一種用于白光LED驅(qū)動(dòng)的電荷泵電路設(shè)計(jì)

0 引 言

目前用于白光驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，而電荷泵電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，EMI較小，得到了廣泛的應(yīng)用。

白光LED驅(qū)動(dòng)的電荷泵主要有兩種類型：電壓模式和電流模式。相對(duì)于電壓模式可能造成每個(gè)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(dòng)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(jí)灰度輸出，滿足不同場(chǎng)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(dòng)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(shí)，芯片啟動(dòng)，Vin經(jīng)過(guò)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(gè)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制S1～S7的導(dǎo)通與關(guān)斷。時(shí)序如下：第一時(shí)刻，開(kāi)通S1、S4、S6，Vin對(duì)電容C1充電，C2短接，使VC1=V1，VC2=0；第二時(shí)刻，關(guān)閉S1、S4、S6，開(kāi)通S2、S3、S5、S7，C1對(duì)C2充電，使VC1=VC2=1／2 V1，最后加上V1對(duì)C3充電，周而復(fù)始，VCUT經(jīng)過(guò)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(shí)序圖，其中D1為S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，低有效；D2為S4、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高有效；D3為S2、S3、S5、S7的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，低有效。為了防止時(shí)鐘饋通，驅(qū)動(dòng)電路中包含了非交疊時(shí)鐘電路。

1.2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

整個(gè)開(kāi)關(guān)管網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)PMOS管S1、S2、S3、S5、S7及2個(gè)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(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比。根據(jù)版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的要求，單個(gè)管子的寬長(zhǎng)比W／L可以設(shè)定為2.8μm／0.6μm。假設(shè)S1的寬長(zhǎng)比為x(W／L)，S4的寬長(zhǎng)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(zhǎng)比也可以同理求得。由于流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流比較大，開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)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(kāi)關(guān)管的襯底未與源端相接，則會(huì)產(chǎn)生襯底偏置效應(yīng)，使開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生閾值損失，導(dǎo)致電荷泵電壓無(wú)法升至設(shè)定值。如圖4所示，開(kāi)關(guān)管S1、S3、S4、S5、S6的源漏端能比較容易的判斷出來(lái)，S2、S7的兩端電壓高低未定，因此如果處理不妥當(dāng)，會(huì)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(gè)問(wèn)題。通過(guò)一個(gè)比較器對(duì)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(lái)越多應(yīng)用場(chǎng)合希望白光LED驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)白光LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。但需要一個(gè)專用PWM口，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)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(shí)序信號(hào)存儲(chǔ)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(hào)，如果需要改變白光LED的亮度，則重新通過(guò)EN／SET對(duì)ROM進(jìn)行修改即可，不需要一直給EN／SET連續(xù)的PWM信號(hào)來(lái)控制白光LED的亮度，這個(gè)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(gè)上升沿脈沖開(kāi)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(shí)鐘序列輸入為想得到的亮度級(jí)別時(shí)，EN／SET引腳維持高電平來(lái)維持裝置輸出電流在程序設(shè)置的級(jí)別。當(dāng)EN／SET引腳置低TOFF=480μs以后，裝置關(guān)閉。整個(gè)調(diào)光模塊可分為四大部分：延時(shí)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(guò)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(gè)等級(jí)。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(gè)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(wú)效。
 

以第5級(jí)亮度為例，如圖8所示，EN／SET端輸入5個(gè)脈沖后保持高電平，經(jīng)過(guò)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(jí)調(diào)光×7～×0的數(shù)據(jù)及對(duì)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(gè)脈沖為一個(gè)循環(huán)。
 

(2) 數(shù)字延時(shí)

本設(shè)計(jì)設(shè)置了如下功能，如果EN端輸入低電平時(shí)間超過(guò)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(shí)序與EN相同。IN端輸入高電平時(shí)，PMOS管M3導(dǎo)通，VDD對(duì)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(shí)，M3截止，C1通過(guò)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(shí)問(wèn)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(guò)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(gè)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(guò)M1向C1充電，同時(shí)PMOS管M3導(dǎo)通，R1無(wú)效，此時(shí)比較器反相端電壓VTH=VDD-R2I3，等C1兩端電壓略大于VTH時(shí)，比較器輸出高電平，使Q端變?yōu)?ldquo;1”，C1通過(guò)NMOS管M2進(jìn)行放電，同時(shí)M3截止，R1與R2串聯(lián)，此時(shí)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(shí)，比較器輸出又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，周而復(fù)始。波形通過(guò)4個(gè)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(dòng)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(gè)用于白光LED驅(qū)動(dòng)的電流型電荷泵，周邊只使用3個(gè)小的陶瓷電容器，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)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(jí)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(guò)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。