??? 摘 要： 設(shè)計了一款基于2μm bipolar工藝,、應(yīng)用于彩色LCD背光照明的白光LED驅(qū)動芯片,。采用PFM控制模式、低反饋電阻及負載電流反饋技術(shù)實現(xiàn)芯片驅(qū)動的低功耗和恒流輸出,。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,，負載電流為20mA時，輸出電壓紋波系數(shù)為0.013%/V,，輸出電流紋波系數(shù)為0.02mA/V,，效率為80.1%,；芯片版圖面積為0.67mm×1.28mm。
??? 關(guān)鍵詞： PFM控制,；低反饋電阻,；升壓；開關(guān)電源
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??? 當前消費類電子產(chǎn)品的巨大市場和發(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,、手機背光屏等，DC/DC是其非常理想的電源轉(zhuǎn)換器件[1],。
??? 本文基于2μm 15V雙極型工藝設(shè)計了一種電流控制型PFM Boost DC-DC開關(guān)變換器芯片,，通過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)時輸出電壓電流紋波系數(shù),。芯片采用Fixed-On-Time控制方式,，當整個系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時處于Boost PFM的不連續(xù)導通模式（DCM），而這種工作模式具有天然的穩(wěn)定性[2],。
1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
??? 系統(tǒng)采用如圖1所示典型的電流控制型PFM Boost DC-DC 變換器拓撲結(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，低電平時關(guān)斷整個芯片以降低靜態(tài)功耗,；SENSE為輸出電壓反饋采樣端,；VFB為負載電流反饋采樣端；DRIVE為外部功率開關(guān)控制端,；基準電壓通過電阻分壓產(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通過一個二端與非門控制一個暫穩(wěn)態(tài)為1.7μs單穩(wěn)態(tài)電路,；輸出級DRIVE驅(qū)動外部功率管QT,。
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????系統(tǒng)將工作在兩個狀態(tài)：連續(xù)導通模式(CCM)和不連續(xù)導通模式(DCM)。VIN上電,，STDN置高電平,，基準源為A2比較器提供的比較參考電壓為VRA2。由于系統(tǒng)剛啟動,，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導通,。當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，開始給外部C2充電,，在RS2兩端電壓未達到A2比較參考電壓前,，系統(tǒng)將重復上述過程，系統(tǒng)工作在連續(xù)導通模式,。當RS2兩端電壓超過A2比較電壓VRA2時,，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,，從此時起1.7μs內(nèi)L給C2充電，當L放完電后,，C2開始放電,，致使RS2兩端電壓仍然超過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)導通模式,。系統(tǒng)啟動升壓為連續(xù)導通模式,，進入穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)為不連續(xù)導通模式。
2 電路原理與設(shè)計
2.1 開關(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)動放大器和外部開關(guān)管組成的環(huán)路為開關(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導通,，二極管D截止，電感L中的電流線性上升,。當電感電流較小時,，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),；而當電感電流上升至限流Ipk時，電阻RS1上的壓降達到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)電動勢為左負右正,，二極管D導通,，電感L開始對C2進行充電，輸出電壓VOUT上升,。這一過程將持續(xù)1.7μs至暫穩(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重復上述的開關(guān)過程,，直至最終VOUT達到額定輸出電壓,。
??? 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為負向輸入端,，即為外部電感電流Ipk檢測端。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VSENSE>VBE13+VS-VT(be)時,，Q14截止，B點上升為高電平,，Q15導通,，VA1輸出低電平，通過控制與非門觸發(fā)單穩(wěn)電路,，外部功率管關(guān)斷,，VSENSE迅速下降為0，Q14導通，B點被拉至低電平,，Q15關(guān)斷,，VA1輸出高電平，此時控制信號為與非門所屏蔽,，不觸發(fā)單穩(wěn)電路,。電路進入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,，所以可以通過低反饋電阻技術(shù)來降低系統(tǒng)外圍器件功耗。即通過調(diào)節(jié)RS可以提供一個盡可能小的比較參考電壓VRA1(約為30mV),，對于電感：
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??? 當VRA1減小時,，對于相同電感的Ipk，可以有效地減小RS1阻值,，進而降低系統(tǒng)外圍器件功耗,。
2.2 負載電流反饋電路
??? 圖1中，電感L,、二極管D,、負載、檢測電阻RS2,、A2比較器組成的環(huán)路為負載電流反饋電路,。VFB端為A2比較器反向輸出端，即負載電流檢測端,。當系統(tǒng)進入暫穩(wěn)態(tài)時,，電感L通過二極管D給電容C2和負載供電。此時電感L給負載供電電流為Ipk,，此時VFB端檢測電壓VFB達到最大為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,，通過與非門控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā),，關(guān)斷外部功率管,而此時系統(tǒng)已經(jīng)進入暫穩(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,，當外部電感電流IL滿足式(2)：
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這時電容C2開始對負載供電。當電感電流IL降為0,，系統(tǒng)進入電感電流非連續(xù)模式,，這時只有電容C2給負載供電，當負載電流ILoad小于IL0時,，A2比較器輸出高電平,，其控制信號為與非門所屏蔽,，不觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路。此時外部功率管導通,，開始給電感L充電,。
??? 基準電路與A2比較器電路如圖3所示，左邊為帶隙基準電路,，右邊為A2比較器,。Q1～Q5和R1～R3組成帶隙結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生帶隙基準電壓VREF,，VREF通過電阻分壓產(chǎn)生比較器考電壓VRA2,。Q4和Q5的VBE之差為：
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其中，AE4,、AE5為晶體管Q4,、Q5的發(fā)射區(qū)面積，比值為N：1,，得到基準電壓為：
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??? Q6～Q9和R6構(gòu)成A2比較器,，BIAS為偏置電壓，D點為正向輸入端,，VFB為負向輸入端,，VRA2為A2比較器的輸出端。A2比較器主要是根據(jù)負載電流大小,，來調(diào)節(jié)占空比大小,，減小負載電流波動,。
??? 由圖3可知,，正向端參考電壓為：
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??? Q6、Q7偏置相同,，Q8為二極管連接方式,，當外部功率管導通時，VFB
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Q9截止，VA2輸出高電平,，單穩(wěn)態(tài)不觸發(fā),。當VFB>VRA2，Q9導通,，VA2輸出低電平,，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，關(guān)斷外部功率管,。
3 模擬仿真結(jié)果
??? 采用2μm 15V bipolar工藝進行電路設(shè)計,，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電路模擬軟件對電路進行模擬驗證,。
??? 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就達到穩(wěn)定的輸出電壓）,。表1為典型工作條件下電學特性的模擬結(jié)果,。
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4 芯片版圖設(shè)計
??? 雙極工藝相對于CMOS工藝具有噪聲小、速度快,、驅(qū)動能力強等優(yōu)點,，擁有較高的精度。芯片采用2μm bipolar工藝設(shè)計,，由于電路結(jié)構(gòu)簡單,，器件較少，版圖面積為0.67mm×1.28mm,。
??? 本文設(shè)計了一種用于彩色LCD背光照明的白光LED驅(qū)動芯片,。采用PFM控制模式低反饋電阻技術(shù)、負載電流反饋技術(shù)實現(xiàn)低功耗恒流輸出的設(shè)計目標,?；?μm bipolar工藝仿真驗證，在20mA典型應(yīng)用時,，電流調(diào)整率達到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,。
參考文獻
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