凤凰体育App 白光驱动电荷泵芯片设计

日期:2021-02-25 02:16:57 浏览量: 135

上海大学硕士学位论文白光驱动电荷泵芯片设计名称:徐建学位应用:硕士学位:电力电子与电力传输讲师:陈国成20070101上海大学硕士学位论文摘要白光LED体积小,能耗低,低热量,长寿命等显着优势,因此被认为是未来光源的最有希望的组成部分,并且越来越多地用于彩色屏幕背光领域。带有彩色屏幕的便携式数字产品通常由电池供电。如果为便携式数字产品的彩色屏幕提供背光的白光LED由电池直接供电,则随着电池电压的下降,白光LED的亮度将受到影响,甚至下降到低于液晶显示器的阈值电压。白光LED。向下,导致无法点亮。因此,有必要在电路设计中使用升压型电荷泵芯片,以使下降的电压长时间稳定在5V。本文分析,设计并成功开发出了用于白光LED驱动器的电流型电荷泵DC。 DC芯片。它使用CSMC O. 6urn技术,输入电压范围为2.7 V,qV,输出电压为5V亚博app ,并且可以驱动4个白色LED。使用新的数字调光模式可提供32级亮度输出。在电路设计中,根据功能需要进行整体电路结构设计和子模块设计。重点分析了典型的子模块的电路原理,如带隙基准,振荡器,开关管,数字调光,温度保护等,并使用该模块对每个模块和整个电路进行了仿真。 Cadence公司的EDA软件。

仿真结果表明,所设计的电荷泵工作正常,符合设计要求。在电荷泵芯片的布局设计中,开关阵列MOS管采用新型的WAFFLE结构,大大减小了芯片占用的面积。最终,在完成了一系列的仿真,布局,验证和其他任务之后,该芯片在无锡上华铸造厂成功地进行了贴带,封装和测试。测试结果表明该芯片功能正确。关键字;白色LED,电荷泵,直流。 DC,数字调光电荷泵芯片,在ABSTRACT上获得硕士学位由于其体积小,上海大学V,功耗低,发热量低,使用寿命长等优点,白光LED被认为是最有可能发展未来照明的组件。它使多个文件变型为“ scrolsv”:在柔软的电镀版上经常使用的备份。如果将whiteLED直接贴入面糊中,则作战标签会影响whiteLED。即使电池电压超过阈值电压,白色LED仍可对泵浦芯片进行充电,以保持下降的电压。高效的低噪声电荷泵DC / DC通道分析。“在他的纸片中分析出,成功地使用了O.6um CMOS工艺,在宽的输入电压范围内成功产生了5V的一流输出电压,它可以驱动四个白光LED Senew数字调光模式,并具有32个水平的亮度输出。全芯片电路采用EDA工具的节奏,即Sicic ecticction。布局设计中,开关MOS采用WAFFLE结构减小芯片的小面积。在完成电路仿真布局后,芯片上的附加贴带式晶圆代工​​厂完成。 。测试ethechip的其余部分。

关键词:白光LED,电荷泵,DC-DC,数字调光器,WAFFLE VI上海大学硕士学位论文原创性声明我声明所提交的论文是我在上级主管的指导下进行的研究工作。除了本文中的特殊说明和致谢,本文不包含他人发表或撰写的研究结果。参与同一工作的其他同志在论文中做了清楚的解释,并对这项研究的任何贡献表示感谢。签名:盆盔日期:o。 2本论文的使用授权表明,我完全了解上海大学关于学位论文保留和使用的规定,即:学校有权保留论文并提交论文的副本,以使论文得以发表。咨询和借用;学校可以发表论文的全部或部分内容。 (解密后,机密论文应遵守该要求)II上海大学硕士学位理论第1章引言1.1白光LED及其驱动器介绍1.1.1白光LED介绍自从Nichia的Nakamura Shuji发明以来,自1996年引入白光LED以来,白光LED他们的驱动技术发展很快。与传统的光源相比,白光LED具有显着的优势,例如体积小,能耗低,发热少,寿命长。因此,它们被认为是未来光源最有希望的组件。图1.1显示了白色LED的正向伏安特性,其数学模型可以表示为Lo =‰a。 + RdF +(罗/ AT Xian-25。

