摘  要： 基于CSMC 0.18 μm工藝,，介紹了一種應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的PWM振蕩器電路。采用雙低壓線性穩(wěn)壓器（LDO）結(jié)構(gòu),，針對傳統(tǒng)PWM振蕩器高頻振蕩時(shí)因內(nèi)部時(shí)延造成輸出占空比偏差嚴(yán)重的問題,，通過電流雙向補(bǔ)償技術(shù)，在保持電路振蕩頻率不變的情況下,，消除了內(nèi)部時(shí)延對輸出占空比的影響,；利用高PSRR帶隙基準(zhǔn)為電路提供基準(zhǔn)電壓，抑制電源噪聲,。仿真結(jié)果表明,，該振蕩器輸出頻率為200 Hz~20 MHz，在固定頻率下占空比可從10%~90%連續(xù)變化,，電源電壓抑制比為110 dB,。
關(guān)鍵詞： 占空比；振蕩器,；LDO,；基準(zhǔn)電流

　脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)以其簡單、靈活的優(yōu)點(diǎn),，在電力電子方面得到了廣泛應(yīng)用,。通過PWM控制LED驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流調(diào)節(jié)LED亮度是LED驅(qū)動(dòng)芯片的一項(xiàng)基本功能，因此,，設(shè)計(jì)出高性能PWM振蕩器電路對于未來LED照明的發(fā)展具有重要意義[1],。為了避免振蕩器高頻振蕩時(shí)，因內(nèi)部時(shí)延造成PWM輸出占空比不準(zhǔn)而影響PWM調(diào)光精度的情況,，需要對PWM振蕩器作進(jìn)一步優(yōu)化,。其次,，穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓是PWM振蕩器準(zhǔn)確輸出的前提，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性在很大程度上取決于基準(zhǔn)電源對電源噪聲的抑制能力,，即電源抑制比PSRR（Power Supply Rejection Ratio）,，提高基準(zhǔn)電源的PSRR特性需要高的PSRR電路，尤其是需要優(yōu)化其低頻段的PSRR特性[2],。本文討論了一種帶電流補(bǔ)償技術(shù)的低電源噪聲PWM振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，并分析了其工作原理。
1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理
　 電路的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,，由Bandgap,、雙LDO恒流源和比較器反饋輸出電路三部分組成。

    為了使基準(zhǔn)源具有比較高的PSRR,，Bandgap電路采用帶負(fù)反饋的兩級輸出結(jié)構(gòu),，且Rb1=Rb2，三極管Q2的個(gè)數(shù)是Q1的整數(shù)倍,。假設(shè)Q1,、Q2發(fā)射極面積比為N：1，Q1,、Q2在不同電流密度下的基極-發(fā)射極電壓差為ΔVb,，OP3的放大倍數(shù)為A，則可得出Bandgap輸出電壓為：

    從比較器反饋輸出電路中可以看出,，振蕩器的工作頻率為電容的充放電頻率,。差分比較器通過輸出信號來控制電容C0的充放電，并將反饋回來的電壓V1或V2（V1>V2）與電容上的電壓進(jìn)行比較,，從而使其振蕩,。為了提高LDO反應(yīng)速率，OP1,、OP2需采用甲乙類輸出結(jié)構(gòu)[5],。具體工作過程為：M9和M10作為開關(guān)管，控制電容C0的充放電時(shí)間,。當(dāng)M10打開,，M7關(guān)斷時(shí)，電容充電,，一段時(shí)間后,，當(dāng)電容電壓超過門限電壓V1時(shí)，比較器會控制M11或M12來“翻轉(zhuǎn)”電流,，使之帶有相反極性,；同理，當(dāng)M10關(guān)斷，M7打開時(shí),，電容放電,，當(dāng)電容電壓低于門限電壓V2時(shí)，比較器“翻轉(zhuǎn)”,，電容開始充電,。輸出倒向器INV2很“強(qiáng)”，能提供很強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng),，同時(shí),，INV1很“弱”，以保持上一狀態(tài)[6],。
    振蕩器在振蕩頻率較低時(shí),，由于電路時(shí)延比較小,，對占空比的影響可忽略,。但是，當(dāng)工作頻率提高,，周期與時(shí)延接近,，占空比偏差會表現(xiàn)得非常明顯。例如,，振蕩頻率為20 MHz時(shí),，PWM周期為50 ns，這時(shí)電路時(shí)延對占空比的影響是不可忽略的,。為了使電路工作頻率較高時(shí)PWM占空比輸出依然準(zhǔn)確,，電路中采用了電流補(bǔ)償技術(shù)。


　值得注意的是,，式（4）只有在電路時(shí)延可忽略的情況下才適用,，其次，上述分析是基于電路中各電流鏡復(fù)制比例為1：1和電阻R1=R2進(jìn)行的,，具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況作相應(yīng)調(diào)整,。
2 仿真與測試
　基于CSMC 0.18 μm工藝進(jìn)行仿真。電路供電電壓為5 V,，圖3（a）,、（b）分別為F=20 MHz，dr=50%時(shí)補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的仿真波形,。由圖可知,，補(bǔ)償后占空比值得到很好的修正。電路基準(zhǔn)電壓PSRR仿真結(jié)果如圖4所示,，可以看出,，在低頻時(shí)基準(zhǔn)電壓對電源噪聲抑制比可達(dá)110 dB。

    通過測試芯片輸出電流變化可間接反映出PWM振蕩器的性能,，如圖5,、圖6所示,，其中，圖5為F=500 kHz時(shí)dr從10%~90%變化輸出電流曲線,，圖6為dr=50%時(shí)F從200 Hz~20 MHz變化輸出電流曲線,。可以看出,，振蕩器具有良好的動(dòng)態(tài)輸出范圍和抗干擾能力,。

　通過外接電阻對芯片內(nèi)部振蕩電流進(jìn)行雙向補(bǔ)償，改善PWM占空比輸出,，達(dá)到精確調(diào)光的目的,。本文對一種應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)芯片的PWM振蕩器從原理到版圖進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并在流片后對PWM功能進(jìn)行了測試,，結(jié)果表明,，其符合設(shè)計(jì)要求。電路中存在的失調(diào)電壓一樣會對輸出占空比產(chǎn)生影響,，版圖設(shè)計(jì)在本電路中同樣具有舉足輕重的地位,，在設(shè)計(jì)版圖時(shí)應(yīng)盡量做好各輸入對管之間匹配，減小系統(tǒng)失調(diào)電壓,。本電路亦可作為模擬IP核應(yīng)用于其他系統(tǒng)芯片中,。
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