白光LED驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)
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繁華的城市離不開(kāi)LED燈的裝飾,相信大家都見(jiàn)過(guò)LED,它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方,也照亮著我們的生活。當(dāng)前消費(fèi)類電子產(chǎn)品的巨大市場(chǎng)和發(fā)展?jié)摿?,使采用電池供電的便攜式產(chǎn)品的小功率、低功耗、高效率、小體積、輕重量的直流電平轉(zhuǎn)換器(DC/DC Converter)發(fā)展迅猛。對(duì)于許多應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品中的電子系統(tǒng),如彩色LCD顯示屏、手機(jī)背光屏等,DC/DC是其非常理想的電源轉(zhuǎn)換器件。
本文基于2μm 15V雙極型工藝設(shè)計(jì)了一種電流控制型PFM Boost DC-DC開(kāi)關(guān)變換器芯片,通過(guò)采用低反饋電阻技術(shù)減小外部反饋電阻的損耗,并采用負(fù)載電流反饋技術(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)占空比以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓電流紋波系數(shù)。芯片采用Fixed-On-Time控制方式,當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)處于Boost PFM的不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM),而這種工作模式具有天然的穩(wěn)定性。
電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用如圖1所示典型的電流控制型PFM Boost DC-DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),虛線框內(nèi)為芯片原理框圖,框外為外圍器件連接示意圖。其中,STDN為芯片的使能端,低電平時(shí)關(guān)斷整個(gè)芯片以降低靜態(tài)功耗;SENSE為輸出電壓反饋采樣端;VFB為負(fù)載電流反饋采樣端;DRIVE為外部功率開(kāi)關(guān)控制端;基準(zhǔn)電壓通過(guò)電阻分壓產(chǎn)生A2比較器的參考電壓VRA2;A1比較器的參考電壓為VRA1;A1和A2通過(guò)一個(gè)二端與非門控制一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)為1.7μs單穩(wěn)態(tài)電路;輸出級(jí)DRIVE驅(qū)動(dòng)外部功率管QT。
系統(tǒng)將工作在兩個(gè)狀態(tài):連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。VIN上電,STDN置高電平,基準(zhǔn)源為A2比較器提供的比較參考電壓為 VRA2。由于系統(tǒng)剛啟動(dòng),A1、A2輸出高電平,單穩(wěn)態(tài)電路不觸發(fā),輸出高電平,外部功率管QT導(dǎo)通。當(dāng)VSENSE>VRA1,A1輸出低電平,單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā),DRIVE電壓迅速被拉低,開(kāi)始給外部C2充電,在RS2兩端電壓未達(dá)到A2比較參考電壓前,系統(tǒng)將重復(fù)上述過(guò)程,系統(tǒng)工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。
當(dāng)RS2兩端電壓超過(guò)A2比較電壓VRA2時(shí),A2比較器輸出低電平,單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā),外部功率管關(guān)斷,從此時(shí)起1.7μs內(nèi)L給C2充電,當(dāng)L 放完電后,C2開(kāi)始放電,致使RS2兩端電壓仍然超過(guò)A2比較電壓,A2輸出低電平,單穩(wěn)態(tài)電路持續(xù)輸出低電平,外部功率管繼續(xù)處于關(guān)斷狀態(tài),系統(tǒng)工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式。系統(tǒng)啟動(dòng)升壓為連續(xù)導(dǎo)通模式,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)為不連續(xù)導(dǎo)通模式。
電路原理與設(shè)計(jì)
1、開(kāi)關(guān)限流控制電路
圖1中A1比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)放大器和外部開(kāi)關(guān)管組成的環(huán)路為開(kāi)關(guān)限流控制電路。假定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平穩(wěn)態(tài),外部功率管QT導(dǎo)通,二極管 D截止,電感L中的電流線性上升。當(dāng)電感電流較小時(shí),限流電阻RS1上的壓降小于30mV,A1 比較器輸出低電平,不能觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn);而當(dāng)電感電流上升至限流Ipk時(shí),電阻RS1上的壓降達(dá)到VRA1,A1 比較器輸出翻轉(zhuǎn),輸出低電平經(jīng)與非門控制單穩(wěn)電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),外部功率管QT關(guān)斷。由于電感電流必須連續(xù),因此電感L的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左負(fù)右正,二極管D導(dǎo)通,電感L開(kāi)始對(duì)C2進(jìn)行充電,輸出電壓VOUT上升。這一過(guò)程將持續(xù)1.7μs至?xí)悍€(wěn)態(tài)結(jié)束,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重新回到高電平穩(wěn)態(tài),再次使QT重復(fù)上述的開(kāi)關(guān)過(guò)程,直至最終VOUT達(dá)到額定輸出電壓。