c)(1. 1),其中y是LED的起始电压,Rs是伏安曲线的斜率,JF是LED的正向电流,是环境温度,Ge / AT是LED的正向电压温度系数,对于大多数LED而言,其典型值为0.2W。从LED的伏安曲线和数学模型来看,在正向传导后LED的正向电压会有很小的变化,造成L ED电流的大变化,此外,环境温度,LED老化时间等因素也会改变LED的电性能,LED的光输出与LED电流直接相关,因此LED驱动电路受输入电压,环境温度等因素的影响,在变化的情况下,最好控制LED电流的大小,否则,LED的光输出会随着输入等因素的变化而变化。电压和温度Vtun-on图1.1在理想状态下,白光LED的正向I- V特性白光LED的正向电流的大小也会随温度而变化。图1.2是Nichia提供的普通白光LED的允许正向电流与温度的关系曲线。当环境温度一旦超过50,白光LED的允许正向电流将大大降低。在这种情况下,如果仍然施加大电流,则很容易导致白光LED老化。 40 2040 60 80 100环境温度()图1.2白光LED正向电流随温度变化的曲线。由于白光LED还具有丰富的三基色温度和高发光效率,因此非常适合液晶显示器的背光源。

随着彩色LCD监视器在手机,PDA和数码相机中的广泛应用,作为光源的白光LED变得越来越普遍。为了获得适当的显示颜色,彩色显示器通常需要白光源。提供自发光光源的主要方法有两种:白光LED和CCFL(冷阴极荧光灯)。 CCFL已在笔记本计算机中使用多年。然而,考虑到尺寸,复杂性和成本的优点,最近的发光LED已经成为小型便携式终端的理想光源。白光LED仅需要相对较低的DC电压(3V至4V),而CCFL则需要极高的(200.500Vrms)AC电压和昂贵的基于变压器的电源,并且占用较大的电路板面积。因此,白光LED逐渐取代CCFL,并得到越来越广泛的使用。白光LED的正向压降高于其他普通LED。例如,红色LED的正向压降约为1.8V,绿色LED的正向压降通常为2.2V至2.4V。因此,其他LED可以由典型的电池电压直接供电,而大多数白光LED需要独立的电源。现在,许多便携式数字产品都由锂电池供电。充满电后,锂电池可提供4伏的输出电压,该电压会在短时间内降至标称的3.5V。由于产生了气泡2的上海大学硕士学位论文用电,其输出电压将进一步降至3.0V甚至2.7V。如果白光LED由电池直接驱动,则会出现以下问题:电池充满电后,所有白光LED都点亮,但是它们的光强度和颜色会有所不同。

随着电池的使用,电压将降低,这将影响使用效果,尤其是当电池电压降至其标称电压时,光强度降低,白光差变大。电池完全放电后,某些LED将完全熄灭。因此,白色LED的电源不能直接连接到锂电池。在电路设计中,需要一个升压器件来将下降的电压稳定在5V一段长时间,以充分利用电池的电势并提高使用的经济效率。 1.1.2白光LED驱动器基于以上所述,在便携式电子产品中,白光LED需要升压型驱动器来克服较高的白光LED正向压降,并且需要恒流型驱动器以减小差异。亮度变化是由1到20个LED的一致性造成的。白光驱动电路可根据其驱动方式分为串联和并联两种,如图1.3所示。串联驱动器并联驱动器图1.3白光LED驱动器的两种主要方式串联方法可以确保相同的电流流过每个白光LED。但是,由于使用电感,存在EMI等问题,并且体积较大。电荷泵由于其结构简单,几乎没有EMI问题,而且体积小,已广泛用于便携式数字产品中。本文主要研究并联白光LED的驱动。用于白光LED驱动器的电荷泵可分为以下两种类型:电压控制电荷泵和电流控制电荷泵。 1.电压源加镇流电阻上海大学硕士学位论文驱动方式如图1.4所示,电路采用稳压源和镇流电阻控制LED电流。这种结构的优点是选择电压源的空间很大。在不考虑其正向电压的情况下,为白色LED提供一定的电压。

