恒定電流白光LED驅動器的研究畢業(yè)論文_圖文

1、 本 科 畢 業(yè) 設 計 學生姓名 :專 業(yè) :電子科學與技術指導教師 :完成日期 :2010年 6月 2日誠 信 承 諾 書本人聲明:所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究成果。 除了文中特別加以標注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已發(fā) 表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的 任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽 日本論文使用授權說明本人完全了解南通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定,即:學校有權保留論文及送交論文復印件,允許論文被查閱和借閱;學 校可以公布論文的全部或部分內容。(保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定 學生簽名:指導教師簽名:日期:南通大學畢業(yè)設

2、計(論文立題卡 注:1、此表一式三份,學院、教研室、學生檔案各一份。2、課題來源是指:1. 科研, 2. 社會生產實際, 3. 其他。3、課題類別是指:1. 畢業(yè)論文, 2. 畢業(yè)設計。4、 教研室意見:在組織專業(yè)指導委員會審核后, 就該課題的工作量大小, 難易程度及 是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標和要求等內容提出具體的意見和建議。5、學院可根據專業(yè)特點,可對該表格進行適當的修改。南 通 大 學 畢業(yè)設計(論文任務書 題目 恒定電流白光 LED 驅動器的研究學 生 姓 名學 院專 業(yè) 電子科學與技術班 級 電科 062學 號起 訖 日 期指導教師 吳國祥王志亮 職稱 副教授講師 發(fā)任務書日期 日 注:此

3、表為參考表格,學院可根據專業(yè)特點,對該表格進行適當的修改。南通大學本科生畢業(yè)設計(論文開題報告 注:1、學院可根據專業(yè)特點,可對該表格進行適當的修改。 南通大學電子信息學院 2010年 6月摘 要白光 LED 具有節(jié)能、環(huán)保、高效、長壽命的特點。本論文就是對背光用白光 LED 驅動 芯片進行設計。本文所設計電路的電源電壓輸入范圍從 2.5V 到 6V ,采用恒流源偏置電路。 它的優(yōu)點在于成本低、封裝小、外圍器件少和低噪聲輸出等。電路以恒定電流驅動六只白 光 LED ,使六只白光 LED 獲得均勻的亮度。它具有溫度保護、欠壓保護功能,欠壓保護電 壓為 2.1V ,過溫保護點為 160 。本文首先

4、給出了 LED 的功能框圖,再對其帶隙基準電壓源、偏置和啟動電路、過溫 保護模塊、 欠壓鎖存模塊進行了詳細地闡述。 接著結合模擬版圖設計的特點, 采用無錫上 華的 6S035DPQM-ST0100工藝標準, 實現了這種高性能、 低壓差白光 LED 驅動芯片的版 圖設計。關鍵詞 :LED 驅動,恒流源偏置,帶隙基準,版圖設計ABSTRACTWhite LEDs have the features of energy-saving, environmental protection, high efficiency and long life. This thesis is to design t

5、he drive IC that uses in backlighting. The input voltage ranges from 2.5 V to 6V . The circuit uses constant current source bias circuit. It has the advantages of low cost, small package, less peripheral components, low noise output, etc. With constant current, the circuit drives six white LEDs and

6、obtains homogeneous brightness. It has the functions of temperature protection and undervoltage protection. The protection voltage is 2.1 V. The overtemperature protection point is 160 .This thesis presents the function diagram at first. Then it describes bandgap reference voltage source, bias and t

7、he start circuit, overtemperature protection module, undervoltage latch module in detail. Then combining the characteristics of analog layout design, we use Wuxi CSMC 6S035DPQM-ST0100 technology standards to realize such a high-performance, low dropout white LED driver IC layout.Key words: LED drive

8、r, Constant current source bias, Band-gap reference, Layout design目 錄4.2版圖與電路一致性檢查(LVS .25第五章 總結 . 29參考文獻 . 30致 謝 . 31第一章 引言1.1白光 LED 的特點與應用LED 就是發(fā)光二極管,其本質上就是一種半導體器件。 LED 的核心部分是由 P 型半 導體和 N 型半導體組成的晶片,在 P 型半導體和 N 型半導體的交界面就會出現一個具有 特殊導電性能的薄層,也就是常說的 PN 結。 PN 結對 P 型半導體和 N 型半導體中多數載 流子的擴散運動產生阻礙作用,當對 PN 結施加

9、正向電壓時,電流從 LED 的陽極流向陰 極, 而在 PN 結中少數載流子與多數載流子進行復合, 多余的能量就會轉變成光而釋放出 來。 LED 正是根據這種原理實現電能到光能的轉換。根據半導體材料物理性能的不同, LED 可發(fā)出從紫外線到紅外線不同波段、不同顏色的光線 1。真正發(fā)白光的 LED 是不存 在的,我們所見到的白光是由不同波長的光合成得到的。藍光 AlInGaN LED 產生的光子 和熒光粉的發(fā)光將一部分藍光轉變?yōu)槠浠パa色(黃色 。人眼看到這種藍光和黃光的混合 是一種不鮮明的白色 2。白光 LED 是當前最被看好的一種 LED 產品, 與白熾燈、 熒光燈等傳統(tǒng)的照明光源相 比,其優(yōu)勢

