入实现 采用波形整形电路实现平滑的 LED 电流上升沿和下降沿 从而抑制点亮和关闭 瞬态过程的 EMI 此外 为获得更大的设计灵活性 输入电压为 6 5V 至 30V 时 5V 稳压输出电路可为低功耗应用提供高达 4mA 的负载电流 另外 芯片可工作 在汽车级温度范围 且具有过热保护和输出电流过流保护功能 2 4 2 芯片的应用领域芯片的应用领域 1 汽车外部 尾灯和刹车灯 2 汽车内部 地图灯 门控车室照明灯 3 交通信号灯 4 航标灯 5 标示牌 加油站顶灯 灯塔 第第 3 章章 关键子电路的设计关键子电路的设计 在设计电路之前 必须充分理解电路原理 以及电路指标与电路结构的关系 分析影响电路参数的各种因素 以便在电路设计的初始阶段优化性能参数 使电 路的重要性能达到预期要求 因此 关键子电路设计这部分 本文的基本思路是 首先明确电路的设计指标 然后根据设计指标给出合适的电路架构和相应的分析 说明 3 1 带隙基准和稳压输出电路带隙基准和稳压输出电路 带隙基准和稳压输出电路是芯片中非常重要的子电路 一般在设计中的处理 方法是设计两个独立的电路 分别产生带隙基准电压和稳压输出 本文采用一种 新颖的电路结构 同时实现带隙基准电压源的产生和稳压输出两个功能 提高了 电路的紧凑性 同时节约了版图面积 下面首先分别阐述带隙基准电路和稳压输 出电路的设计要点 接着给出设计的带隙基准和稳压输出电路的具体电路和设计 说明 3 1 1 带隙基准电路的设计带隙基准电路的设计 带隙基准电路 Bandgap 是芯片中的核心子电路之一 它的精度直接影响 芯片输出电流的精度 一个性能良好的基准电压能够保证在一定范围内基本上不 随电源电压 工艺参数及温度的变化而变化 设计带隙基准 7 首先要从芯片的 整体性能要求出发 确定带隙基准电路要达到的性能指标 1 基准电压温度系数 基准电压源的一项关键性能指标就是其电压温度系数 T 它表示由温度变 化而引起的输出电压漂移量 简称温漂 单位是 10 6 其计算公式如式所示 3 1 dT dV V REF REF T 1 带隙基准电压理论上可以实现零温漂 实际上由于受基极电流 IB等因素的影 响 VREF实现接近于零温漂 在本文的设计中 从输出电流精度和电路复杂度上 综合考虑 温度系数必须小于 50 ppm 2 电源抑制能力 对基准电压源而言 输出电压应保证尽量和输入电源无关 也就是要保证尽 量高的电源抑制能力 表征电源抑制能力的参数有两个 电压调整率和电源抑制 比 电压调整率表征输入电源电压变化时 基准电压保持稳定的能力 它定义为 VREF VIN 该值越小越好 其中 VIN为输入电压的变化量 VREF表示由 VIN引起的基准电压的变化量 电源抑制比 PSRR 就是表征电源抑制能力的交流小信号参数 其定义如 所示 3 2 1 outputPOWERARipple Ripple PSRR Voutput POWER 其中 Ripplepower 和 RippleOutput 分别为电源电压和输出电压的小信号变化 量 AV Power Output 为输出电压对电源电压的增益 为了保证较高的电源抑制比 通常在基准电路内部采用高增益 负反馈连接 的放大器电路 但是随着频率的提高 寄生参数会导致放大器增益的减小 从而 导致电源抑制比的下降 同时 还可能导致电路的不稳定 对于本芯片而言 带隙基准电压的电源抑制比 应保证在频率低于 1KHz 时 大于 60dB 电压调整率要足够小 使 VREF在整个电源电压范围内满足精度要求 3 启动性能和环路稳定性 对于基准电压源 还涉及到电路的启动问题 启动性能是电路跳出系统刚上 电时不希望的零稳态 进入正常工作状态的能力 为了保证基准源电路顺利启动 通常要增加启动电路 启动电路设计的原则是 既要能保证电路摆脱初始的零稳 态 又要保证启动电路不影响电路的正常工作 同时还要考虑其功耗和电路复杂 性等因素 通常情况下 基准源电路中包含负反馈放大电路 因此可能会产生振荡现象 环路稳定性也是必须保证的 对于本芯片的基准源电路 除了上述主要性能指标之外 还要考虑其噪声抑 制能力 