驱动器芯片和LED之间仅需要一个连接端子,外围能量存储组件仅需几个电容器即可从2.7V0.55V的输入电压获得稳定的5V输出电压。完全不需要电感,从而构成了整个应用电路。它体积小巧,非常适合需要节省电路板面积的应用(例如手机应用)。此外,由于不需要使用电感器,因此不会产生一般电压转换器最头痛的线圈引入的噪声问题,并且不存在电磁干扰问题。图1.4:电压源加上镇流电阻驱动模式但是,这种驱动方法的缺点也很明显:首先,尽管它可以提供大于其正向电压的恒定电压来为白光LED提供正向驱动,但是对于白光LED,正向电压具有很大的色散,这也导致白光LED亮度不一致。尽管镇流器电阻可以调整和匹配,但它增加了系统的复杂性并增加了系统功耗。其次,因为锂电池使用电荷泵来升压,所以它们经常使用倍压。也就是说,对于锂电池,假设其电压为4V,如果使用电荷泵将电压加倍幸运快三 ,则输出电压应为8V,而为了获得稳定的5V输出电压,需要牺牲电压。这种工作方式导致输入电压越高,功率转换效率越低。 2.多通道电流源驱动器图1.5是使用多个电流源驱动白光LED的方案。该电路可以分别调节LED。 U'an,U'an,U'an,U'an,U'an和Drum,Drum,V? 4,上海大学硕士学位论文。指标,镇流电阻的减小也进一步减小了应用电路的有效体积,更适合于空间极窄的场合。

与基于电感结构的驱动方案相比,该结构具有很高的竞争力。图1.5多电流源驱动并联LED结构1.2论文的主要工作1.2.1本项目要实现的目标在分析以前的电荷泵电路的基础上,设计了一种新型的白光驱动电荷泵芯片。它使用多个电流源控制来驱动便携式数字产品中彩色屏幕的背光。输入电压范围为2.7qv,可驱动4个自发光LED,输出电流为80mA。该芯片具有32级调光功能,可以满足不同场合的需求。其开关频率为600kHz,输出电压为5V,电压输出纹波值小于30mV,效率大于90%。具有控制端子闭合,短路和过热保护电路,芯片的工作温度。 40oC等于850C。 1.2.2本文完成的工作本文对各种白光LED驱动器进行了分类和比较,并在此基础上完成了新的白光LED驱动器芯片的设计。上海大学硕士学位论文在电路设计中,根据功能需求进行了电路的总体结构设计和子电路模块设计。着重分析了几种典型的子电路模块的原理,并对设计进行了改进。在完成电路原理分析和电路设计的基础上,使用EDA软件SPrectre对每个子模块和整个电路的功能进行仿真,仿真结果达到设计指标。最终,在完成电路仿真,布局设计和验证后,晶片在无锡上华铸造厂成功贴带并完成了芯片测试。测试结果表明该芯片功能正确。

1.3论文的结构本文分为6章。第一章介绍了白光LED的特性和驱动白光LED的不同方案,并比较了不同方案的优缺点。第二章介绍了电荷泵的基本原理,比较了两种稳定电荷泵输出的方案,并介绍了该电荷泵的总体设计方案。第三章分析了本主题中每个子模块的设计过程,包括带隙基准电路,数字调光电路,振荡器,开关管和保护电路等。对子模块和整个电路进行了仿真。第4章介绍了本主题中设计的白光驱动电荷泵芯片的模拟集成电路布图设计技术和布图设计过程,并详细介绍了WAFFLE结构的开关管,ESD保护等。布图设计:第5章主要介绍了该芯片的测试计划和测试结果。第6章对全文进行了简要总结和展望,并提出了一些后续研究计划。 6上海大学硕士学位论文第2章电荷泵原理与总体架构分析2.1概述'Hu 1最早的电荷泵模型是J. Dickson于1976年提出的,如图2.1所示,电路的时钟幅度为d,正向二极管的电压为νD,寄生电容为Cs。通过沿二极管链在每个时钟周期中连续充电和放电来实现电路的升压。图2.1 Dickson电荷泵未考虑寄生电容Cs。当时钟相位为低时,二极管D1导通并且二极管D1导通。电压变为%-1%;当φ的振幅变为d时,节点1的电压变为+(1%),使D2导通,对节点2的电容器进行充电,直到节点2的电压变为%+(%一%)为止。

