0 引 言

目前用于白光驅(qū)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等問題,，而電荷泵電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，EMI較小,，得到了廣泛的應(yīng)用,。

白光LED驅(qū)動(dòng)的電荷泵主要有兩種類型：電壓模式和電流模式。相對(duì)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(dú)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(jié)省了空間,。

本文設(shè)計(jì)了一種用于白光LED驅(qū)動(dòng)的電流型電荷泵電路。采用1.5倍壓升壓,，比傳統(tǒng)的2倍壓升壓模式提高了效率,，并采用數(shù)字調(diào)光方式，可提供32級(jí)灰度輸出,，滿足不同場(chǎng)合的要求,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要可分為以下部分：帶隙基準(zhǔn)電路,，軟啟動(dòng)電路,，振蕩器，1.5倍壓電荷泵,，數(shù)字調(diào)光模塊,。當(dāng)EN／SET端輸入高電平時(shí)，芯片啟動(dòng),，Vin經(jīng)過1.5倍壓電荷泵升壓,，使輸出電壓穩(wěn)定在5 V，如果EN／SET端輸入一串脈沖后置高電平,，則數(shù)字調(diào)光模塊可記錄下脈沖個(gè)數(shù),，然后轉(zhuǎn)換成不同的輸出電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)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通過驅(qū)動(dòng)電路，控制S1～S7的導(dǎo)通與關(guān)斷,。時(shí)序如下：第一時(shí)刻,，開通S1,、S4、S6,，Vin對(duì)電容C1充電,，C2短接，使VC1=V1,，VC2=0,；第二時(shí)刻，關(guān)閉S1,、S4,、S6，開通S2,、S3,、S5、S7,，C1對(duì)C2充電,，使VC1=VC2=1／2 V1，最后加上V1對(duì)C3充電,，周而復(fù)始,，VCUT經(jīng)過電阻分壓，與基準(zhǔn)電壓做比較,，控制上端MOS管的導(dǎo)通電阻,，改變充電回路的RC充電常數(shù)，最終使輸出穩(wěn)定在5 V,。圖3為控制脈沖時(shí)序圖,，其中D1為S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，低有效,；D2為S4,、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高有效,；D3為S2,、S3、S5,、S7的驅(qū)動(dòng)信號(hào),，低有效。為了防止時(shí)鐘饋通,，驅(qū)動(dòng)電路中包含了非交疊時(shí)鐘電路,。

1.2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

整個(gè)開關(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(jì)算開關(guān)管的寬長(zhǎng)比,。根據(jù)版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的要求，單個(gè)管子的寬長(zhǎng)比W／L可以設(shè)定為2.8μm／0.6μm,。假設(shè)S1的寬長(zhǎng)比為x(W／L),，S4的寬長(zhǎng)比為y(W／L)。本設(shè)計(jì)采用CSMC0.6 μm工藝,，根據(jù)工藝及設(shè)計(jì)要求,，V1=3.3 V，unCOX=50μA／V2 VTHN=0.7 V,，|VTHP|=1 V,，2up=un，因?yàn)?/p>

其它管子的寬長(zhǎng)比也可以同理求得,。由于流過開關(guān)管的電流比較大,，開關(guān)管的寬長(zhǎng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),。

如果開關(guān)管的襯底未與源端相接，則會(huì)產(chǎn)生襯底偏置效應(yīng),，使開關(guān)管產(chǎn)生閾值損失,，導(dǎo)致電荷泵電壓無法升至設(shè)定值。如圖4所示,，開關(guān)管S1,、S3、S4,、S5,、S6的源漏端能比較容易的判斷出來，S2,、S7的兩端電壓高低未定,，因此如果處理不妥當(dāng)，會(huì)引起襯底偏置效應(yīng),，本設(shè)計(jì)采用了一種方式,，比較好地解決了這個(gè)問題。通過一個(gè)比較器對(duì)V1和Vout進(jìn)行比較，如果Vout>V1,，則讓S2,、S7的襯底端接Vout端，如果Vout

2 調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)

越來越多應(yīng)用場(chǎng)合希望白光LED驅(qū)動(dòng)器能夠支持LED光亮度的調(diào)節(jié),。目前調(diào)光技術(shù)主要有兩種：PWM調(diào)光,、數(shù)字調(diào)光。PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式是一種利用寬,、窄不同的數(shù)字式脈沖,，反復(fù)開關(guān)白光LED驅(qū)動(dòng)器來改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度,。但需要一個(gè)專用PWM口,，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。本設(shè)計(jì)采用一種新型的數(shù)字調(diào)光技術(shù),。相比PWM控制有明顯的優(yōu)點(diǎn)：將時(shí)序信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部的寄存器中,，使數(shù)據(jù)寄存器輸出一連串的控制信號(hào)，如果需要改變白光LED的亮度,，則重新通過EN／SET對(duì)ROM進(jìn)行修改即可,，不需要一直給EN／SET連續(xù)的PWM信號(hào)來控制白光LED的亮度，這個(gè)特性大大減輕了微處理器的負(fù)擔(dān),，也減少了噪聲,。

