《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種用于白光LED驅(qū)動的電荷泵電路設(shè)計(jì)
摘要: 本文設(shè)計(jì)了一種用于白光LED驅(qū)動的電流型電荷泵電路。采用1.5倍壓升壓,比傳統(tǒng)的2倍壓升壓模式提高了效率,并采用數(shù)字調(diào)光方式,可提供32級灰度輸出,滿足不同場合的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要可分為以下部分:帶隙基準(zhǔn)電路,軟啟動電路,振蕩器,1.5倍壓電荷泵,數(shù)字調(diào)光模塊。當(dāng)EN/SET端輸入高電平時,芯片啟動,Vin經(jīng)過1.5倍壓電荷泵升壓,使輸出電壓穩(wěn)定在5 V,如果EN/SET端輸入一串脈沖后置高電平,則數(shù)字調(diào)光模塊可記錄下脈沖個數(shù),然后轉(zhuǎn)換成不同的輸出電流,實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。
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0 引 言

目前用于白光驅(qū)動的升壓型電路主要有電感型DC-DC電路和電荷泵電路。電感型DC-DC電路存在EMI等問題,而電荷泵電路結(jié)構(gòu)簡單,EMI較小,得到了廣泛的應(yīng)用。

白光LED驅(qū)動的電荷泵主要有兩種類型:電壓模式和電流模式。相對于電壓模式可能造成每個LED亮度不匹配的缺點(diǎn),電流模式每路單獨(dú)輸出恒定電流,使亮度可以較好地匹配,而且不需要外圍平衡電阻,大大節(jié)省了空間。

本文設(shè)計(jì)了一種用于白光LED驅(qū)動的電流型電荷泵電路。采用1.5倍壓升壓,比傳統(tǒng)的2倍壓升壓模式提高了效率,并采用數(shù)字調(diào)光方式,可提供32級灰度輸出,滿足不同場合的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要可分為以下部分:帶隙基準(zhǔn)電路,軟啟動電路,振蕩器,1.5倍壓電荷泵,數(shù)字調(diào)光模塊。當(dāng)EN/SET端輸入高電平時,芯片啟動,Vin經(jīng)過1.5倍壓電荷泵升壓,使輸出電壓穩(wěn)定在5 V,如果EN/SET端輸入一串脈沖后置高電平,則數(shù)字調(diào)光模塊可記錄下脈沖個數(shù),然后轉(zhuǎn)換成不同的輸出電流,實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。
 

1 1.5 倍壓電荷泵原理

1.1 基本原理

1.5倍壓電荷泵原理如圖2所示,其基本控制思想如下:OSC通過驅(qū)動電路,控制S1~S7的導(dǎo)通與關(guān)斷。時序如下:第一時刻,開通S1、S4、S6,Vin對電容C1充電,C2短接,使VC1=V1,VC2=0;第二時刻,關(guān)閉S1、S4、S6,開通S2、S3、S5、S7,C1對C2充電,使VC1=VC2=1/2 V1,最后加上V1對C3充電,周而復(fù)始,VCUT經(jīng)過電阻分壓,與基準(zhǔn)電壓做比較,控制上端MOS管的導(dǎo)通電阻,改變充電回路的RC充電常數(shù),最終使輸出穩(wěn)定在5 V。圖3為控制脈沖時序圖,其中D1為S1的驅(qū)動信號,低有效;D2為S4、S6的驅(qū)動信號,高有效;D3為S2、S3、S5、S7的驅(qū)動信號,低有效。為了防止時鐘饋通,驅(qū)動電路中包含了非交疊時鐘電路。



1.2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

整個開關(guān)管網(wǎng)絡(luò)由5個PMOS管S1、S2、S3、S5、S7及2個NMOS管S4、S6組成,如圖4所示。以P管S1和N管S4為例,計(jì)算開關(guān)管的寬長比。根據(jù)版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的要求,單個管子的寬長比W/L可以設(shè)定為2.8μm/0.6μm。假設(shè)S1的寬長比為x(W/L),S4的寬長比為y(W/L)。本設(shè)計(jì)采用CSMC0.6 μm工藝,根據(jù)工藝及設(shè)計(jì)要求,V1=3.3 V,unCOX=50μA/V2 VTHN=0.7 V,|VTHP|=1 V,2up=un,因?yàn)?/p>


其它管子的寬長比也可以同理求得。由于流過開關(guān)管的電流比較大,開關(guān)管的寬長比很大,一般采用晶體管并聯(lián)的形式,在版圖上通常以waffle的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

如果開關(guān)管的襯底未與源端相接,則會產(chǎn)生襯底偏置效應(yīng),使開關(guān)管產(chǎn)生閾值損失,導(dǎo)致電荷泵電壓無法升至設(shè)定值。如圖4所示,開關(guān)管S1、S3、S4、S5、S6的源漏端能比較容易的判斷出來,S2、S7的兩端電壓高低未定,因此如果處理不妥當(dāng),會引起襯底偏置效應(yīng),本設(shè)計(jì)采用了一種方式,比較好地解決了這個問題。通過一個比較器對V1和Vout進(jìn)行比較,如果Vout>V1,則讓S2、S7的襯底端接Vout端,如果Vout



2 調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)