10、在于:1 體積小:可以有多顆、多種組合,可以產生點光源、面光源。2 發(fā)熱量低:所產生的熱輻射比較小。3 耗電量低:工作在直流低電壓、低電流下。4 長壽命:據報道其壽命可以達到 10萬個小時以上。5 頻率響應快:有利于高頻操作。6 節(jié)能、環(huán)保:其物理結構決定了白光 LED 不易破碎,且廢棄物可以回收再生。 但是, 現階段的白光 LED 還不能完全取代傳統(tǒng)的照明光源。 若要用白光 LED 完全代 替?zhèn)鹘y(tǒng)光源還需要解決以下幾個問題:發(fā)光效率低, 單管功率小, 價格昂貴等。 在發(fā)光效 率方面,目前產業(yè)化的白光 LED 發(fā)光效率為 25lm/w,該效率僅與一個 15W 的白熾燈相 當,與要達到理想的 1

11、Klm/W還有很大的距離。雖然白光 LED 的壽命很長,但是現階段 其高昂的價格也是阻礙它全面替代傳統(tǒng)光源的一個重要原因?？梢娨嫣娲鷤鹘y(tǒng)光源, 就需要研究出發(fā)光效率高、功率大、價格低廉的單顆白光 LED 芯片。一個完整的低壓背光照明方案,最基本的要求是 LED 發(fā)光亮度的穩(wěn)定。以及在整個 背景屏幕上亮度均勻。 但是 LED 的應用環(huán)境卻給穩(wěn)定的 LED 發(fā)光提出了各種各樣的挑戰(zhàn)。拿手機應用來說, 首先, 鋰電池的電壓不是固定的, 鋰電池在完全充滿電時可以提供 4.2V 的輸出電壓,但在很短一段工作時間內就會下降到標稱的 3.7V ,最后輸出電壓還會進一 步下降到 3.0V 以下。我們不希望

12、使用的手機亮度會隨使用時間的延長而發(fā)生很明顯的降 低。 其次, 手機中存在各種各樣的數字信號, 對模擬信號的干擾太大。 這些數字信號有來 自麥克風和耳機的音頻信號, 有來自基帶部分的高頻信號, 又有來自射頻模塊的射頻信號, 這些信號即便在很好屏蔽措施下,還是會對手機內模擬信號產生很大的電磁干擾 (EMI: Electromagnetic Interference 。面對如此寬范圍變化的電源電壓和很大 EMI 情況下的應用 環(huán)境,再加上白光 LED 本身對正向電壓 (>3.6V和正向電流 (20mA左右 的苛刻要求,很 需要一個能夠給白光 LED 提供穩(wěn)定的輸出電壓或電流的驅動電路。1.2

13、 白光 LED 驅動器的發(fā)展中國每年都生產了幾百億只 LED , 就算其中只有十分之一采用了 LED 驅動 IC , 再考 慮到一些驅動 IC ,一個可以點亮多個 LED ,那么也至少需要幾億個驅動 IC ,所以這是非 常大的市場。據了解,目前,世界上掌握 LED 技術的半導體公司都已經紛紛和老牌燈泡 制造商結盟, 如美國惠普公司聯合了日本日亞和德國西門子; 美國克雷公司、 德國西門子 又和奧斯林聯合;美國 EMCORE 公司和通用公司聯合等 3。由于 LED 的生產廠家及 LED 規(guī)格不同,電流、電壓特性均有差異。理論上, LED 的使用壽命在 10萬小時以上,但在實際應用過程中,由于驅動電

14、源的設計及驅動方式選 擇不當,使 LED 極易損壞。因此,根據 LED 產品的要求、應用場合,合理選用 LED 驅 動方式,精確設計驅動電源成為關鍵。從技術角度來看,白光 LED 驅動電路屬于電源管理芯片的范疇,但是和傳統(tǒng)電源管 理類芯片在技術指標上又有所不同。白光 LED 驅動電路需要集成功率器件,并且要在保 持電路穩(wěn)定的同時不斷提高能量轉換效率,這些對驅動電路的設計者來說都是較大的挑 戰(zhàn)。1.3 白光 LED 的驅動方式用于白光 LED 驅動的芯片有多種不同的電路結構形式,要設計出性能良好的白光 LED 驅動芯片,必須全面了解各類芯片的基本結構、不同結構驅動芯片的工作原理以及 它們的特點。