负载调整能力 功耗 芯片面积以及设计复杂度等因素 3 1 2 稳压输出电路稳压输出电路 本文设计的 LDO 线性恒流源高亮度 LED 驱动芯片 要求电源电压 VIN工作 在 6 5V 至 30V 的宽输入范围 以保护芯片不受甩负载和冷启动过程中巨大瞬变 的影响 然而 芯片内部的部分电路 如 过热保护电路等 用 VIN做电源是不 恰当的 理由有 1 VIN可高达 30V 那么采用 VIN做电源的电路中 有些器件需要采用高 压模型 这样既没有必要 又增加了版图面积和工艺复杂度 2 会增加电路的静态电流 3 宽输入范围的电源要求电路具备低的电压调整率 增加了电路设计的 难度和复杂度 因此 为解决这些问题 必须设计一个稳压输出电路 将外接的 宽输入范围电源 VIN转换成 5V 稳压输出 给芯片内部的部分电路供电 另外 为获得更大的设计灵活性 输入电压为 6 5V 至 30V 时 5V 稳压输出可为低功耗 应用提供高达 4mA 的负载电流 由于线性稳压器具有稳定度高 可靠性好 低噪声和原理简单等优点 本文 中采用线性稳压器的原理来设计稳压输出电路 图 3 1 是线性稳压电路的原理框 图 由图 3 1 知 线性稳压器主要由误差放大器 反馈网络和调整管组成 误差 放大器将输出反馈采样电压与基准电压的差值信号进行比较放大 输出后控制调 整管的导通状态 保持 VOUT稳定 反馈网络的作用是采样输出电压 VOUT 将电 阻分压得到的采样电压与 VREF进行比较 调整管为压差负载器件 其主要作用是 为输入 VIN向负载输出大电流提供通道 线性稳压器的工作原理是 通过误差放 大器 反馈网络和调整管组成的负反馈环路调整输出电压 从而使负载上的直流 电压基本保持不变 8 图图 3 1 线性稳压器的原理框图线性稳压器的原理框图 综合考虑芯片的整体性能要求 稳压输出电路的关键性能指标如下 1 负载调整能力 VO IO和电压调整能力 VO VI负载调整能力表征 负载变化时 稳压电路维持输出在标称值上的能力 该值越小越好 电压调整能 力表征输入电压变化时 稳压电路维持输出在标称值上的能力 该值也是越小越 好 2 瞬态响应 瞬态响应是稳压电路的动态特性 指负载电流阶跃变化引起输出电压的瞬态 脉冲现象和输出电压恢复稳定的时间 与输出电容 COUT及输出电容的等效串联 电阻 RESR有关 3 输出精度 稳压电路的输出精度是由多种因素的变化在输出端共同作用的体现 主要有 输入电压变化引起的输出变化 VLR 负载变化引起的输出变化 VLDR 基准漂 移引起的输出变化 Vref 误差放大器失调引起的输出变化 Vamp 采样电阻 阻值漂移引起的输出变化 Vres 以及工作温度变化引起的输出变化 VTC等等 4 频率响应 频率响应是评价所设计的稳压电路是否稳定的一个重要指标 要分析频率响 应 首先应建立系统的 AC 小信号模型 3 2 实际电路的设计实际电路的设计 芯片的系统结构图如图3 2所示 其主要工作原理是 电源上电后 使能控制 电路首先检测使能信号EN 若EN为低电位 则整个芯片不工作 若EN为高电位 则芯片进入正常工作状态 正常工作时 输入电压变化范围是6 5V 30V 稳压 输出电路产生 5V稳压输出 作为其他部分电路的工作电源 且能对外部元件供 电 带隙基准电路产生1 24V的稳定输出 经滤波电路整形滤波后输入到误差放 大器EA 的同相输入端 芯片利用CS CS 之间的检测电阻RSENSE来设定LED的 电流 调节电压设定为 VCS VCS 204mV 差分检测放大器将检测电阻 RSENSE的检测电压比例放大后输入到误差放大器的反相输入端 差分检测放大器 误差放大器和串联调整管PE组成反馈网络 用于调节输出电流 输出电流变化时 检测电阻RSENSE两端的差分电压经放大后和带隙基准电压比较 两者的差值被放 大后用于控制调整管的栅极 从而稳定输出电流 9 根据芯片的功能及逻辑关系 从电路角度将其划分为若干功能子电路 由于 篇幅所限仅对电路中几个关键子电路 带隙基准电压源 控制和保护电路 的设 计加以说明 图图 3 2 芯片的系统结构图芯片的系统结构图 