越來越多應(yīng)用場合希望白光LED驅(qū)動器能夠支持LED光亮度的調(diào)節(jié)。目前調(diào)光技術(shù)主要有兩種:PWM調(diào)光、數(shù)字調(diào)光。PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式是一種利用寬、窄不同的數(shù)字式脈沖,反復(fù)開關(guān)白光LED驅(qū)動器來改變輸出電流,從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。但需要一個專用PWM口,同時會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。本設(shè)計(jì)采用一種新型的數(shù)字調(diào)光技術(shù)。相比PWM控制有明顯的優(yōu)點(diǎn):將時序信號存儲在內(nèi)部的寄存器中,使數(shù)據(jù)寄存器輸出一連串的控制信號,如果需要改變白光LED的亮度,則重新通過EN/SET對ROM進(jìn)行修改即可,不需要一直給EN/SET連續(xù)的PWM信號來控制白光LED的亮度,這個特性大大減輕了微處理器的負(fù)擔(dān),也減少了噪聲。

其工作原理如下,EN/SET的第一個上升沿脈沖開啟IC并且初始化設(shè)置LED電流到最低的549 μA。當(dāng)最終的時鐘序列輸入為想得到的亮度級別時,EN/SET引腳維持高電平來維持裝置輸出電流在程序設(shè)置的級別。當(dāng)EN/SET引腳置低TOFF=480μs以后,裝置關(guān)閉。整個調(diào)光模塊可分為四大部分:延時控制,計(jì)數(shù)器,ROM,恒流源。

(1) ROM與恒流源

白光LED的亮度和通過它的電流成正比。本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)恒流源的方式,最大輸出為20 mA,亮度分為32個等級。如圖7所示。ROM總共為8塊,組成32×8 bit容量。恒流源由PMOS管組成,由電荷泵輸出的5 V電源供電,每個恒流源icell電流為19.6μA。恒流源具有使能端,根據(jù)ROM中的數(shù)據(jù)決定該恒流源是否有效,其中ROM輸出“0”為該恒流源有效,“1”為該恒流源無效。
 

以第5級亮度為例,如圖8所示,EN/SET端輸入5個脈沖后保持高電平,經(jīng)過減數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出Q4~Q0數(shù)據(jù)為“11011”,ROM輸出×7~×0數(shù)據(jù)為“11110100”,即×3,×1,×0所接恒流源有效。輸出電流為:

icell×32+icell×8+icell×4=0.863 mA

表1列出了32級調(diào)光×7~×0的數(shù)據(jù)及對應(yīng)輸出電流。
 

數(shù)字調(diào)光部分的仿真波形如圖9所示,32個脈沖為一個循環(huán)。
 

(2) 數(shù)字延時

本設(shè)計(jì)設(shè)置了如下功能,如果EN端輸入低電平時間超過480 us,則裝置關(guān)閉。其原理如圖10所示,其中IN為EN進(jìn)行脈沖整形后得到的波形,時序與EN相同。IN端輸入高電平時,PMOS管M3導(dǎo)通,VDD對C1進(jìn)行充電,使NMOS管M5導(dǎo)通,施密特觸發(fā)器輸入被拉低,OUT端輸出低電平,芯片正常工作。當(dāng)IN端輸入低電平時,M3截止,C1通過電流源M2進(jìn)行放電,使M5截止,施密特觸發(fā)器輸入被拉高,OUT端輸出高電平。放電時問由C1的電容值和放電電流決定。仿真波形如圖11所示。在IN端輸入低電平超過478 μs后,OUT端輸處高電平,使芯片關(guān)閉。
 



3 振蕩器

本文設(shè)計(jì)一個600 kHz定頻率電流控制振蕩器,原理如圖12,首先假設(shè)Q端為“0”,則PMOS管M1導(dǎo)通,電流源通過M1向C1充電,同時PMOS管M3導(dǎo)通,R1無效,此時比較器反相端電壓VTH=VDD-R2I3,等C1兩端電壓略大于VTH時,比較器輸出高電平,使Q端變?yōu)?ldquo;1”,C1通過NMOS管M2進(jìn)行放電,同時M3截止,R1與R2串聯(lián),此時比較器反相端電壓VTL=VDD-(R1+R2)I3,等到C1兩端電壓略小于VTL時,比較器輸出又發(fā)生翻轉(zhuǎn),周而復(fù)始。波形通過4個反相器的整形,輸出600 kHz的方波。設(shè)I1為充電電流,I2為放電電流,T1為充電周期,T2為放電周期,則振蕩器的頻率為:
 

調(diào)節(jié)充放電電流,使I1=I2=IC,則振蕩頻率可表示為:

式中:IC為充放電電流。圖13為振蕩器輸出及C1電容上的電壓仿真波形。

該電荷泵還包括帶隙基準(zhǔn)電路,溫度保護(hù)電路,軟啟動電路等等,限于篇幅,在此不作累述。
 

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個用于白光LED驅(qū)動的電流型電荷泵,周邊只使用3個小的陶瓷電容器,可驅(qū)動4個白光LED,單路最大輸出電流20 mA。與電壓型電荷泵相比,不同LED之間亮度匹配較好,由于不需要鎮(zhèn)流電阻,因此節(jié)省了面積。電路采用1.5×分?jǐn)?shù)倍頻模式,效率可達(dá)93%。具有32級數(shù)字調(diào)光功能,可以滿足不同需要。根據(jù)CSMC 0.6 μm工藝,通過Cadence Spectre軟件進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,該電路滿足設(shè)計(jì)要求,具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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