恒定电流白光LED驱动器的研究毕业论文_图文

1、 本 科 毕 业 设 计 学生姓名 :专 业 :电子科学与技术指导教师 :完成日期 :2010年 6月 2日诚 信 承 诺 书本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。签 日本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学 校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定 学生签名:指导教师签名:日期:南通大学毕业设

2、计(论文立题卡 注:1、此表一式三份,学院、教研室、学生档案各一份。2、课题来源是指:1. 科研, 2. 社会生产实际, 3. 其他。3、课题类别是指:1. 毕业论文, 2. 毕业设计。4、 教研室意见:在组织专业指导委员会审核后, 就该课题的工作量大小, 难易程度及 是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。5、学院可根据专业特点,可对该表格进行适当的修改。南 通 大 学 毕业设计(论文任务书 题目 恒定电流白光 LED 驱动器的研究学 生 姓 名学 院专 业 电子科学与技术班 级 电科 062学 号起 讫 日 期指导教师 吴国祥王志亮 职称 副教授讲师 发任务书日期 日 注:此

3、表为参考表格,学院可根据专业特点,对该表格进行适当的修改。南通大学本科生毕业设计(论文开题报告 注:1、学院可根据专业特点,可对该表格进行适当的修改。 南通大学电子信息学院 2010年 6月摘 要白光 LED 具有节能、环保、高效、长寿命的特点。本论文就是对背光用白光 LED 驱动 芯片进行设计。本文所设计电路的电源电压输入范围从 2.5V 到 6V ,采用恒流源偏置电路。 它的优点在于成本低、封装小、外围器件少和低噪声输出等。电路以恒定电流驱动六只白 光 LED ,使六只白光 LED 获得均匀的亮度。它具有温度保护、欠压保护功能,欠压保护电 压为 2.1V ,过温保护点为 160 。本文首先

4、给出了 LED 的功能框图,再对其带隙基准电压源、偏置和启动电路、过温 保护模块、 欠压锁存模块进行了详细地阐述。 接着结合模拟版图设计的特点, 采用无锡上 华的 6S035DPQM-ST0100工艺标准, 实现了这种高性能、 低压差白光 LED 驱动芯片的版 图设计。关键词 :LED 驱动,恒流源偏置,带隙基准,版图设计ABSTRACTWhite LEDs have the features of energy-saving, environmental protection, high efficiency and long life. This thesis is to design t

5、he drive IC that uses in backlighting. The input voltage ranges from 2.5 V to 6V . The circuit uses constant current source bias circuit. It has the advantages of low cost, small package, less peripheral components, low noise output, etc. With constant current, the circuit drives six white LEDs and

6、obtains homogeneous brightness. It has the functions of temperature protection and undervoltage protection. The protection voltage is 2.1 V. The overtemperature protection point is 160 .This thesis presents the function diagram at first. Then it describes bandgap reference voltage source, bias and t

7、he start circuit, overtemperature protection module, undervoltage latch module in detail. Then combining the characteristics of analog layout design, we use Wuxi CSMC 6S035DPQM-ST0100 technology standards to realize such a high-performance, low dropout white LED driver IC layout.Key words: LED drive

8、r, Constant current source bias, Band-gap reference, Layout design目 录4.2版图与电路一致性检查(LVS .25第五章 总结 . 29参考文献 . 30致 谢 . 31第一章 引言1.1白光 LED 的特点与应用LED 就是发光二极管,其本质上就是一种半导体器件。 LED 的核心部分是由 P 型半 导体和 N 型半导体组成的晶片,在 P 型半导体和 N 型半导体的交界面就会出现一个具有 特殊导电性能的薄层,也就是常说的 PN 结。 PN 结对 P 型半导体和 N 型半导体中多数载 流子的扩散运动产生阻碍作用,当对 PN 结施加

9、正向电压时,电流从 LED 的阳极流向阴 极, 而在 PN 结中少数载流子与多数载流子进行复合, 多余的能量就会转变成光而释放出 来。 LED 正是根据这种原理实现电能到光能的转换。根据半导体材料物理性能的不同, LED 可发出从紫外线到红外线不同波段、不同颜色的光线 1。真正发白光的 LED 是不存 在的,我们所见到的白光是由不同波长的光合成得到的。蓝光 AlInGaN LED 产生的光子 和荧光粉的发光将一部分蓝光转变为其互补色(黄色 。人眼看到这种蓝光和黄光的混合 是一种不鲜明的白色 2。白光 LED 是当前最被看好的一种 LED 产品, 与白炽灯、 荧光灯等传统的照明光源相 比,其优势

