摘 要: 基于CSMC 0.18 μm工藝,介紹了一種應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的PWM振蕩器電路。采用雙低壓線性穩(wěn)壓器(LDO)結(jié)構(gòu),針對(duì)傳統(tǒng)PWM振蕩器高頻振蕩時(shí)因內(nèi)部時(shí)延造成輸出占空比偏差嚴(yán)重的問題,通過電流雙向補(bǔ)償技術(shù),在保持電路振蕩頻率不變的情況下,消除了內(nèi)部時(shí)延對(duì)輸出占空比的影響;利用高PSRR帶隙基準(zhǔn)為電路提供基準(zhǔn)電壓,抑制電源噪聲。仿真結(jié)果表明,該振蕩器輸出頻率為200 Hz~20 MHz,在固定頻率下占空比可從10%~90%連續(xù)變化,電源電壓抑制比為110 dB。
關(guān)鍵詞: 占空比;振蕩器;LDO;基準(zhǔn)電流
脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)技術(shù)以其簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)點(diǎn),在電力電子方面得到了廣泛應(yīng)用。通過PWM控制LED驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流調(diào)節(jié)LED亮度是LED驅(qū)動(dòng)芯片的一項(xiàng)基本功能,因此,設(shè)計(jì)出高性能PWM振蕩器電路對(duì)于未來LED照明的發(fā)展具有重要意義[1]。為了避免振蕩器高頻振蕩時(shí),因內(nèi)部時(shí)延造成PWM輸出占空比不準(zhǔn)而影響PWM調(diào)光精度的情況,需要對(duì)PWM振蕩器作進(jìn)一步優(yōu)化。其次,穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓是PWM振蕩器準(zhǔn)確輸出的前提,基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性在很大程度上取決于基準(zhǔn)電源對(duì)電源噪聲的抑制能力,即電源抑制比PSRR(Power Supply Rejection Ratio),提高基準(zhǔn)電源的PSRR特性需要高的PSRR電路,尤其是需要優(yōu)化其低頻段的PSRR特性[2]。本文討論了一種帶電流補(bǔ)償技術(shù)的低電源噪聲PWM振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并分析了其工作原理。
1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理
電路的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,由Bandgap、雙LDO恒流源和比較器反饋輸出電路三部分組成。
為了使基準(zhǔn)源具有比較高的PSRR,Bandgap電路采用帶負(fù)反饋的兩級(jí)輸出結(jié)構(gòu),且Rb1=Rb2,三極管Q2的個(gè)數(shù)是Q1的整數(shù)倍。假設(shè)Q1、Q2發(fā)射極面積比為N:1,Q1、Q2在不同電流密度下的基極-發(fā)射極電壓差為ΔVb,OP3的放大倍數(shù)為A,則可得出Bandgap輸出電壓為:
從比較器反饋輸出電路中可以看出,振蕩器的工作頻率為電容的充放電頻率。差分比較器通過輸出信號(hào)來控制電容C0的充放電,并將反饋回來的電壓V1或V2(V1>V2)與電容上的電壓進(jìn)行比較,從而使其振蕩。為了提高LDO反應(yīng)速率,OP1、OP2需采用甲乙類輸出結(jié)構(gòu)[5]。具體工作過程為:M9和M10作為開關(guān)管,控制電容C0的充放電時(shí)間。當(dāng)M10打開,M7關(guān)斷時(shí),電容充電,一段時(shí)間后,當(dāng)電容電壓超過門限電壓V1時(shí),比較器會(huì)控制M11或M12來“翻轉(zhuǎn)”電流,使之帶有相反極性;同理,當(dāng)M10關(guān)斷,M7打開時(shí),電容放電,當(dāng)電容電壓低于門限電壓V2時(shí),比較器“翻轉(zhuǎn)”,電容開始充電。輸出倒向器INV2很“強(qiáng)”,能提供很強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng),同時(shí),INV1很“弱”,以保持上一狀態(tài)[6]。
振蕩器在振蕩頻率較低時(shí),由于電路時(shí)延比較小,對(duì)占空比的影響可忽略。但是,當(dāng)工作頻率提高,周期與時(shí)延接近,占空比偏差會(huì)表現(xiàn)得非常明顯。例如,振蕩頻率為20 MHz時(shí),PWM周期為50 ns,這時(shí)電路時(shí)延對(duì)占空比的影響是不可忽略的。為了使電路工作頻率較高時(shí)PWM占空比輸出依然準(zhǔn)確,電路中采用了電流補(bǔ)償技術(shù)。
值得注意的是,式(4)只有在電路時(shí)延可忽略的情況下才適用,其次,上述分析是基于電路中各電流鏡復(fù)制比例為1:1和電阻R1=R2進(jìn)行的,具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況作相應(yīng)調(diào)整。
2 仿真與測(cè)試
基于CSMC 0.18 μm工藝進(jìn)行仿真。電路供電電壓為5 V,圖3(a)、(b)分別為F=20 MHz,dr=50%時(shí)補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的仿真波形。由圖可知,補(bǔ)償后占空比值得到很好的修正。電路基準(zhǔn)電壓PSRR仿真結(jié)果如圖4所示,可以看出,在低頻時(shí)基準(zhǔn)電壓對(duì)電源噪聲抑制比可達(dá)110 dB。
通過測(cè)試芯片輸出電流變化可間接反映出PWM振蕩器的性能,如圖5、圖6所示,其中,圖5為F=500 kHz時(shí)dr從10%~90%變化輸出電流曲線,圖6為dr=50%時(shí)F從200 Hz~20 MHz變化輸出電流曲線??梢钥闯?,振蕩器具有良好的動(dòng)態(tài)輸出范圍和抗干擾能力。
通過外接電阻對(duì)芯片內(nèi)部振蕩電流進(jìn)行雙向補(bǔ)償,改善PWM占空比輸出,達(dá)到精確調(diào)光的目的。本文對(duì)一種應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)芯片的PWM振蕩器從原理到版圖進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì),并在流片后對(duì)PWM功能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明,其符合設(shè)計(jì)要求。電路中存在的失調(diào)電壓一樣會(huì)對(duì)輸出占空比產(chǎn)生影響,版圖設(shè)計(jì)在本電路中同樣具有舉足輕重的地位,在設(shè)計(jì)版圖時(shí)應(yīng)盡量做好各輸入對(duì)管之間匹配,減小系統(tǒng)失調(diào)電壓。本電路亦可作為模擬IP核應(yīng)用于其他系統(tǒng)芯片中。
參考文獻(xiàn)
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