再次变低时,节点2的电压变为%+ 2(a%)。以此类推,电压通过N电平后,输出电压将为=‰+ 00%)-%(2. 1)。如果考虑寄生电容cs,则时钟电压在传输期间将衰减至原始C ./(C+Cs)。因此,实际输出电压为:上海大学硕士学位论文1亿z,电路中的二极管实际上起着开关的作用,但是这种开关并不理想,它具有一定的导通性。 -电阻,每个开关的导通电阻可以表示为l /(c + cs)fosc(错了。是电荷泵的工作频率)。如果电路的输出电流为/ outpp电子 ,则电压降整个开关链上的NIOsc /(c + cs)表示为:输出电压的表达式变为:在现代CMOS工艺中,通常使用连接到漏极至栅极的MOS管代替二极管,如图2所示。图2.2(2. 4),其中‰是MOS管的读取电压。电荷泵各级的电压增益i在s -C den + C-s矿中,一侧干l瓦特可以为r = 1‰,可以看出,当石头£ i聪明侧为干li ouT <‰时凤凰彩票app ,电荷泵将不具有升压功能。 2.2电荷泵稳定输出的两种方式131〜39尽管使电荷泵电路中的电流开关导通电阻RON变小,但电容器的等效串联等效于上海大学硕士学位论文的等效串联。添加到泵电路的输出以稳定输出电压。有几种方法可以控制输出电压的稳定性。

2.2.1控制振荡器的工作状态改变电荷泵的工作状态可以改变由泵电容器传输的电荷量YABO88 ,这可以在不同的负载电流下实现稳定的输出电压,如图2.3所示。图2.3控制振荡器工作状态的稳定输出在此模式下,开关管的总导通电阻R为恒定值,电荷泵输出Vout f; 1将分压后的电压与内部参考电压进行比较后,输出使能信号来控制振荡器的工作状态。当输出电压高于期望值时,振荡器停止;当输出电压低于期望值时,振荡器重新启动以将电荷泵输出保持在理想值。在这种模式下,电荷泵的输出电压具有较大的纹波。由于振荡器间歇性工作,因此静态电流很小,但噪声也会增加。 2.2.2控制充电电路的电阻值通过这种方式,可以使用可变电阻器来改变充电电路的时间常数RC,以实现对输出电压的稳定控制。如图2.4所示,电荷泵电路由一个开关管s1〜s 4、电容器8、振荡器2 5、可变电阻器38组成一个升压结构,因此输出电压%UT高于输入电压电压Pk。振荡器输出频率/ k(占空比为50%的方波)通过驱动电路,并输出时钟信号Vctx 9上海大学硕士学位论文和vclKB,用于控制开关的打开和关闭如图2所示。为了防止短路,两个时钟信号彼此不重叠。当Vctx为高电平时,开关s 1、 s3闭合;当VclK为低时,开关s 1、 s3断开;当Vclk为高时,开关S 2、 S4闭合。当Vclk为低电平时,开关s 2、 S4断开。