10、在于:1 体积小:可以有多颗、多种组合,可以产生点光源、面光源。2 发热量低:所产生的热辐射比较小。3 耗电量低:工作在直流低电压、低电流下。4 长寿命:据报道其寿命可以达到 10万个小时以上。5 频率响应快:有利于高频操作。6 节能、环保:其物理结构决定了白光 LED 不易破碎,且废弃物可以回收再生。 但是, 现阶段的白光 LED 还不能完全取代传统的照明光源。 若要用白光 LED 完全代 替传统光源还需要解决以下几个问题:发光效率低, 单管功率小, 价格昂贵等。 在发光效 率方面,目前产业化的白光 LED 发光效率为 25lm/w,该效率仅与一个 15W 的白炽灯相 当,与要达到理想的 1

11、Klm/W还有很大的距离。虽然白光 LED 的寿命很长,但是现阶段 其高昂的价格也是阻碍它全面替代传统光源的一个重要原因。可见要全面替代传统光源, 就需要研究出发光效率高、功率大、价格低廉的单颗白光 LED 芯片。一个完整的低压背光照明方案,最基本的要求是 LED 发光亮度的稳定。以及在整个 背景屏幕上亮度均匀。 但是 LED 的应用环境却给稳定的 LED 发光提出了各种各样的挑战。拿手机应用来说, 首先, 锂电池的电压不是固定的, 锂电池在完全充满电时可以提供 4.2V 的输出电压,但在很短一段工作时间内就会下降到标称的 3.7V ,最后输出电压还会进一 步下降到 3.0V 以下。我们不希望

12、使用的手机亮度会随使用时间的延长而发生很明显的降 低。 其次, 手机中存在各种各样的数字信号, 对模拟信号的干扰太大。 这些数字信号有来 自麦克风和耳机的音频信号, 有来自基带部分的高频信号, 又有来自射频模块的射频信号, 这些信号即便在很好屏蔽措施下,还是会对手机内模拟信号产生很大的电磁干扰 (EMI: Electromagnetic Interference 。面对如此宽范围变化的电源电压和很大 EMI 情况下的应用 环境,再加上白光 LED 本身对正向电压 (>3.6V和正向电流 (20mA左右 的苛刻要求,很 需要一个能够给白光 LED 提供稳定的输出电压或电流的驱动电路。1.2

13、 白光 LED 驱动器的发展中国每年都生产了几百亿只 LED , 就算其中只有十分之一采用了 LED 驱动 IC , 再考 虑到一些驱动 IC ,一个可以点亮多个 LED ,那么也至少需要几亿个驱动 IC ,所以这是非 常大的市场。据了解,目前,世界上掌握 LED 技术的半导体公司都已经纷纷和老牌灯泡 制造商结盟, 如美国惠普公司联合了日本日亚和德国西门子; 美国克雷公司、 德国西门子 又和奥斯林联合;美国 EMCORE 公司和通用公司联合等 3。由于 LED 的生产厂家及 LED 规格不同,电流、电压特性均有差异。理论上, LED 的使用寿命在 10万小时以上,但在实际应用过程中,由于驱动电

14、源的设计及驱动方式选 择不当,使 LED 极易损坏。因此,根据 LED 产品的要求、应用场合,合理选用 LED 驱 动方式,精确设计驱动电源成为关键。从技术角度来看,白光 LED 驱动电路属于电源管理芯片的范畴,但是和传统电源管 理类芯片在技术指标上又有所不同。白光 LED 驱动电路需要集成功率器件,并且要在保 持电路稳定的同时不断提高能量转换效率,这些对驱动电路的设计者来说都是较大的挑 战。1.3 白光 LED 的驱动方式用于白光 LED 驱动的芯片有多种不同的电路结构形式,要设计出性能良好的白光 LED 驱动芯片,必须全面了解各类芯片的基本结构、不同结构驱动芯片的工作原理以及 它们的特点。

15、从驱动芯片的电路拓扑结构来划分,大致可以分为三种类型:恒流源偏置 (constant current source bias 、电容式开关结构 (Charge Pump 、电感式开关结构 (DC-DC Converter 。下面将简要介绍各种结构的特点。绝大多数 LCD 背景照明装置都配有亮度控制器以便在使用中根据光线的强弱进行相 应的调节。由于 LED 的光子发射源于电子、空穴对的复合,故其发射效率以及发光强度 均与 LED 的正向电流成比例。为此,可控恒流源应是实现亮度控制最简单的方案。但因 白光 LED 的色温也与工作电流直接相关,这类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内 的颜色一致性变

16、得很差,故而仅能用于按钮照明之类对于颜色保真度要求很低的场合。 LCD 背光装置则大多采用 PWM 电源为 LED 供电,以避免这一 “ 色偏 ” 问题。这类驱动器 的优点在于它们之间的匹配度高, 外围器件少, 低噪声输出, 体积小, 成本低等。 但由于 没有升压模块,当设备工作一段时间后电源电压会下降到 LED 的正向电压以下,以致不 能驱动 LED ,所以恒流源偏置驱动器适合驱动低正向电压的 LED 。电感式开关结构利用电感作为储能器件, 为负载提供持续的电流, 基于不同的外围拓 扑结构,可以实现降压 /升压 /反转电压输出的功能,对于电路结构稍加调整,即可以完成 恒流输出的功能, 因此电