3 3 带隙基准和稳压输出电路带隙基准和稳压输出电路 本芯片要求带隙基准的输出电压在1 24V左右 同时性能要满足各项设计指 标 电路结构应尽可能的简单 因此 设计了一种结构新颖 电路比较精简的带 隙基准电路 而且为了在各种工艺角下带隙的输出都能满足系统性能要求 加入 了Trimming电阻来调整带隙输出 图3 3是带隙基准电路的核心电路 a 理想带隙单元结构理想带隙单元结构 b 高输出电压带隙电路 高输出电压带隙电路 图图3 3 带隙基准电压带隙基准电压 图3 3中电阻R1 R2 三极管Q1 Q2构成基准电压产生的核心电路 Q1和Q2 的发射区面积比为1 N Q3和Q4完全对称且构成镜像电流源 而R8 Q5和 Q3 Q4是在 a 的基础上修改增加的 目的是构成减小 影响的镜像电流镜 提高镜像精度 因此IC3 IC4 ICl IC2 IEl IE2 则Rl上的压降为 3 3 2 1 2 1 121 J J InV J J In q kT RIV TER 为热电压 k 1 381 10 23J K是玻尔兹曼常数 q 1 6 10 19库仑是 q kT Vt 电荷量 J1 J2分别是Q1 Q2管的发射极电流密度 由IEl IE2得到R2上的压降为 3 4 VtInN R R VR 1 2 2 因此 带隙基准电压为 3 5 InNV R R VVVV TBERBEREF 1 2 2 121 3 4 过热保护电路过热保护电路 3 4 1 过热保护电路设计过热保护电路设计 芯片中设计的过热保护电路的等效架构如图3 4所示 图3 4中V5为Bandgap regulator电路的 5V稳压输出 作为本电路的电源电压 电路中的所有偏置电流 IBIAS1 4 都是由PTAT电流源通过电流镜复制得到的 是与绝对温度成正比的 PTAT电流 OTP为过热保护信号 芯片过热时从高电平跳变到低电平 输出到控 制电路 实现过热保护功能 该电路利用三极管Q1的VBE随温度变化具有负温度 系数的特性 实现对温度的检测 下面具体分析电路的工作原理 常温下 由于A点的电压VA VBEQ1 所以三极管Q1截止 B点的电位被拉到 高电平V5 即N10的栅极电位为高电平 使N10导通并进入线性区 将N10的漏极即 C点电位拉低 此时 MOS管P0导通将D点电位拉高 经过两级反相器INV1 INV2 整形后 OTP输出高电平 过热保护电路处于无效状态 这里需要注意的是 电 阻R1 R2阻值的设置 应能保证在相当大的温度范围内三极管Q1处于截止状态 此时 由于D点电压为高电平 PMOS管P11截止 图图 3 4 热关断实现电路的等效构架热关断实现电路的等效构架 三极管Q1的VBE具有负温度系数 大约为 2mV 随着温度的上升 Q1的 VBE 减小 同时 IBIAS2为PTAT电流 随温度的升高而增加 因此 A点电位 VA IBIAS2 R1 R2 随温度的升高而升高 当温度升高到TH时 A点电压等于Q1的基 射极电压VBE Q1导通 此后 Q1和N10构成负反馈关系 将A点电位钳制在 VBEQ1 同时 IBIAS2向C点充电将C点电位拉高 从而关断PMOS管P0 因此 D点 电位被拉低 经过两级反相器INV1 INV2后 OTP输出低电平 从而触发关断保护 操作 实现过热保护功能 此时 P11导通 使该支路的IBIAS3电流注入给电阻R2 所以当温度下降时 需要降到低于TH的温度TL时 才能使OTP输出跳变 表现 出迟滞特性 之后 B点电压迅速上升使N10导通 将C点电位拉低 因此 P0导 通将D点电位拉高 经过两级反相器INV1 INV后 OTP输出高电平 芯片恢复正 常工作 11 3 4 2 其他电路的设计其他电路的设计 1 调整管调整管 调整管作为压差的负载器件 要满足低压差 大电流等设计要求 对调整管 的选择要重点考虑 由于MOS管是压控器件 采用MOS管做调整管芯片的静态电 流更低 所以本芯片采用PMOS管做调整管 调整管的设计主要从电路的LDO特 性 电路在完全关断时的漏电流 调整管的栅极寄生电容 与稳定性相关 跨 