基于0.5um COMS工艺的最小电压选择器设计

桂林电子科技大学信息与通信学院 张 扬 李 琦

基于0.5um COMS工艺的最小电压选择器设计

桂林电子科技大学信息与通信学院 张 扬 李 琦

在自适应电荷泵式LED驱动电路中，为了使LED驱动电路尽可能多的工作在高效的环境下，则需要接入一个对负载电压进行监测的最小电压选择器，来控制电荷泵的模式转换。本设计在Cadence平台下，采用CSMC 0.5um COMS工艺，利用MOS管与三极管的电压电流特性实现了对四个输出通道上的最小电压选择。最后对该设计电路进行了仿真验证，结果表明该优化结构可精准的选择出各通道中的最小电压，可有效应用于自适应电荷泵LED驱动电路中。

最小电压选择器；LED驱动；电荷泵；Cadence

1.引言

目前，白光LED是市场上最常采用、最好的背光选择，它能使显示屏色彩更逼真、色度更饱和，并且电路简单。自适应电荷泵式LED驱动电路无需电感，所以其占芯片面积和EMI较小，成本低，因而被广泛应用于便携式电子产品当中。便携式产品的电源主要依靠锂电池，输出电压在2.7V～5V之间，LED灯的压降为3.5V左右，当锂电池的电压下降放电没有结束时，必需保证LED灯正常发光，因此在LED驱动芯片的负载输出端接入了一个最小电位选择器，控制电荷泵的模式转换，可以使电荷泵在不同的工作环境下改变不同的模式，如果选择的最小电压越精准，其电荷泵的工作效率越高，选择器的电路越简单，其功耗越低。

2.电路的结构与原理

2.1 整体结构

图1为最小电压选择器在电荷泵式LED驱动中的示意图。

图1 LED驱动中最小电压选择器示意图

图2 最小电位选择原理简图

图3 最小电压选择器电路结构

最小电压选择器的主要功能就是监测LED灯上的电压，先将每个LED通道上的电压进行比较，选择出最小的电压与基准电压进行比较，当最小电压低于基准电压时就会触发电荷泵进入升压模式，保持LED灯的正常发光。本最小电压选择器的电路为四通道，其原理结构简图如图2所示。

电路主要包括六个提供电流的电流源I0-I4、四个开关作用的POMS管（M1-M4）、五个三极管（Q1-Q5）和一个作为负载输出的POMS管M5。POMS管（M1-M4）的栅极作为LED灯的阴极电压接收通道（CH1-CH4）。电流源I1-I4分别与MOS管M1-M4的源极相连接，为其提供稳定的电流，电流源I0分别与三极管Q1-Q4的射极相连接，为其提供总的电流。本设计采用共源共栅结构的电流源，是其具有高的输出阻抗，能提供一个比较接近理想的电流源，其实际设计电路如图3所示。

其中Vbias1-Vbias4为电流镜的偏置电压，由基准源输出。

2.2 工作的原理

由图2可见，最小点位选择器的原理是利用三极管的射极跟随器作用，设置M1-M2各管的宽长比，使其源极得到与三极管Q1-Q4成比例的基极电压，来控制流过各个三级管的电流大小，得到与三极管Q5成比例的基极电压，从而决定了Q5在输出电路上的压降，设置M5的大小便可得到所想要的最小输出电压值。

图4 电路仿真图

图5 电源电流对温度变化图

通道CH1-CH4分别与各自的LED灯阴极相连接，接收其阴极的电压，导通各自相连接的PMOS管（M1-M4），其导通电流大小由POMS管的组成的共源共栅电流源所决定。由MOS管的特性可知流过其管子的电流大小为：

由图1结构所示，PNP管Q1～Q4的基极分别与开关管M1～M4的漏极相接，由于MOS管导通时会有一定的电阻产生，其工作在线性区的阻值大小为：

当M1-M4导通时所产生的压降大小将决定与其相连的三极管的导通电流大小。通道CH1-CH4的电压越低，M1-M4管的压降越大，Q1-Q4管所导通的电流越大，使Q5的压降变大，因此按一定的比例设置各管子的大小，在输出CHminout通道便可得到最小通道的电压值。

3.整体的仿真结果

3.1 功能仿真

整体电路在Cadence下、基于CSMC 0.5um COMS工艺模型验证，工作电压3.6V，温度25℃，仿真结果如图4所示。

从图中可以看出，当通道CH1～CH4的电压分别为1V、2V、3V和3V时，其输出通道CHminout的电压约为1.0006V，满足设计要求。

3.2 功耗仿真

对于功耗一般采用整体电路的电流大小来表示，对电路进行温度（-25℃-50℃）直流仿真，电源电压为3.6V，其电源电流随温度变化的结果如图3所示。由图5可知，最小电压选择器电路的总电流消耗为5uA，其电源电压为3.6V，则总的功率损耗为：

4.结论

本文使用CSMC 0.5um COMS工艺，实现了一种应用于电荷泵式LED驱动电路中可较精准选择最低电压的四通道最小电压选择器，与以往的运用三个比较器所组成的最低电压选择器相比较，结构上得到了简化，降低了其功耗，从而使整个电荷泵式LED驱动芯片得到了优化。

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张扬，男，在读硕士研究生，研究方向：LED驱动电路。

李琦，男，副教授，硕士生导师，研究方向：有源器件建模。