17、感式结构具备多种灵活的解决方案。 由于理论上电感不消耗能量, 因此电感式结构的转换效率理想情况下为 100%,考虑到各种非理想因素,仍可以实现最 高 95%左右的转换效率。电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大 (主要是电感和电容 , 输出电压 的纹波较大,且电路内部结构复杂。在 PCB 布板时要小心避免电磁干扰 5。白光 LED 作为 LCD 做背光源时, 需要对其进行恒流驱动, 主要原因是:(1 避免驱 动电流超出最大额定值, 影响可靠性; (2 获得预期的亮度要求, 并保证各个 LED 亮度、 色度的一致性。根据 LED 的连接方式, 可以分为串联驱动和并联驱动。 驱动串联 LE

18、D 时, 流过每一个 LED 的电流相等, 这种连接方式 LED 电流匹配度高, 可以获得均匀的亮度。 驱动并联 LED 时,即使是同一批次产品,其 V-I 曲线也会有差异,而导致 LED 电流出现偏差,最 终导致 LED 亮度不均匀。因而 LED 在并联连接时必须调节 LED 的电流,以获得统一亮 度。 但是多个 LED 串连必然要求升压型 DC/DC变换器具有较高的输出电压, 以四个 LED 为例(正向压降 V F =3.5V ,因此 DC/DC变换器的输出电压 VOUT =14V 。如果驱动并 联连接的 LED ,则只要求驱动器输出电压略高于 3.5V 。考虑到实际工艺的成本要求,驱 动

19、串连 LED 的 DC/DC变换器芯片必然要求采用高成本的高压工艺;而驱动并联 LED 的 升压型 DC/DC变换器芯片却可以采用低成本的标准的 5V CMOS工艺或 BiCMOS 工艺来 实现。因此驱动并联 LED 的电源管理方案成本较低 6。第二章 恒定电流白光 LED 驱动器的电路设计2.1 总体电路功能该电路是一款用于 LED 驱动的高性能、 低压差、 恒定电流的电流偏置器, 主要应用于 由电池供电直接驱动白光 LED 的场合, 提供了一种简单的并联型白光 LED 驱动方案。 它能 在 2.5V6V的电压范围内提供稳定的六路 20mA 电流输入,相互之间的匹配度高达 3%,无 需外接电

20、容电感电阻,无噪声,体积小,而仅需要 60mV 的跌落电压。它适用于单节锂电池供电,采用低正向电压的白光 LED 的应用方案,也可以作为恒 定电流偏置源使用。 这种驱动 LED 的方案无需外接元件, 也没有 EMI 的问题, 体积小巧, 成本也更低。首先确定芯片应该具有的性能:. 6路输出,每路最大 20mA 电流. 低压差, 20mA 时仅有 60mV 压差. 高精度 3%电流匹配. PWM亮度控制. 2.5V6V宽电压输入范围. 温度保护功能. 欠压保护功能芯片的应用范围:. 手机、 PDA 、掌上电脑. MP3、 MP4、掌上游戏机. 数码相机、数码摄像机功能框图: LED4图 2.1

21、系统功能框图功能描述:LED 端能提供最大 20mA 的到地电流流入,各个 LED 端之间有很好的匹配性。 EN 端除了用来打开、 关闭电路外, 还能输入 PWM 占空比信号调节亮度。 当输入低频率 (小 于 2KHz 的 PWM 信号时,一般情况下 LED 的平均电流为(占空比 ×20 mA 。 图 2.2 PWM 亮度控制基准的基本原理是:利用一个正温度系数的量和一个负温度系数的量, 以适当的权重 将两个量相加, 得到一个近似于零温度系数的量。 例如, 对于随温度变化向相反方向变化 的电 压 1V 和 2V 来说,我们选取适当的 1和 2, 使得02211=+TV TV (2.1

22、这样就得到了具有零温度系数的电压基准 :2211R E F V V V +=(2.2我们知道, 在半导体工艺的各种不同器件参数中, 双极型晶体管的特性参数被证实具 有最好的重复性,并且具有严格定义的正负温度系数的参量。尽管 MOS 器件的许多参数 已被考虑用于基准产生 , 但是双极型电路还是形成了这类电路的核心。负温度系数电压(CTAT :双极型晶体管的基极 -发射极电压, 或者更一般地说, PN 结二极管的正向电压, 具有 负温度系数。对于一个双极型器件,可以写出 C S BE T exp(/ I I V V =, 其中 T /V kT q =, 饱和 电流 S I 正比于 2i kT n