导gm以及Layout面积等特性出发 进行折中考虑 12 2 差分检测放大器差分检测放大器 差分检测放大器是一个运算放大器 其开环增益的大小决定了比例放大的精 度 另外 低电流检测基准要求低的输入共模电平 考虑到要实现低的输入共模 电平和高增益 一方面 将DSA设计为两级放大器 输入级采用折叠式共射共基 极结构 输入管为PNP管 第二级采用共射放大器结构 另一方面 为提高带负 载能力 输出采用射极跟随器电路 另外 两级放大器要考虑电路的稳定性问题 为此在电路中设计了密勒补偿电路 3 使能控制电路使能控制电路 使能控制电路的电源电压为芯片外部输入的电源电压VIN 因此电路的输出使 能控制信号最高可达到VINMAX 30V 这要求使能控制管的VGS能承受大于30V的 电压 提高了工艺难度和要求 为此在使能控制电路中设计了电压钳位电路 将 输出使能控制信号的高电平钳制在5V左右 另外 为了避免电路在使能阈值附近 出现振荡问题 在使能控制部分引入了正反馈 正反馈可以使电路快速启动 从 而避免了电路振荡问题的出现 4 整形滤波电路整形滤波电路 整形滤波电路主要由简单的RC滤波电路组成 电阻R 电容C的设置要在整 形滤波的效果和电路的响应时间之间折中 电阻 电容越大 带隙基准经过该电 路后的上升 下降沿越平滑 芯片的响应时间会更长 5 5 过流保护电路过流保护电路 为保证调整管在输出过载或短路时不会烧毁 芯片设计了过流保护电路 通 过控制调整管的栅电压达到控制输出电流的目的 过流保护电路通过电流比较器 来实现 设计中要注意使基准电流在各种电源电压 温度和工艺角情况下 均能 保证调整管的电流处于安全范围 13 6 6 电流调整放大电路电流调整放大电路 电流调整放大电路 最主要的作用就是将采样输出电流转换为输入电压和基 准电压VREF进行比较以驱动功率管并且调整芯片的输出电压 并控制输出电流 3 5 版图布局版图布局 芯片版图的好坏直接影响芯片制造的成品率及可靠性 版图寄生参数是影响 系统性能的一个重要因素 好的版图布局能够将不利的寄生参数影响降到最低 而好的版图设计不但本身很少带来不可靠因素 而且对工艺上难以避免的问题 也可预防或减弱其影响 芯片的版图设计中 采用的版图设计方法与步骤和一般 集成电路的类似 但因为芯片内部集成了大功率的调整管 所以要特别注意调整 管的设计和版图的热对称设计问题 另外 本文的版图设计所遵循的主要原则如 下 14 1 在版图布局上应精心设计以尽可能减小共模噪声 信号延迟和串扰等 输入信号线和输出信号线应避免交叉 对于易受干扰的信号线 在两侧加地 线保护 2 金属线宽和通孔的设计需要满足工艺规则对电流密度的要求 同时也 要仔细地进行优化 过宽的线宽会增加版图面积 增大寄生电容从而降低高频性 能 3 器件的放置应该与信号的流向一致 保证主信号通道简单通畅 连线 量短 不同电路的电源 地分开 以防止干扰 电源线的寄生电阻尽可能减小 避免各电路的电源电压不一致 尽可能把电容 电阻放在侧旁 有利于提高电路 的抗干扰能力 4 对于电路中直接连接到电源 地或者 I O 焊盘 PAD 的器件加保护环 予以隔离 以防止闩锁效应 Latch up 必要时可设计多重保护环加以保护 为避免芯片受 ESD 事件的损害 15 版图设计中对所有的 I O PAD 设计了 ESD 保护电路 本芯片采用 Jazz 代工厂提供的 ESD 保护器件来设计 ESD 保护电 路 如图 3 5 所示 其中 芯片的使能端口 EN 的 ESD 保护电路采用图 3 5 a 的设计 其余所有端口均采用图 3 5 b 的设计 图 3 5 a 中电阻 Rgate poly 串联在 EN 端口与内部使能开关 MOS 管的栅极之间 起限压保护作用 图 3 5 中 从 I O 端口到电源之间的 ESD D1二极管是 P nwell ESD 二极管 从 I O 端口到 地之间的 ESD D2二极管是 N sub ESD 二极管 这两种 ESD 二极管可承受 3k VHBM 电压 为每一个 I O 端口到邻近 I O48端口以及到供电电源提供一个均匀 快速的大电流分流通道 