一种用于白光LED驱动的电荷泵电路设计

2010-07-24 08:56:12来源: 上海大学机电工程与自动化学院

 

0 引 言

  目前用于白光驱动的升压型电路主要有电感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Vout>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] [2]

关键字:电荷泵  DC-DC转换器  白光LED驱动

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2010/0724/article_1848.html
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