高效率电荷泵LED驱动电路设计

摘要

随着LED的广泛应用，人们对其供电方面提出了更高的要求，高效率、低成本的供电系统越来越受到用户的青睐。电荷泵以其电磁干扰(EMI)低、所占面积小、处于关闭或无负载时功耗特别低、设计相对简单等优点，已广泛应用于各种LED驱动电路。因此，开展高效率驱动电路的研究具有实际意义。
　　 本文设计了一种低静态功耗、高转换效率的电荷泵LED驱动电路。电路的核心模块为自适应电荷泵，随着输入电压的不同，可以在1(x)/1.5(x)/2(x)升压模式中自动切换，以实现将较宽范围的输入电压，高效率的转换为一个恒定的输出电压。为了大幅减小由于输出功率管的连续开关引起的开关损耗，电路采用了跳周期模式。该电路工作频率设定为1MHz，需要的外部电容容量较小，通过开关转换对两个外部电容进行充放电实现升压，无需电感元件，从而大幅降低了电磁干扰和应用成本。驱动电路包括偏置电路、电荷泵模式控制电路、带隙基准电路、振荡器与时钟控制电路、误差放大器电路、输出过压保护电路等模块。基于0.5μmCMOS工艺对各个模块电路进行了晶体管级的设计。利用Cadence仿真工具spectre对电路进行了仿真、参数调整和验证，最终使各个子模块的功能和性能均满足设计要求，且静态电流控制在μA级。对整体电路仿真的结果表明:当负载电流为0～150mA，输入电压为2.7～5.5V时，电路可以输出恒定的5V电压，能够满足驱动六路并联LED的应用要求，且关断电流小于1μA;当输入电压等于3.6V时，静态功耗仅为0.3mW。因此所设计的驱动电路为对静态电流要求苛刻的电池供电系统提供了一个有效的解决方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．1．1 LED供电系统的现状和发展趋势

1．1．2 白光LED的概述

1．1．3 白光LED的发光特性

1．2 国内外的发展现状和研究意义

1．3 课题研究内容

第2章 驱动电路及电荷泵工作原理

2．1 DC-DC转换器分类

2．2 白光LED的驱动方式分类

2．3 各种驱动方式的比较

2．4 电荷泵原理分析

2．4．1 基本电荷泵原理

2．4．2 电荷泵型白光LED驱动电路的选择

2．4．3 1x电荷泵原理

2．4．4 1.5x电荷泵的原理

2．4．5 2x电荷泵的原理

2．5 1x／1.5x／2x自适应电荷泵的设计

2．6 电荷泵控制模式的选择

2．7 本章小结

第3章 驱动电路的整体结构及设计

3．1 驱动电路的整体结构

3．1．1 电路的基本结构

3．1．2 整体电路工作原理

3．1．3 偏置电路电路及设计

3．1．4 带隙基准源电路及设计

3．1．5 电源选择电路及设计

3．1．6 振荡器电路及设计

3．1．7 误差放大器电路及设计

3．1．8 输出过压保护电路及设计

3．1．9 电荷泵模式控制电路及设计

3．1．10 1x／1.5x／2x自适应电荷泵电路及设计

3．2 核心模块电路参数设定与分析

3．3 本章小结

第4章 LED驱动电路核心模块仿真与结果分析

4．1 偏置电路仿真及结果分析

4．2 带隙基准源电路仿真及结果分析

4．3 电源选择电路仿真及结果分析

4．4 振荡器电路仿真及结果分析

4．5 误差放大器电路仿真及结果分析

4．6 跳周期比较器电路仿真及结果分析

4．7 电荷泵模式控制电路仿真及结果分析

4．8 自适应电荷泵仿真

4．9 本章小结

第5章 LED驱动电路仿真及功能分析

5．1 LED驱动电路晶体管级电路图

5．2 电路处于软启动模式下的仿真

5．3 输出电压纹波仿真

5．4 电荷泵升压效率仿真

5．5 LED驱动电路仿真结果

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