一款用于白光LED驅動(dòng)的電流型電荷泵設計方案

0、引言

　　目前用于白光驅動(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，而電荷泵電路結構簡(jiǎn)單，EMI較小，得到了廣泛的應用。

　　白光LED驅動(dòng)的電荷泵主要有兩種類(lèi)型：電壓模式和電流模式。相對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，大大節省了空間。

　　本文所提出的用于白光LED驅動(dòng)的電流型電荷泵電路的設計方案。該設計方案采用1.5倍壓升壓，比傳統的2倍壓升壓模式提高了效率，并采用數字調光方式，可提供32級灰度輸出，滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的要求。系統結構如圖1所示。主要可分為以下部分：帶隙基準電路，軟啟動(dòng)電路，振蕩器，1.5倍壓電荷泵，數字調光模塊。當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，使輸出電壓穩定在5 V，如果EN/SET端輸入一串脈沖后置高電平，則數字調光模塊可記錄下脈沖個(gè)數，然后轉換成不同的輸出電流，實(shí)現調光功能。

　　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)驅動(dòng)電路，控制S1~S7的導通與關(guān)斷。時(shí)序如下：第一時(shí)刻，開(kāi)通S1、S4、S6，Vin對電容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C2充電，使VC1=VC2=1/2 V1，最后加上V1對C3充電，周而復始，VCUT經(jīng)過(guò)電阻分壓，與基準電壓做比較，控制上端MOS管的導通電阻，改變充電回路的RC充電常數，最終使輸出穩定在5 V.圖3為控制脈沖時(shí)序圖，其中D1為S1的驅動(dòng)信號，低有效；D2為S4、S6的驅動(dòng)信號，高有效；D3為S2、S3、S5、S7的驅動(dòng)信號，低有效。為了防止時(shí)鐘饋通，驅動(dòng)電路中包含了非交疊時(shí)鐘電路。

　　1.2 實(shí)際電路設計

　　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，計算開(kāi)關(guān)管的寬長(cháng)比。根據版圖設計規則的要求，單個(gè)管子的寬長(cháng)比W/L可以設定為2.8μm/0.6μm.假設S1的寬長(cháng)比為x（W/L），S4的寬長(cháng)比為y（W/L）。本設計采用 CSMC0.6 μm工藝，根據工藝及設計要求，V1=3.3 V，unCOX=50μA/V2 VTHN=0.7 V，|VTHP|=1 V，2up=un，因為

　　其它管子的寬長(cháng)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(cháng)比很大，一般采用晶體管并聯(lián)的形式，在版圖上通常以waffle的結構實(shí)現。

　　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，使開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生閾值損失，導致電荷泵電