一种用于白光led驱动的电荷泵电路设计

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1、一种用于白光LED驱动的电荷泵电路设计目前用于白光驱动的升压型电路主要有电感型DC-DC电路和电荷泵电路。电感型DC-DC电路存在EMI等问题，而电荷泵电路结构简单，EMI较小，得到了广泛的应用。白光LED驱动的电荷泵主要有两种类型：电压模式和电流模式。相对于电压模式可能造成每个LED亮度不匹配的缺点，电流模式每路单独输出恒定电流，使亮度可以较好地匹配，而且不需要外围平衡电阻，大大节省了空间。本文设计了一种用于白光LED驱动的电流型电荷泵电路。采用1.5倍压升压，比传统的2倍压升压模式提高了效率，并采用数字调光方式，可提供32级灰度输出，满足不同场合的要求。系统结构如图1所

2、示。主要可分为以下部分：带隙基准电路，软启动电路，振荡器，1.5倍压电荷泵，数字调光模块。当EN／SET端输入高电平时，芯片启动，Vin经过1.5倍压电荷泵升压，使输出电压稳定在5V，如果EN／SET端输入一串脉冲后置高电平，则数字调光模块可记录下脉冲个数，然后转换成不同的输出电流，实现调光功能。11.5倍压电荷泵原理1.1基本原理1.5倍压电荷泵原理如图2所示，其基本控制思想如下：OSC通过驱动电路，控制S1～S7的导通与关断。时序如下：第一时刻，开通S1、S4、S6，Vin对电容C1充电，C2短接，使VC1=V1，VC2=0；第二时刻，关闭S1、S4、S6，开通S2、S

3、3、S5、S7，C1对C2充电，使VC1=VC2=1／2V1，最后加上V1对C3充电，周而复始，VCUT经过电阻分压，与基准电压做比较，控制上端MOS管的导通电阻，改变充电回路的RC充电常数，最终使输出稳定在5V。图3为控制脉冲时序图，其中D1为S1的驱动信号，低有效；D2为S4、S6的驱动信号，高有效；D3为S2、S3、S5、S7的驱动信号，低有效。为了防止时钟馈通，驱动电路中包含了非交叠时钟电路。1.2实际电路设计整个开关管网络由5个PMOS管S1、S2、S3、S5、S7及2个NMOS管S4、S6组成，如图4所示。以P管S1和N管S4为例，计算开关管的宽长比。根据版图设

4、计规则的要求，单个管子的宽长比W／L可以设定为2.8μm／0.6μm。假设S1的宽长比为x(W／L)，S4的宽长比为y(W／L)。本设计采用CSMC0.6μm工艺，根据工艺及设计要求，V1=3.3V，unCOX=50μA／V2VTHN=0.7V，

5、VTHP

6、=1V，2up=un，因为其它管子的宽长比也可以同理求得。由于流过开关管的电流比较大，开关管的宽长比很大，一般采用晶体管并联的形式，在版图上通常以waffle的结构实现。如果开关管的衬底未与源端相接，则会产生衬底偏置效应，使开关管产生阈值损失，导致电荷泵电压无法升至设定值。如图4所示，开关管S1、S3、S4、S5、S6的

7、源漏端能比较容易的判断出来，S2、S7的两端电压高低未定，因此如果处理不妥当，会引起衬底偏置效应，本设计采用了一种方式，比较好地解决了这个问题。通过一个比较器对V1和Vout进行比较，如果Vout>V1，则让S2、S7的衬底端接Vout端，如果Vout2调光功能实现越来越多应用场合希望白光LED驱动器能够支持LED光亮度的调节。目前调光技术主要有两种：PWM调光、数字调光。PWM(脉宽调制)调光方式是一种利用宽、窄不同的数字式脉冲，反复开关白光LED驱动器来改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。但需要

8、一个专用PWM口，同时会产生人耳听得见的噪声。本设计采用一种新型的数字调光技术。相比PWM控制有明显的优点：将时序信号存储在内部的寄存器中，使数据寄存器输出一连串的控制信号，如果需要改变白光LED的亮度，则重新通过EN／SET对ROM进行修改即可，不需要一直给EN／SET连续的PWM信号来控制白光LED的亮度，这个特性大大减轻了微处理器的负担，也减少了噪声。其工作原理如下，EN／SET的第一个上升沿脉冲开启IC并且初始化设置LED电流到最低的549μA。当最终的时钟序列输入为想得到的亮度级别时，EN／SET引脚维持高电平来维持装置输出电流在程序设置的级别。当EN／SET引脚

9、置低TOFF=480μs以后，装置关闭。整个调光模块可分为四大部分：延时控制，计数器，ROM，恒流源。(1)ROM与恒流源白光LED的亮度和通过它的电流成正比。本设计采用并联恒流源的方式，最大输出为20mA，亮度分为32个等级。如图7所示。ROM总共为8块，组成32×8bit容量。恒流源由PMOS管组成，由电荷泵输出的5V电源供电，每个恒流源icell电流为19.6μA。恒流源具有使能端，根据ROM中的数据决定该恒流源是否有效，其中ROM输出“0”为该恒流源有效，“1”为该恒流源无效。以第5级亮度为例，如图8所示，