一种用于白光LED驱动的电荷泵电路设计
2007年11月13日徐健 姜玉稀 陈国呈
(上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072)
0 引 言
目前用于白光驱动的升压型电路主要有电感型DC-DC电路和电荷泵电路。电感型DC-DC电路存在EMI等问题，而电荷泵电路结构简单，EMI较小，得到了广泛的应用。
白光LED驱动的电荷泵主要有两种类型：电压模式和电流模式。相对于电压模式可能造成每个LED亮度不匹配的缺点，电流模式每路单独输出恒定电流，使亮度可以较好地匹配，而且不需要外围平衡电阻，大大节省了空间。
本文设计了一种用于白光LED驱动的电流型电荷泵电路。采用1.5倍压升压，比传统的2倍压升压模式提高了效率，并采用数字调光方式，可提供32级灰度输出，满足不同场合的要求。系统结构如图1所示。主要可分为以下部分：带隙基准电路，软启动电路，振荡器，1.5倍压电荷泵，数字调光模块。当EN／SET端输入高电平时，芯片启动，Vin经过1.5倍压电荷泵升压，使输出电压稳定在5 V，如果EN／SET端输入一串脉冲后置高电平，则数字调光模块可记录下脉冲个数，然后转换成不同的输出电流，实现调光功能。
1 1.5 倍压电荷泵原理1.1 基本原理1.5倍压电荷泵 原理如图2所示，其基本控制思想如下：OSC通过驱动电路，控制S1～S7的导通与关断。时序如下：第一时刻，开通S1、S4、S6，Vin对电容C1充电，C2短接，使VC1=V1，VC2=0；第二时刻，关闭S1、S4、S6，开通S2、S3、S5、S7，C1对C2充电，使VC1=VC2=1／2 V1，最后加上V1对C3充电，周而复始，VCUT经过电阻分压，与基准电压做比较，控制上端MOS管的导通电阻，改变充电回路的RC充电常数，最终使输出稳定在5 V。图3为控制脉冲时序图，其中D1为S1的驱动信号，低有效；D2为S4、S6的驱动信号，高有效；D3为S2、S3、S5、S7的驱动信号，低有效。为了防止时钟馈通，驱动电路中包含了非交叠时钟电路。
1.2 实际电路设计整个开关管网络由5个PMOS管S1、S2、S3、S5、S7及2个NMOS管S4、S6组成，如图4所示。以P管S1和N管S4为例，计算开关管的宽长比。根据版图设计规则的要求，单个管子的宽长比W／L可以设定为2.8μm／0.6μm。假设S1的宽长比为x(W／L)，S4的宽长比为y(W／L)。本设计采用CSMC0.6 μm工艺，根据工艺及设计要求，V1=3.3 V，unCOX=50μA／V2 VTHN=0.7 V，|VTHP|=1 V，2up=un，因为
其它管子的宽长比也可以同理求得。由于流过开关管的电流比较大，开关管的宽长比很大，一般采用晶体管并联的形式，在版图上通常以waffle的结构实现。如果开关管的衬底未与源端相接，则会产生衬底偏置效应，使开关管产生阈值损失，导致电荷泵电压无法升至设定值。如图4所示，开关管S1、S3、S4、S5、S6的源漏端能比较容易的判断出来，S2、S7的两端电压高低未定，因此如果处理不妥当，会引起衬底偏置效应，本设计采用了一种方式，比较好地解决了这个问题。通过一个比较器对V1和Vout进行比较，如果Voutgt;V1，则让S2、S7的衬底端接Vout端，如果Vout
2 调光功能实现越来越多应用场合希望白光LED驱动器能够支持LED光亮度的调节。目前调光技术主要有两种：PWM调光、数字调光。PWM(脉宽调制)调光方式是一种利用宽、窄不同的数字式脉冲，反复开关白光LED驱动器来改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。但需要一个专用PWM口，同时会产生人耳听得见的噪声。本设计采用一种新型的数字调光技术。