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白光LED由于具有亮度大、效率高、寿命长等特点,在便携式产品方面有广泛的应用前景。但白光LED自身的正向导通电压大、电学参数离散性大、容易受温度影响等特点,需要设计专门的电源管理芯片。
针对白光LED的如上特点,本文设计了一款恒流驱动白光LED的升压式DC-DC变换器控制芯片,其工作频率为1MHz,允许输入电压范围为2.6~5.5V,输出电压在6~26V范围内可调,输出电流也可根据应用需求自由调节,且具有软启动、过压、过温等保护功能。与外围元器件一起构成可驱动2~6个串联白光LED的恒流驱动器。
论文首先阐述了升压式DC-DC变换器的工作原理,确定该控制芯片采用峰值电流PWM控制模式,并以此为基础对系统设计进行整体考虑,构建了系统整体架构,对芯片外围电路进行了分析和设计,确定了元器件参数。然后,对控制芯片内部功能模块作了划分,文章中对带隙基准电压源,误差放大器、振荡器、PWM比较器、控制逻辑电路等模块进行了详细设计,并分别作了仿真验证。该芯片有三个显著的设计特色:
(1)不同的负载下采用三种不同的工作模式,从而提高了电路的工作效率,降低了开关损耗;
(2)在带隙基准电压源设计中,采用了高精度的电流镜代替运算放大器,避免了运放自身产生的失调,同时减少了芯片面积和功耗;
(3)在误差放大器的设计中,采用了运算跨导放大器(OTA),电路输入级采用了输入偏置电流消除结构;电路输出级采用了射极负反馈电阻;其跨导具有高稳定性。与传统的电压运算放大器(Op-Amp)相比,具有输出电阻高、通频带宽、增益可调等特点。
文章最后,采用Cadence/Spectre仿真软件完成了整个电路的联合仿真,结果表明设计合理可行,达到设计指标要求。并用Cadence/Virtuoso版图工具完成了部分模块的版图设计和验证。