桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 張 揚 李 琦

基于0.5um COMS工藝的最小電壓選擇器設(shè)計

桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 張 揚 李 琦

在自適應(yīng)電荷泵式LED驅(qū)動電路中，為了使LED驅(qū)動電路盡可能多的工作在高效的環(huán)境下，則需要接入一個對負載電壓進行監(jiān)測的最小電壓選擇器，來控制電荷泵的模式轉(zhuǎn)換。本設(shè)計在Cadence平臺下，采用CSMC 0.5um COMS工藝，利用MOS管與三極管的電壓電流特性實現(xiàn)了對四個輸出通道上的最小電壓選擇。最后對該設(shè)計電路進行了仿真驗證，結(jié)果表明該優(yōu)化結(jié)構(gòu)可精準的選擇出各通道中的最小電壓，可有效應(yīng)用于自適應(yīng)電荷泵LED驅(qū)動電路中。

最小電壓選擇器；LED驅(qū)動；電荷泵；Cadence

1.引言

目前，白光LED是市場上最常采用、最好的背光選擇，它能使顯示屏色彩更逼真、色度更飽和，并且電路簡單。自適應(yīng)電荷泵式LED驅(qū)動電路無需電感，所以其占芯片面積和EMI較小，成本低，因而被廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品當(dāng)中。便攜式產(chǎn)品的電源主要依靠鋰電池，輸出電壓在2.7V～5V之間，LED燈的壓降為3.5V左右，當(dāng)鋰電池的電壓下降放電沒有結(jié)束時，必需保證LED燈正常發(fā)光，因此在LED驅(qū)動芯片的負載輸出端接入了一個最小電位選擇器，控制電荷泵的模式轉(zhuǎn)換，可以使電荷泵在不同的工作環(huán)境下改變不同的模式，如果選擇的最小電壓越精準，其電荷泵的工作效率越高，選擇器的電路越簡單，其功耗越低。

2.電路的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1為最小電壓選擇器在電荷泵式LED驅(qū)動中的示意圖。

圖1 LED驅(qū)動中最小電壓選擇器示意圖

圖2 最小電位選擇原理簡圖

圖3 最小電壓選擇器電路結(jié)構(gòu)

最小電壓選擇器的主要功能就是監(jiān)測LED燈上的電壓，先將每個LED通道上的電壓進行比較，選擇出最小的電壓與基準電壓進行比較，當(dāng)最小電壓低于基準電壓時就會觸發(fā)電荷泵進入升壓模式，保持LED燈的正常發(fā)光。本最小電壓選擇器的電路為四通道，其原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

電路主要包括六個提供電流的電流源I0-I4、四個開關(guān)作用的POMS管（M1-M4）、五個三極管（Q1-Q5）和一個作為負載輸出的POMS管M5。POMS管（M1-M4）的柵極作為LED燈的陰極電壓接收通道（CH1-CH4）。電流源I1-I4分別與MOS管M1-M4的源極相連接，為其提供穩(wěn)定的電流，電流源I0分別與三極管Q1-Q4的射極相連接，為其提供總的電流。本設(shè)計采用共源共柵結(jié)構(gòu)的電流源，是其具有高的輸出阻抗，能提供一個比較接近理想的電流源，其實際設(shè)計電路如圖3所示。

其中Vbias1-Vbias4為電流鏡的偏置電壓，由基準源輸出。

2.2 工作的原理

由圖2可見，最小點位選擇器的原理是利用三極管的射極跟隨器作用，設(shè)置M1-M2各管的寬長比，使其源極得到與三極管Q1-Q4成比例的基極電壓，來控制流過各個三級管的電流大小，得到與三極管Q5成比例的基極電壓，從而決定了Q5在輸出電路上的壓降，設(shè)置M5的大小便可得到所想要的最小輸出電壓值。

圖4 電路仿真圖

圖5 電源電流對溫度變化圖

通道CH1-CH4分別與各自的LED燈陰極相連接，接收其陰極的電壓，導(dǎo)通各自相連接的PMOS管（M1-M4），其導(dǎo)通電流大小由POMS管的組成的共源共柵電流源所決定。由MOS管的特性可知流過其管子的電流大小為：

由圖1結(jié)構(gòu)所示，PNP管Q1～Q4的基極分別與開關(guān)管M1～M4的漏極相接，由于MOS管導(dǎo)通時會有一定的電阻產(chǎn)生，其工作在線性區(qū)的阻值大小為：

當(dāng)M1-M4導(dǎo)通時所產(chǎn)生的壓降大小將決定與其相連的三極管的導(dǎo)通電流大小。通道CH1-CH4的電壓越低，M1-M4管的壓降越大，Q1-Q4管所導(dǎo)通的電流越大，使Q5的壓降變大，因此按一定的比例設(shè)置各管子的大小，在輸出CHminout通道便可得到最小通道的電壓值。

3.整體的仿真結(jié)果

3.1 功能仿真

整體電路在Cadence下、基于CSMC 0.5um COMS工藝模型驗證，工作電壓3.6V，溫度25℃，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)通道CH1～CH4的電壓分別為1V、2V、3V和3V時，其輸出通道CHminout的電壓約為1.0006V，滿足設(shè)計要求。

3.2 功耗仿真

對于功耗一般采用整體電路的電流大小來表示，對電路進行溫度（-25℃-50℃）直流仿真，電源電壓為3.6V，其電源電流隨溫度變化的結(jié)果如圖3所示。由圖5可知，最小電壓選擇器電路的總電流消耗為5uA，其電源電壓為3.6V，則總的功率損耗為：

4.結(jié)論

本文使用CSMC 0.5um COMS工藝，實現(xiàn)了一種應(yīng)用于電荷泵式LED驅(qū)動電路中可較精準選擇最低電壓的四通道最小電壓選擇器，與以往的運用三個比較器所組成的最低電壓選擇器相比較，結(jié)構(gòu)上得到了簡化，降低了其功耗，從而使整個電荷泵式LED驅(qū)動芯片得到了優(yōu)化。

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張揚，男，在讀碩士研究生，研究方向：LED驅(qū)動電路。

李琦，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：有源器件建模。