一旦 ESD 事件发生 这些分流通道能有效地保护芯片内 部电路不受损害 图 3 5 中从电源到地之间的箝位管 能够分流从电源到地的正 ESD 电流 并快速将 ESD 电压箝制到一个安全电压水平 a b 图图 3 5 ESD 保护电路图保护电路图 第第 4 章章 芯片全局后仿真及分析芯片全局后仿真及分析 本章采用 Candence Spectre 仿真软件进行全局后仿真 来验证芯片的性能指 标 要说明的是 该工艺的工艺角模型分别考虑每一种器件的工艺偏差 组合起 来共有 99 种有效组合情况如图 4 1 所示 下面给出的每一个仿真结果均是考虑了 99 种工艺角组合情况的统计结果 另外 实际芯片的设计需要考虑版图寄生参数 的影响 电路图仿真没有考虑寄生电阻 电容等因素的影响 所以是不精确的 恰恰是这些寄生参数会在电路某些性能中起重要的作用 所以需要在版图设计完 成之后加入对寄生参数的考虑作进一步的仿真和分析 以得到更加真实的结果 这个过程称之为 后仿真 Post Simulation 本章 首先详细介绍芯片的几个关键性能指标的意义 测试方法和仿真统计 结果 然后列表给出芯片所有性能指标的后仿真结果 图图 4 1 工艺模型考虑的所有工艺角情况工艺模型考虑的所有工艺角情况 4 1 仿真结果仿真结果 采用 Candence Spectre 仿真软件来进行全局仿真 电源电压都是采用 12V 输 入电压来验证芯片的性能指标的 要说明的是 以下仿真结果是基于 Jazz BCD05 制造工艺 其中共有 99 种工艺角 测试原理 Rsense 值设为 0 58 也就是将输出电流设定为 350mA 负载为 3 个 LED 使用 OSRAM 的 LW W5SG 超高亮 LED 模型 测试仿真电路原理图 如图 4 2 所示 图图 4 2 芯片仿真原理图芯片仿真原理图 全局仿真结果见图 4 3 图 4 4 芯片的输出电流误差为 11mA 通过计算 可得其电流精度为 3 1 与当初设计目标 5 相比较 有了较好的提高 这表 明设计的电路在性能上满足要求 结果比较满意 图图 4 3 VIN 12V Temp 25 时 各时 各 corner 下下 IOUT值值 图图 4 4 VIN 12V T 40 125 时 时 IOUTmax min 电流曲线电流曲线 在图 4 5 中给出了所有 99 个工艺角下的全局热关断性能测试仿真情况 从图 中可以看到 最差关断温度 169 和最早关断温度 142 与 155 相差在 要求的 15 工艺漂移误差范围内 所以在不同工艺角的情况下 满足芯片过热保 护性能要求 图图 4 5 VIN 12V Temp 40 200 时 所有时 所有 Corner 下下 TOFF值值 从 4 6 所示波形可以看出 当 VEN为低电平时 芯片停止工作 LED 上的电 流为零 有效实现了负载隔离 当 VEN 为高电平时 芯片恢复输出电流 并且 LED 电流很快达到最大值 因此 可以通过改变加在 EN 引脚的脉宽调制 PWM 方波的占空比来实现 LED 的亮度调节 图图 4 6 PWM 调光响应曲线调光响应曲线 第第 5 章章 总结与展望总结与展望 高亮度 LED 驱动是目前电源管理芯片市场的研究热点 高亮度 LED 驱动关 键是要提供恒定的电流 以保证发光强度的稳定和均匀 线性恒流型高亮度 LED 驱动 具有结构简单 电磁干扰和噪声低 对负载和电源的变化响应迅速 尺寸 较小及成本低廉等优点 适合应用于蓄电池供电的照明系统中 本论文完成的主要工作有 1 研究了线性恒流型 LED 驱动的原理 并借鉴 LDO 稳压器的优点 采 用导通电阻低的 MOS 管做调整管 减小输入电源电压与输出电压之间的差额 有助于提高芯片的效率 2 在设计带隙基准与稳压输出电路时 也进行了创新 电路的巧妙之处 在于 不增加设计复杂度的基础上 使带隙基准电压的稳定与稳压输出电压的稳 定依赖于同一个反馈环路 提高了电路的紧凑性 同时节约了版图面积 本论文还存在以下不足 带隙基准和稳压输出电路的稳定性设计上 本文采 用了最简单 易行的方法 即利用输出电容的等