圖2為A1比較器電路,BIAS為偏置端,VA1為輸出端,VS為正向輸入端,SENSE為負(fù)向輸入端,即為外部電感電流Ipk檢測(cè)端。由于Q10、 Q11、Q12偏置相同,故其提供的偏置電流相同。Q10、Q13、RS構(gòu)成A1比較器正向輸入支路。由于VCC和VBIAS電壓為常數(shù),Q13采用二極管連接方式,A點(diǎn)的電壓為VBE13+VS;由于Q13、Q14同為NPN管,其兩管的VBE閾值電壓相同,當(dāng)VSENSE>VBE13+VS- VT(be)時(shí),Q14截止,B點(diǎn)上升為高電平,Q15導(dǎo)通,VA1輸出低電平,通過(guò)控制與非門觸發(fā)單穩(wěn)電路,外部功率管關(guān)斷,VSENSE迅速下降為 0,Q14導(dǎo)通,B點(diǎn)被拉至低電平,Q15關(guān)斷,VA1輸出高電平,此時(shí)控制信號(hào)為與非門所屏蔽,不觸發(fā)單穩(wěn)電路。電路進(jìn)入1.7μs暫穩(wěn)態(tài),等待外部電感L放電結(jié)束。
由于系統(tǒng)外圍電路的主要功率損耗來(lái)源于反饋電阻RS1和電感L的寄生串聯(lián)電阻,所以可以通過(guò)低反饋電阻技術(shù)來(lái)降低系統(tǒng)外圍器件功耗。即通過(guò)調(diào)節(jié)RS可以提供一個(gè)盡可能小的比較參考電壓VRA1(約為30mV),對(duì)于電感:當(dāng)VRA1減小時(shí),對(duì)于相同電感的Ipk,可以有效地減小RS1阻值,進(jìn)而降低系統(tǒng)外圍器件功耗。
2、負(fù)載電流反饋電路
圖1中,電感L、二極管D、負(fù)載、檢測(cè)電阻RS2、A2比較器組成的環(huán)路為負(fù)載電流反饋電路。VFB端為A2比較器反向輸出端,即負(fù)載電流檢測(cè)端。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)時(shí),電感L通過(guò)二極管D給電容C2和負(fù)載供電。此時(shí)電感 L給負(fù)載供電電流為Ipk,此時(shí)VFB端檢測(cè)電壓VFB達(dá)到最大為Ipk×RS2,大于A2比較器的正向參考電壓VRA2,A2 比較器輸出低電平,通過(guò)與非門控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā),關(guān)斷外部功率管,而此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),外部功率管已經(jīng)處于關(guān)斷狀態(tài), A2比較器會(huì)持續(xù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)。隨著電感電流IL減小,電容C2兩端電壓逐漸上升,當(dāng)外部電感電流IL滿足式(2):
這時(shí)電容C2開(kāi)始對(duì)負(fù)載供電。當(dāng)電感電流IL降為0,系統(tǒng)進(jìn)入電感電流非連續(xù)模式,這時(shí)只有電容C2給負(fù)載供電,當(dāng)負(fù)載電流ILoad小于IL0時(shí),A2比較器輸出高電平,其控制信號(hào)為與非門所屏蔽,不觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路。此時(shí)外部功率管導(dǎo)通,開(kāi)始給電感L充電?;鶞?zhǔn)電路與A2比較器電路如圖3所示,左邊為帶隙基準(zhǔn)電路,右邊為A2比較器。Q1~Q5和R1~R3組成帶隙結(jié)構(gòu),產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓VREF,VREF通過(guò)電阻分壓產(chǎn)生比較器考電壓VRA2。Q4和Q5的VBE之差為:
其中,AE4、AE5為晶體管Q4、Q5的發(fā)射區(qū)面積,比值為N:1,得到基準(zhǔn)電壓為:Q6~Q9和R6構(gòu)成A2比較器,BIAS為偏置電壓,D點(diǎn)為正向輸入端,VFB為負(fù)向輸入端,VRA2為A2比較器的輸出端。A2比較器主要是根據(jù)負(fù)載電流大小,來(lái)調(diào)節(jié)占空比大小,減小負(fù)載電流波動(dòng)。
由圖3可知,正向端參考電壓為:Q6、Q7偏置相同,Q8為二極管連接方式,當(dāng)外部功率管導(dǎo)通時(shí),VFB
Q9截止,VA2輸出高電平,單穩(wěn)態(tài)不觸發(fā)。當(dāng)VFB>VRA2,Q9導(dǎo)通,VA2輸出低電平,觸發(fā)單穩(wěn)態(tài),關(guān)斷外部功率管。
模擬仿真結(jié)果
采用2μm 15V bipolar工藝進(jìn)行電路設(shè)計(jì),電路各模塊和外圍元件的連結(jié)如圖4所示。外圍元件的取值為:L=22μH,RS1=40mΩ,RS2=15Ω,C1=2.2μF,C2=2.2μF。采用Hpsice電路模擬軟件對(duì)電路進(jìn)行模擬驗(yàn)證。在系統(tǒng)典型工作條件(VIN=3V,T=25℃,VOUT=10.8V)下,系統(tǒng)各端子的瞬態(tài)模擬輸出波形如圖4所示(典型情況下,系統(tǒng)大約只需200μs就達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓)。表1為典型工作條件下電學(xué)特性的模擬結(jié)果。
芯片版圖設(shè)計(jì)
雙極工藝相對(duì)于CMOS工藝具有噪聲小、速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),擁有較高的精度。芯片采用2μm bipolar工藝設(shè)計(jì),由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,器件較少,版圖面積為0.67mm×1.28mm。
本文設(shè)計(jì)了一種用于彩色LCD背光照明的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片。采用PFM控制模式低反饋電阻技術(shù)、負(fù)載電流反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗恒流輸出的設(shè)計(jì)目標(biāo)?;?2μm bipolar工藝仿真驗(yàn)證,在20mA典型應(yīng)用時(shí),電流調(diào)整率達(dá)到0.02mA/V,效率為80.1%。芯片能在8V的電源電壓下穩(wěn)定工作,最大靜態(tài)電流為152μA。該芯片擁有低功耗、電壓電流紋波系數(shù)小、成本低等優(yōu)點(diǎn)?,F(xiàn)在的LED燈或許會(huì)有一些問(wèn)題,但是我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,在我們科研人員的努力下,這些問(wèn)題終將唄解決,未來(lái)的LED一定是高效率,高質(zhì)量的。