其工作原理如下，EN／SET的第一個(gè)上升沿脈沖開啟IC并且初始化設(shè)置LED電流到最低的549 μA,。當(dāng)最終的時(shí)鐘序列輸入為想得到的亮度級(jí)別時(shí),，EN／SET引腳維持高電平來維持裝置輸出電流在程序設(shè)置的級(jí)別。當(dāng)EN／SET引腳置低TOFF=480μs以后,，裝置關(guān)閉,。整個(gè)調(diào)光模塊可分為四大部分：延時(shí)控制，計(jì)數(shù)器,，ROM,，恒流源。

(1) ROM與恒流源

白光LED的亮度和通過它的電流成正比,。本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)恒流源的方式,，最大輸出為20 mA，亮度分為32個(gè)等級(jí),。如圖7所示,。ROM總共為8塊，組成32×8 bit容量,。恒流源由PMOS管組成,，由電荷泵輸出的5 V電源供電，每個(gè)恒流源icell電流為19.6μA。恒流源具有使能端,，根據(jù)ROM中的數(shù)據(jù)決定該恒流源是否有效,，其中ROM輸出“0”為該恒流源有效，“1”為該恒流源無效,。
 

以第5級(jí)亮度為例,，如圖8所示，EN／SET端輸入5個(gè)脈沖后保持高電平,，經(jīng)過減數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出Q4～Q0數(shù)據(jù)為“11011”,，ROM輸出×7～×0數(shù)據(jù)為“11110100”，即×3,，×1，×0所接恒流源有效,。輸出電流為：

icell×32+icell×8+icell×4=0.863 mA

表1列出了32級(jí)調(diào)光×7～×0的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)輸出電流,。
 

數(shù)字調(diào)光部分的仿真波形如圖9所示，32個(gè)脈沖為一個(gè)循環(huán),。
 

(2) 數(shù)字延時(shí)

本設(shè)計(jì)設(shè)置了如下功能,，如果EN端輸入低電平時(shí)間超過480 us，則裝置關(guān)閉,。其原理如圖10所示,，其中IN為EN進(jìn)行脈沖整形后得到的波形，時(shí)序與EN相同,。IN端輸入高電平時(shí),，PMOS管M3導(dǎo)通，VDD對(duì)C1進(jìn)行充電,，使NMOS管M5導(dǎo)通,，施密特觸發(fā)器輸入被拉低，OUT端輸出低電平,，芯片正常工作,。當(dāng)IN端輸入低電平時(shí)，M3截止,，C1通過電流源M2進(jìn)行放電,，使M5截止，施密特觸發(fā)器輸入被拉高,，OUT端輸出高電平,。放電時(shí)問由C1的電容值和放電電流決定。仿真波形如圖11所示,。在IN端輸入低電平超過478 μs后,，OUT端輸處高電平，使芯片關(guān)閉。
 

3 振蕩器

本文設(shè)計(jì)一個(gè)600 kHz定頻率電流控制振蕩器,，原理如圖12,，首先假設(shè)Q端為“0”，則PMOS管M1導(dǎo)通,，電流源通過M1向C1充電,，同時(shí)PMOS管M3導(dǎo)通，R1無效,，此時(shí)比較器反相端電壓VTH=VDD-R2I3,，等C1兩端電壓略大于VTH時(shí)，比較器輸出高電平,，使Q端變?yōu)?ldquo;1”,，C1通過NMOS管M2進(jìn)行放電，同時(shí)M3截止,，R1與R2串聯(lián),，此時(shí)比較器反相端電壓VTL=VDD-(R1+R2)I3，等到C1兩端電壓略小于VTL時(shí),，比較器輸出又發(fā)生翻轉(zhuǎn),，周而復(fù)始。波形通過4個(gè)反相器的整形,，輸出600 kHz的方波,。設(shè)I1為充電電流，I2為放電電流,，T1為充電周期,，T2為放電周期，則振蕩器的頻率為：
 

調(diào)節(jié)充放電電流,，使I1=I2=IC,，則振蕩頻率可表示為：

式中：IC為充放電電流。圖13為振蕩器輸出及C1電容上的電壓仿真波形,。

該電荷泵還包括帶隙基準(zhǔn)電路,，溫度保護(hù)電路，軟啟動(dòng)電路等等,，限于篇幅,，在此不作累述。
 

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于白光LED驅(qū)動(dòng)的電流型電荷泵,，周邊只使用3個(gè)小的陶瓷電容器,，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED，單路最大輸出電流20 mA,。與電壓型電荷泵相比,，不同LED之間亮度匹配較好,，由于不需要鎮(zhèn)流電阻，因此節(jié)省了面積,。電路采用1.5×分?jǐn)?shù)倍頻模式,，效率可達(dá)93％。具有32級(jí)數(shù)字調(diào)光功能,，可以滿足不同需要,。根據(jù)CSMC 0.6 μm工藝，通過Cadence Spectre軟件進(jìn)行了仿真,，仿真結(jié)果表明,，該電路滿足設(shè)計(jì)要求，具有較廣闊的應(yīng)用前景,。