一款用于白光LED驱动的电流型电荷泵设计方案

0、引言

　　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。

　　本文所提出的用于白光LED驱动的电流型电荷泵电路的设计方案。该设计方案采用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5 V，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。

　　1、1.5 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、S3、S5、S7，C1对C2充电，使VC1=VC2=1/2 V1，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5 V.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 CSMC0.6 μm工艺，根据工艺及设计要求，V1=3.3 V，unCOX=50μA/V2 VTHN=0.7 V，|VTHP|=1 V，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