相比PWM控制有明显的优点：将时序信号存储在内部的寄存器中，使数据寄存器输出一连串的控制信号，如果需要改变白光LED的亮度，则重新通过EN／SET对ROM进行修改即可，不需要一直给EN／SET连续的PWM信号来控制白光LED的亮度，这个特性大大减轻了微处理器的负担，也减少了噪声。其工作原理如下，EN／SET的第一个上升沿脉冲开启IC并且初始化设置LED电流到最低的549 μA。当最终的时钟序列输入为想得到的亮度级别时，EN／SET引脚维持高电平来维持装置输出电流在程序设置的级别。当EN／SET引脚置低TOFF=480μs以后，装置关闭。整个调光模块可分为四大部分：延时控制，计数器，ROM，恒流源。(1) ROM与恒流源白光LED的亮度和通过它的电流成正比。本设计采用并联恒流源的方式，最大输出为20 mA，亮度分为32个等级。如图7所示。ROM总共为8块，组成32×8 bit容量。恒流源由PMOS管组成，由电荷泵输出的5 V电源供电，每个恒流源icell电流为19.6μA。恒流源具有使能端，根据ROM中的数据决定该恒流源是否有效，其中ROM输出“0”为该恒流源有效，“1”为该恒流源无效。
以第5级亮度为例，如图8所示，EN／SET端输入5个脉冲后保持高电平，经过减数计数器计数输出Q4～Q0数据为“11011”，ROM输出×7～×0数据为“11110100”，即×3，×1，×0所接恒流源有效。输出电流为：icell×32+icell×8+icell×4=0.863 mA表1列出了32级调光×7～×0的数据及对应输出电流。
数字调光部分的仿真波形如图9所示，32个脉冲为一个循环。
(2) 数字延时本设计设置了如下功能，如果EN端输入低电平时间超过480 us，则装置关闭。其原理如图10所示，其中IN为EN进行脉冲整形后得到的波形，时序与EN相同。IN端输入高电平时，PMOS管M3导通，VDD对C1进行充电，使NMOS管M5导通，施密特触发器输入被拉低，OUT端输出低电平，芯片正常工作。当IN端输入低电平时，M3截止，C1通过电流源M2进行放电，使M5截止，施密特触发器输入被拉高，OUT端输出高电平。放电时问由C1的电容值和放电电流决定。仿真波形如图11所示。在IN端输入低电平超过478 μs后，OUT端输处高电平，使芯片关闭。
3 振荡器本文设计一个600 kHz定频率电流控制振荡器，原理如图12，首先假设Q端为“0”，则PMOS管M1导通，电流源通过M1向C1充电，同时PMOS管M3导通，R1无效，此时比较器反相端电压VTH=VDD-R2I3，等C1两端电压略大于VTH时，比较器输出高电平，使Q端变为“1”，C1通过NMOS管M2进行放电，同时M3截止，R1与R2串联，此时比较器反相端电压VTL=VDD-(R1+R2)I3，等到C1两端电压略小于VTL时，比较器输出又发生翻转，周而复始。波形通过4个反相器的整形，输出600 kHz的方波。设I1为充电电流，I2为放电电流，T1为充电周期，T2为放电周期，则振荡器的频率为：
调节充放电电流，使I1=I2=IC，则振荡频率可表示为：
式中：IC为充放电电流。图13为振荡器输出及C1电容上的电压仿真波形。该电荷泵还包括带隙基准电路，温度保护电路，软启动电路等等，限于篇幅，在此不作累述。
4 结 论本文设计了一个用于白光LED驱动的电流型电荷泵，周边只使用3个小的陶瓷电容器，可驱动4个白光LED，单路最大输出电流20 mA。与电压型电荷泵相比，不同LED之间亮度匹配较好，由于不需要镇流电阻，因此节省了面积。电路采用1.5×分数倍频模式，效率可达93％。具有32级数字调光功能，可以满足不同需要。根据CSMC 0.6 μm工艺，通过Cadence Spectre软件进行了仿真，仿真结果表明，该电路满足设计要求，具有较广阔的应用前景。来源：中电网--本文摘自《电子测量技术》
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