23、, 其中 为少数载流子的迁移率 , i n 为硅的本征载流子浓度。这些参 数与温度 的关系 可以表 示为 m 0T , 其中 m -1.5, 23i g exp /( n T E kT -, 其中g 1. 12E e V , 为硅的带隙能量。所以 :g 4S e x p (m E I T kT+=- (2.3其中 b 是一个比例系数 。 而 BE T C S ln(/ V V I I =, 为了简化分析,假设 C I 保持不变 , 则有 :C S BE T T SS ln I I V V V TTI I T=- (2.4由式 (2.3 ,可以有g gg 34S 2(4 exp( exp(mmE

24、 EE I b m TbTTkTkTkT+=+-+-所以g S T T T 2S (4E I V V m V I TT kT=+(2.5由式 (2.4 和 (2.5 ,可以得到gB E T g C B ETT T 2S(4 /l n(4E V m V E qI V V V m V TTI T q kT-+-=-+-= (2.6式 (2.6 给出了给定温度 T 下基极 -发射极电压 B E V 的温度系数。 从上式可以看出, 它与 B E V 本身的大小有关, 同时还与温度 T 有关, 如果正的温度系数的量表现出一个固定的温度系 数,那么在恒定基准的产生电路中就会产生误差 。正温度系数电压 (P

25、TAT :在 1964年人们认识到 7,如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下,那么 它们的基极 -发射极电压的差值就与绝对温度成正比。如图 2.3所示,如果两个同样的晶 体管 S1S2( I I =偏置的集电极电流分别为 00nI I 和 , 并忽略它们的基极电流,那么有00BE BE1BE2T T s1s1=-=(lnlnln nI I V V V V V n I I -=(2.7 Q2Q1nI 0图 2.3 PTAT 电压产生电路这样 , V BE 的差值就表现出正温度系数 :BE ln V k n Tq= (2.8可以看出,它与温度或集电极电流的特性无关 。带隙基准:利用前面得到

26、的正、 负温度系数的电压, 就可以设计出一个令人满意的零温度系数的 基准:R EF 1BE 2T ln V V V n =+(2.9这里的 T ln V n 是工作在不同电流密度下的两个双极型晶体管的基极 -发射极电压的差值。 剩下的工作就是确定 1和 2。在室温下, BE /1.5/V T m V K =-,而 T /0.087/V T m V K =,如果 1取 1,则选择 适当的 2ln n 使得 2ln (0.087m V /K 1.5m V /Kn =, 也就是 2ln 17.2n , 表明零温度系数 的基准电压为:(2.10接下来的工作主要是设计完成 B E V 和 T 17.2V

27、 的相加电路。考察如图 2.4所示的电路, 这里假设基极电流可以忽略,晶体管 Q2是由 n 个并列的晶体管单元组成的,而 Q1是一 个晶体管单元。假设用某种方法强制 O 1V 和 O 2V 相等,那么BE1BE2V V RI =+ (2.11即 B E 1B E 2T ln RI V V V n =-= (2.12所以O 2BE2T ln V V V n =+ (2.13这意味着:如果 ln n =17.2, O 2V 就可以作为与温度无关的基准 (当 O 1V 和 O 2V 相等时 。 Q2Q1I图 2.4与温度无关的基准电压产生电路图 2.4电路中需要改进, 才能使它成为实用电路。 首先必

28、须加入一个偏置使得 O 1V 和 O 2V 相等。 其次, 由于 ln n =17.2, 结果使得 n 值过大, 需要通过按适当的比例增大 T ln RI V n =项。图 2.5就是一个可以完成上述两个功能的实用电路 8。 Q1图 2.5实用带隙基准电路这里, X V 和 Y V 为放大器 A1的输入,驱动 R 1和 R 2(R 1= R 2的上端,运放的虚短 使得 X 点和 Y 点稳定在近似相等的电压上。基准电压可以在放大器的输出端得到。根据 对图 2.5的分析,有BE1BE2T ln V V V n -=(2.14得到流过右边支路的电流为 T 3ln /V n R ,因此输出电压为:T

29、2O U T BE232BE2T 33ln ( ln (1 V n R V V R R V V n R R =+=+(2.15为了得到零温度系数,必须使 23(1/ ln 17.2R R n +。从工艺角度考虑选择 n=8、 24等。 如果 n=8, 23/R R =7.25。电路中的电阻是比例关系,因此 O U T V 与电阻的温度系数无关 9。图 2.6给出了本电路中的带隙基准电路。图中的 M1, M2, M3, M4, M5, R, C, M6, M7组成放大器; R1, R2, M8, M9, Q1, Q2构成带隙产生电路。 R1R2图 2.6 本电路的基准电路采用了 CSMC 0.5

30、µm FEOL/0.35µm BEOL 6S035DPQM工艺, 由运放的输入虚短, 可 以得出两条支路电流相等,所以:c2BE1BE222ref BE12BE12BE1T BE1T 11c11ln(ln(8J V V R R V V IR V R V V V V R R J R -=+=+=+=+(2.16跟前面讨论的 Bandgap 原理相吻合,只要采用适当的电阻比例,就可得到一阶补偿的带 隙基准电压。偏置电路 (峰值型 Peaking 偏置 :峰值型非线性电流源最初由 BJT 类型电路发展而来,用 MOS 器件取代相应的 BJT 后,得到与之相对应的 Peaking

