基于0.5um COMS工藝的最小電壓選擇器設計

桂林電子科技大學信息與通信學院 張 揚 李 琦

基于0.5um COMS工藝的最小電壓選擇器設計

桂林電子科技大學信息與通信學院 張 揚 李 琦

在自適應電荷泵式LED驅動電路中，為了使LED驅動電路盡可能多的工作在高效的環境下，則需要接入一個對負載電壓進行監測的最小電壓選擇器，來控制電荷泵的模式轉換。本設計在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了對四個輸出通道上的最小電壓選擇。最后對該設計電路進行了仿真驗證，結果表明該優化結構可精準的選擇出各通道中的最小電壓，可有效應用于自適應電荷泵LED驅動電路中。

最小電壓選擇器；LED驅動；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。自適應電荷泵式LED驅動電路無需電感，所以其占芯片面積和EMI較小，成本低，因而被廣泛應用于便攜式電子產品當中。便攜式產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，當鋰電池的電壓下降放電沒有結束時，必需保證LED燈正常發光，因此在LED驅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換，可以使電荷泵在不同的工作環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.電路的結構與原理

2.1 整體結構

圖1為最小電壓選擇器在電荷泵式LED驅動中的示意圖。

圖1 LED驅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構

最小電壓選擇器的主要功能就是監測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，當最小電壓低于基準電壓時就會觸發電荷泵進入升壓模式，保持LED燈的正常發光。本最小電壓選擇器的電路為四通道，其原理結構簡圖如圖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。本設計采用共源共柵結構的電流源，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，導通各自相連接的PMOS管（M1-M4），其導通電流大小由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結構所示，PNP管Q1～Q4的基極分別與開關管M1～M4的漏極相接，由于MOS管導通時會有一定的電阻產生，其工作在線性區的阻值大小為：

當M1-M4導通時所產生的壓降大小將決定與其相連的三極管的導通電流大小。通道CH1-CH4的電壓越低，M1-M4管的壓降越大，Q1-Q4管所導通的電流越大，使Q5的壓降變大，因此按一定的比例設置各管子的大小，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℃，仿真結果如圖4所示。

從圖中可以看出，當通道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.結論

本文使用CSMC 0.5um COMS工藝，實現了一種應用于電荷泵式LED驅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，結構上得到了簡化，降低了其功耗，從而使整個電荷泵式LED驅動芯片得到了優化。

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張揚，男，在讀碩士研究生，研究方向：LED驅動電路。

李琦，男，副教授，碩士生導師，研究方向：有源器件建模。