当开关s 2、 S4闭合且s 1、 s3断开时,输入电流从输入端子流经可变电阻器38,并且开关s4为电容器8充电,示出了电流示意图如图2.5所示。图2.4控制充电环路的电阻以稳定电荷泵输出tlt2 t3 t4图2.5电荷泵开关管A相的时序图(t1至t 2):开关s 2、 s4闭合,开关s 1、 s3断开当t1时,开关S 2、 S4闭合,电流信号迅速上升,然后电流逐渐减小,这是由于电容器8、 s s 2、 s4和电阻,由可变电阻器38形成的时间常数导致变化趋势,因为可变电阻器38被添加到电荷泵电路中,所以它使t1处的峰值电流与输入电流之间的变化在不超过t1和t1。可变电阻38应该很小,以减少输入电压端子上的不理想噪声。B级(t3至t 4):开关s 1、 s3闭合,s 2、 s4切断输入电流,风流过输入端子可变电阻器3 8、接通s 3、电容器8,t当电容器8通过开关S1流到负载时,如图2.4所示。在t3和t4之间,开关S 1、 S3闭合。在t3,电流迅速上升;与A相相同,然后电流消耗逐渐减小。与没有可变电阻的情况相比,可变电阻38在t3减小了输入电流尖峰,同时,输入电流变化从t3减小到t4,从而减小了输入电压噪声。

以此方式,可变电阻器38控制通过电容器8和每一级的其他四个开关的输入电流。通过电容器的电流由以下公式确定。当开关S 2、 s4闭合时,通过输入电流向电容器8充电的电荷量等于当开关S 1、 S3闭合时电容器8向负载放电的电荷量。在开关s 2、 s4闭合期间,电容器8上的电压变化(Jge)等于在开关s 1、期间上电容器8上的电压变化(d%)。 s3关闭。将该特性代入公式(2.可获得5):(z。6)其中C8是电容器8,tx是每个周期t中开关S 2、 s4闭合的时间长度。是每个周期开关s 1、 s3闭合的时间长度,/ R38是流经可变电阻器38的平均电流(此〜平均电流在两个阶段中相等)。求解公式(2- 6)表示t,ty,t-tj分别由时钟信号vclK和vcu(B。)控制。在一个周期中,电荷泵/ our的平均输出电流(例如同时开关S1的平均电流)为等于负载电流5。流经可变电阻器38的电流仅在S1闭合时在B相中流向%Lr。在A相中,由于开关S1断开,电荷泵的输出电流等于因此,流过可变电阻器38的平均电流应为两次平均输出电流/输出,当开关S 2、 S4闭合时,平均电流为零。流经可变电阻器38的电流可以通过以下公式计算:(2。 7)岛上的地方。

是可变电阻器38的电阻值,‰是电容器8上的平均电压。当开关S1和S3闭合时,流经可变电阻器38的平均电流为:(2. 8)电流因为两个单元连接在一起,所以流经电阻器38的电流等于流经电容器8的电流,因此,当开关s 2、 s 4闭合时流经电阻器38的平均电流等于平均值​​。当开关s 1、 s3闭合时,流过电阻38的电流。求解方程式(2. 7),(2。8))可以看出,%8等于%Ur的一半。(2 。9)在下面的讨论中,等式(2. 9)可以转换为:ro。= 2‰-41 LR“。假设在开关s 2、关闭S4时,办公室8为零,p被加到电容器8上。由于电容器上的电压差不能突然改变,因此当开关s1和s3在另一级闭合时,电压会有所不同。电容器两极板之间的ce仍为‰。电容器负极板的电压已变为pk。电容器g的正极板具有包括电阻器31A和31B,参考源32和运算放大器34的反馈回路。该反馈回路可以通过控制可变电阻器38的电阻,来输出电容器9和负载11。控制,并调整输出电压%。 12上海大学硕士学位论文电阻分压器31A / 31B为运算放大器的正输入提供输出电压%UT。参考电压源32为运算放大器的负输入提供稳定的输入电压。放大器34放大反馈信号和参考电压之间的差,并在其输出处生成放大信号以控制可变电阻器38。可变电阻器通常使用在线性区域中工作的场效应晶体管(例如P沟道MOSFET) )。当负载电流小于流入负载的L的平均输出电流时,多余的电荷将被存储在电容器9上,并且输出Eg E电荷泵芯片,%。上升。这样,%UT的电压反馈信号使放大器的电压输出信号上升,这种变化