31、型 MOS 电流源。当 MOS 管偏置在亚阈值区时,其电流 电压关系与相应的 BJT 电路完全相同,在忽略电阻温度系数的条件下可形成 PTAT 电流; 当处于强反型饱和工作区时,则表现出与 BJT 偏置完全不同的电流温度特性 10。 Q 2I QM 2I Q图 2.7 BJT/MOS非线性 Peak 电流源图 2.7为 BJT 和 MOS 峰值型电流源电路。 Q1与 Q2,或 M1与 M2的栅压不同,因 此输入 -输出电流为非线性关系。输出电流在与输入电流的变化过程中,存在一个峰值电 流。 完整的 Peak 型电流也可采用自偏置结构, 且 M1和 M2可工作强反型区或亚阈值区, 以期获得不同的

32、电流温度系数的控制。 I 1/I3V CCI 2I 4图 2.8峰值 (非单调 型自偏置结构峰值型与单调型自偏置电路的静态结构和输出电流控制机制基本相同, R 为支路电流 定义电阻。 电阻 R 为避免在源端串联, 而放置在 MOS 管的漏端。 一是可以避免衬底偏置效应的影响, 二是将原有的电流相互作用的单调型关系, 改变为非单调型关系。 电路结构 及其传输特性如图 2.8所示。在强反型条件下,电阻 R 定义的支路电流为:GS3GS434 R 31V V V I R RRR -= (2.17在线性电流源的控制下,若 I 3=I4=Io 则有 :R =-=-(2.18 式中 M=(W/L4/(W/

33、L3>1,由此解出 : o 33I I k M R= (2.19稳定的偏置电路可以提供稳定跨导控制,即 :2m I g k =(2.20 式中 为过驱动电压, =GS TH V V -。对比单调型自偏置结构的输出电流,两者提供的静态偏置电流关系相同。当增加 M3和 M4两管的 W/L并使其均处于亚阈工作状态,则输出的近似 PTAT 电流为be T o ln V V I M RR= (2.21从动态控制机制上,两者瞬态启动过程的控制近似相同。由于 PMOS 线性电流源提供相 同的电流比例关系, 即 I 1I2为过原点的 45直线, I 3I4的非线性曲线关系能够确保两者之 间一定存在一个除

34、原点外唯一的交点 A , 该点即为偏置电路的静态工作点。 在初始微小电 流的启动阶段,电阻上的压降可以忽略,则 M3/M4的 W/L比例关系决定了电流 I 3I4近 似为比例放大关系,其曲线表现为初始斜率大于 45,此时表现为正反馈,启动电流得以 增加。随着电流的增加,电阻上的压降增加, I 3I4的电流关系逐渐变为非线性而且其斜 率逐步降低,此时反馈控制变为负反馈,导致达到最终的 A 点静态点。在静态工作点下, 非线性电流源 I 3I4一定处于负反馈的控制机制,从而确保静态工作点的稳定。K 因子倍增和 peaking 型两者的动态控制特性和衬底偏置方面存在一定差异。 电压偏 置的核心内容,是

35、提高电流源的等效交流输出阻抗,降低 MOS Diode 的交流输出阻抗, 比电阻阻抗分压更适合获得更高的稳定控制。启动电路:设计启动电路的参数时应当使启动电路能够满足以下三点要求:首先能够向偏置电路 灌入电流, 实现启动功能; 其次, 偏置电路启动后必须能够关断启动电路与偏置电路的联系,即启动电路只在系统上电瞬间起作用,静态后对电路正常工作没有任何影响;最后, 电路启动后,启动电路应当保持很低的功耗,或者没有功耗。启动电路设计的关键在于瞬态电流的注入位置选择, 以及保持对主电路尽量少的影响 和干扰。图 2.9中, V _triggle为低电平启动电压,当稳态建立后, V _sense为感应得到

36、的稳态 电压, 以此为关闭或启动模块的判据。 V _triggle和 V _sense可以是同一个结点电压量, 也可以 不是同一结点电压量。分开后初态与稳态不同,更有利于对电路的控制。V_triggle VDD(Or PMOS GtaeVN_start DDVs RsV N_start DD Vs图 2.9启动电路原理图 图 2.10 NMOS启动电路图 2.10为启动 NMOS 管工作的基本电路结构,电阻 R S 提供控制管 MP_S的感应电 平 V S 。 在上电瞬间, V DD 上跳到高电平, 而 MP_S在上电瞬间 V S 保持为 0, 因为 V GS =VDD 而导通, 给 NMOS

37、 管提供注入电流, 可等效地视为 V N_start信号将后级 NMOS 的栅电压上 拉到所需要的偏置电位。 当 NMOS 未完成启动时, 支路电流极小, 相应地内部支路的 PMOS 也不导通,其 V bp 保持为高电平,因此启动模块中的 PMOS 保持截止状态,使 V s 保持低 电位,从而 V N_start始终保持高电平充电状态。这一反馈状态可保证当启动未能建立时, 系统可长久保持启动状态。随着启动的持续进行,内部支路电流增加后, V bp 电位下降, PMOS 开始导通, V S 电位上升,启动能力减弱,直至 V S >VDD -V TP 时, MP_S完全关断, 对电路正常状态

38、的影响最小,这时设计应保证内部电路的启动过程顺利完成。 R2图 2.11 偏置电路原理图(包含启动电路通过上面的研究和分析, 我们设计出一款适合本电路使用的偏置电路, 电路见图 2.11所示。在图 2.11中由 M1, M2及 R1构成开启电路。在上电瞬间, V DD 上跳到高电平, M2导通, 从而使 M3导通。 M3导通后 M1, M5, M6开启导通。 这时 M5, M6构成的电流镜开 始工作,偏置电路被启动。由于 R1是个大电阻,同时 M1也导通,从而 M2的栅电压被 拉低,以至它不导通,开启电路失去效力。过热保护电路分两个部分实现, 第一部分是先用温度传感器检测芯片的内部温度, 把

39、温度信号转变成电信号; 第二部分是对电信号进行比较, 如果超过一定值就输出相反的电 压信号, 使后续电路停止正常工作。 把温度传感器放在最靠近主要功耗器件的旁边, 再跟 据芯片材料的特性计算出功耗器件与温度传感器距离温度梯度, 这样就可以正确反映功耗 区的温度。 精确的测量芯片的最高温度是非常有必要的, 如果温度传感器检测的温度不精 确或者烧毁芯片或者提前温度停止芯片工作,这对芯片的工作都是不利的。过热保护电路实现的关键是温度传感器的设计, 它将产生的温度信号转化成电压或电 流信号, 通常是把温度信号转变成 PTA T 电流或电压信号。 当温度升高时, 电流也随绝对 温度成比例地增加。目前,集

40、成电路的片上温度传感器可以用热电偶、热敏电阻、齐纳管、三极管的 PN 结和 MOS 管的弱反型区或阈值电压来做。如果集成电路的片上温度传感器用热电偶、热 敏电阻来做, 不容易集成, 而且精度很低, 因此不能采用。 在双极工艺中, 齐纳二极管的Z V(击穿电压 的温度特性是相当可靠的,不容易受到工艺流程的影响。因此这个电路的性能是比较容易得到保证的。但是遗憾的是齐纳二极管的击穿电压一般大于 5V ,在集成 电路中一般难以产生如此高的电压。 而且这个过热保护电路的功耗是相当大的, 不符合现 在低功耗的发展趋势。由上节所讲的带隙基准电压源中的负温度系数电压知,双极型晶体管的基极 -发射极 电压 B

41、E V 具有负温度系数。 B E V 大体上随温度减小而线性增大。三极管在 20 150 温度 范围内很好的保持着这一特性。 通过不断试验, 并运用统计规律, 可以取其值为 -2.2mV/ , 即温度每上升 1 ,认为三极管 B E V 正向电压下降 2.2mV ,而温度每下降 1 ,其正向电压 上升 2.2mV 。 三极管这种良好的温度特性, 说明它本身就是一个很好的温度传感器, 而且 容易集成。 图 2.12 过温保护电路基准电压不随温度变化,而 PNP 管的 B E V 电压是负温度系数,这样可以给定电压 Ref 为需要设定的温度 B E V 的电压。当温度达到设定值时, out V 就

42、会在这点温度跳变,利用这 个输出电平, 可以得到温度过高的信息。 从而输出端跳变时, 关断开关管, 实现过温保护。欠压保护电路的原理就是采样电源电压, 通过比较器进行比较, 当电路欠压时, 输出 欠压信号关断芯片。为了避免环境噪声的干扰,比较时应该具有一定的迟滞。原理图如下: R2R1图 2.13 欠压锁存电路图 2.13中 D D V 为电源电压, 1R , 2R 和 3R , 1M , 2M 组成分压电路。当 D D V 大于欠压保 护电压 U V LO V 时, 1M , 2M 导通经迟滞比较器输出高电平。当锂电池使用一段时间后输出 电压下降,即 D D V 下降到 U V LO V 之

43、下时, 1M , 2M 截止,经迟滞比较器输出低电平。此电路 所设计的欠压保护电压 U V LO V 为 2.1V ,欠压迟滞为 100mV 。第三章 版图设计集成电路的版图设计作为集成电路设计的重要组成部分,是联系设计和制造的桥梁, 并最终将设计转移到了硅片上, 实现了集成电路的生产制造。 因此集成电路版图设计的正 确与否、 合理与否不仅关系到集成电路的功能是否正确, 而且也会极大程度地影响集成电 路的性能、成本和功耗。版图设计是创建工程制图 (网表 的精确的物理描述的过程, 而这一物理描述遵守由 制造工艺、 设计流程以及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束。 版图设计 一般包括基

44、本器件版图设计、布局和布线以及版图分析与检验。3.1 设计工具 Cadence 的简介Cadence 是一个大型的 EDA 软件, 其主要产品线从上层的系统级设计到逻辑综合到 底层的布局布线, 可以完成电子设计的方方面面, 包括 ASIC 设计、 FPGA 设计和 PCB 板 设计。 Cadence 在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着很大的 优势。本文主要使用其中的 Virtuoso Schematic Editor和 Virtuoso Layout Editor。3.2 设计工艺与规则由于器件的物理特性和工艺限制, 芯片上物理层的尺寸映射到版图的设计尺寸必须遵 守特定

45、的规则。 版图设计规则目的就是使设计规范化, 并在取得最佳成品率和确保电路可 靠性的前提下利用这些规则使版图面积尽可能做到最小。此 LED 驱动器的设计遵循无锡 上华的 0.5µm FEOL/0.35µm BEOL硅栅 CMOS 工艺规则,其主要工艺信息如下:工艺名称:6S035DPQM-ST0100工艺规格:0.5µm FEOL/0.35µm BEOL多晶硅层的数目:2金属层的数目:4工艺描述:Generic 0.5µm FEOL/0.35µm BEOL Si Gate CMOS Twin Well Double Poly Quar

46、tus Metal Mixed Signal Process多晶硅栅类型:Polycide Gate (Poly1电压:5V一般来讲,设计规则反映了性能和成品率之间可能最好的折衷,从设计的观点出发,设计规则可分为几个部分 11:1 决定几何特征和图形的几何尺寸的规定,保证各个图形彼此之间具有正确的关系 (在几何设计规则文件中反映 。2 确定掩膜制备和芯片制造中都需要的一组基本图形部件的强制性要求 (在几何设计 规则文件中反映 。3 定义设计人员设计时所用的电参数的范围(在电学设计规则中反映 。具体来说,可以归纳为以下描述的四种规则:最小宽度:掩模上定义的几何图形的宽度 (和长度 必须大于一个最

47、小值, 该值由光 刻和工艺的水平决定。最小间距:在同一层掩模上,各图形之间的间隔必须大于最小间距,在某些情况下, 不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小间距。最小包围:当有两个不同的层叠在一起时,例如 SP 注入区在环绕 active 时应有足够 的余量,以确保在制造出现偏差时器件部分始终在 SP 注入区内。最小延伸:有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度。除了上面所说的四种最小尺寸外,还要遵循一些最大允许尺寸,天线规则等。在对整个电路进行版图设计时, 除了考虑设计规则, 还要对版图的整体布局进行规划, 主要有以下注意点:1 先确定输入输出焊盘的摆放位置, 并根据测试探针的个数以及间

48、距调整输入输出焊 盘,焊盘的布局决定整个芯片的大小。2 再考虑输入输出走线,包括电源线和地线的走线,以及核心电路的摆放。3 最后由整体转向局部, 进行各模块的设计, 然后进行拼接。 在小模块的版图设计当 中,更要注意更多的细节。3.3 基本元器件的版图设计图 3.1为 PMOS 管版图和结构示意图。 PMOS 管必须做在 N 阱中, N 型有源区会与 N 阱相连通(N 阱和 N 型有源区具有相同的参杂类型 ,源、漏、阱的连接通过另外的接触 层来实现 12。这类接触层中最典型的就是用于连接 metal1的接触层。在 N 阱中必须接 PMOS 管的源端或者最高电位作为阱电位以防止 latch-up

49、 的产生。 图 3.1 PMOS管版图和结构示意图 图 3.2 为 NMOS 管版图和结构示意图。 由于 CMOS 工艺的自隔离特性, NMOS 不需 要放在阱内。所以 NMOS 可以直接做在衬底上,利用 P 衬底直接产生的反向 PN 结来隔 离。需要注意的是,在 NMOS 附近尽可能的多做衬底接触,以防止 latch-up 的产生。 图 3.2 NMOS管版图和结构示意图晶体管一般有以下设计规则 13:1 使用预先定义模板来进行 PMOS 和 NMOS 晶体管的布局。 应预先定义好单元的结 构,并且该模块应将一组单元的基本版图规划封装起来。2 共用电源节点以节省面积。 由于电源共用电源节点分

50、布广泛、 易于连接, 因此实现 共享很容易,还可以节省相当大的面积。3 确定源极连接和漏极连接所需接触孔的最小数目。 在两个接触孔间尽可能多的使用 最小设计规则,使晶体管的性能最优。4 尽可能使用 90度角的多边型或线型。5 对阱和衬底的连接位置进行规划。6 避免 “ 软连接 ” 节点。 “ 软连接 ” 节点是指通过非布线层进行连接的节点。 由于非布线 层具有很高的阻抗,若通过它们进行连接,会导致电路性能变差。此外,根据电路结构的不同和功能要求, MOS 管的摆放与连接也有变化。实际电路中,有时需要的 MOS 管宽度可能是几百甚至上千微米,而工艺提供的模型参数则规定了器件的尺寸范围。为了实现大

51、尺寸的 MOS 晶体管,在电路中通过采用并联 接法的一组 MOS 管来实现。 这些 MOS 管工作时等效于一个沟道宽度较大的 MOS 管, 其 沟道宽度等于所有单个 MOS 管沟道宽度的总和。大尺寸 MOS 管的版图一般也采用并联 结构或称梳妆栅结构,并且相邻的 MOS 管共用源区和漏区。这种版图并联结构不但减小 了版图面积而且减小了源端和漏端的耗尽电容。图 3.3 为 4个 PMOS 管并联的版图:图 3.3 4个 PMOS 管并联并联 MOS 管的个数也就是叉指的个数,由器件的总沟道宽度 W 和每个叉指所对应 的小尺寸 MOS 管的沟道宽度iW 决定。小尺寸 MOS 管的宽长比是由多方面因

52、素决定的, 除了要考虑单个器件的性能优化外, 还必须考虑全部并联器件所占用的面积, 以及版图平 面布局的要求和工艺离散性的影响。双极型晶体管 (三极管 正常工作时同时利用电子和空穴两种载流子, 用小尺寸解决 了电容问题,具有更小的 RC 时间常数。工艺制造时,考虑到成本,一般采用横向 PNP 管。一个横向 PNP 管通常包含一个 N 型区(通常是 N 阱 ,在这个 N 阱内又包含一个 P 型区和一个 N +区 14。画版图时,可以构造两个管子,以降低阱中的串联电阻,两个 PNP 管共用中央的 P 型区,即 PNPNP 结构,进而合二为一做成一个环状 PNP 管,如图 3.4所示,发射极面积 为

53、 5µm×5µm : 图 3.4 单个 PNP 管的版图实现任何电阻的第一步都是选择一个恰当的分层。 分层的恰当选择, 可能需要考虑以 下几个因素:1 不同分层的电阻率;2 在不同工艺和不同环境条件下电阻率的变化;3 在不同工艺条件下分层的宽度的变化;4 在所选择的分层上电阻的最终实现面积。在本设计中, Poly2被选择作为电阻的材料, 因为这种材料的电阻相对较大电阻率和 宽度被严格控制,而且最终电阻所占的面积没有限制。电阻值的计算公式如下:=W Lrr 为电阻( , L 为电阻体区长度(µm , W 为电阻体区宽度(µm , 为体材料 薄层电

54、阻率。电阻的设计同样要求匹配, 通常对一些有对称性的电阻采用交叉匹配或共质心匹配的 方法。图 3.5为交叉匹配的电阻版图。所有精确电路都会受到衬底噪声的影响。 衬底噪声是由于临近的电路部分互相之间注 入电流引起的。在相邻电路间减少衬底噪声的最简单方法就是在两部分电路之间放置 +P 注入。 衬底接触将除去注入载流子, 并能使衬底保持在一个固定电位。 因此一般在电阻周 围放置 +P 注入。由于 +P 注入画成了环形,所以通常把它们称作保护环(Guard Ring 。在 版图设计时考虑到以后的改版方便,通常把电阻放在一起。 图 3.5 交叉匹配的电阻版图在集成电路中有多种电容结构 11:1 金属 -

55、绝缘体 -金属(MIM 结构;2 多晶硅 /金属 -绝缘体 -多晶硅结构;3 金属叉指结构;4 PN结电容;5 MOS电容。在本次设计中所使用的工艺包含两层 Poly , 因此我们可以利用两层 Poly 来制作电容。 图 3.6为 ploy-ploy 电容版图: 图 3.6 ploy-ploy电容版图ploy1和 ploy2层之间是硅氧化物介质层。电容值的计算公式如下:O X C C A =式中 O X C 为单位面积氧化物的电容值, A 为 ploy1和 ploy2层的交叠面积。和电阻一样电容也要在外面加一层保护环。3.4驱动部分电路的版图设计由于驱动关系到是否能构让六个 LED 保持相同的亮度,所以在版图中要求六个驱动 完全对称,否则驱动的 LED 亮度不一致。图 3.7为驱动部分的版图。 图 3.7 驱动部分版图3.5 布局布线在子模块兴建好之后, 设计整个芯片之前, 我们要为每个模块在整个芯片中选择一个 好的布图方案, 从而使得传输信号通路与非相关信号通路分隔开, 降低有用信号受干扰的 程度。 在版图上进行系统整体版图布局时, 要充分考虑模块之间的走线, 避免时钟信号线 对单元以及内部信号的干扰, 模块间摆放