15、從驅動芯片的電路拓撲結構來劃分,大致可以分為三種類型:恒流源偏置 (constant current source bias 、電容式開關結構 (Charge Pump 、電感式開關結構 (DC-DC Converter 。下面將簡要介紹各種結構的特點。絕大多數 LCD 背景照明裝置都配有亮度控制器以便在使用中根據光線的強弱進行相 應的調節(jié)。由于 LED 的光子發(fā)射源于電子、空穴對的復合,故其發(fā)射效率以及發(fā)光強度 均與 LED 的正向電流成比例。為此,可控恒流源應是實現亮度控制最簡單的方案。但因 白光 LED 的色溫也與工作電流直接相關,這類控制方案會使光源在整個亮度調節(jié)范圍內 的顏色一致性變

16、得很差,故而僅能用于按鈕照明之類對于顏色保真度要求很低的場合。 LCD 背光裝置則大多采用 PWM 電源為 LED 供電,以避免這一 “ 色偏 ” 問題。這類驅動器 的優(yōu)點在于它們之間的匹配度高, 外圍器件少, 低噪聲輸出, 體積小, 成本低等。 但由于 沒有升壓模塊,當設備工作一段時間后電源電壓會下降到 LED 的正向電壓以下,以致不 能驅動 LED ,所以恒流源偏置驅動器適合驅動低正向電壓的 LED 。電感式開關結構利用電感作為儲能器件, 為負載提供持續(xù)的電流, 基于不同的外圍拓 撲結構,可以實現降壓 /升壓 /反轉電壓輸出的功能,對于電路結構稍加調整,即可以完成 恒流輸出的功能, 因此電

17、感式結構具備多種靈活的解決方案。 由于理論上電感不消耗能量, 因此電感式結構的轉換效率理想情況下為 100%,考慮到各種非理想因素,仍可以實現最 高 95%左右的轉換效率。電感式開關電源的缺點在于電源方案的整體面積較大 (主要是電感和電容 , 輸出電壓 的紋波較大,且電路內部結構復雜。在 PCB 布板時要小心避免電磁干擾 5。白光 LED 作為 LCD 做背光源時, 需要對其進行恒流驅動, 主要原因是:(1 避免驅 動電流超出最大額定值, 影響可靠性; (2 獲得預期的亮度要求, 并保證各個 LED 亮度、 色度的一致性。根據 LED 的連接方式, 可以分為串聯驅動和并聯驅動。 驅動串聯 LE

18、D 時, 流過每一個 LED 的電流相等, 這種連接方式 LED 電流匹配度高, 可以獲得均勻的亮度。 驅動并聯 LED 時,即使是同一批次產品,其 V-I 曲線也會有差異,而導致 LED 電流出現偏差,最 終導致 LED 亮度不均勻。因而 LED 在并聯連接時必須調節(jié) LED 的電流,以獲得統(tǒng)一亮 度。 但是多個 LED 串連必然要求升壓型 DC/DC變換器具有較高的輸出電壓, 以四個 LED 為例(正向壓降 V F =3.5V ,因此 DC/DC變換器的輸出電壓 VOUT =14V 。如果驅動并 聯連接的 LED ,則只要求驅動器輸出電壓略高于 3.5V ?？紤]到實際工藝的成本要求,驅 動

19、串連 LED 的 DC/DC變換器芯片必然要求采用高成本的高壓工藝;而驅動并聯 LED 的 升壓型 DC/DC變換器芯片卻可以采用低成本的標準的 5V CMOS工藝或 BiCMOS 工藝來 實現。因此驅動并聯 LED 的電源管理方案成本較低 6。第二章 恒定電流白光 LED 驅動器的電路設計2.1 總體電路功能該電路是一款用于 LED 驅動的高性能、 低壓差、 恒定電流的電流偏置器, 主要應用于 由電池供電直接驅動白光 LED 的場合, 提供了一種簡單的并聯型白光 LED 驅動方案。 它能 在 2.5V6V的電壓范圍內提供穩(wěn)定的六路 20mA 電流輸入,相互之間的匹配度高達 3%,無 需外接電

20、容電感電阻,無噪聲,體積小,而僅需要 60mV 的跌落電壓。它適用于單節(jié)鋰電池供電,采用低正向電壓的白光 LED 的應用方案,也可以作為恒 定電流偏置源使用。 這種驅動 LED 的方案無需外接元件, 也沒有 EMI 的問題, 體積小巧, 成本也更低。首先確定芯片應該具有的性能:. 6路輸出,每路最大 20mA 電流. 低壓差, 20mA 時僅有 60mV 壓差. 高精度 3%電流匹配. PWM亮度控制. 2.5V6V寬電壓輸入范圍. 溫度保護功能. 欠壓保護功能芯片的應用范圍:. 手機、 PDA 、掌上電腦. MP3、 MP4、掌上游戲機. 數碼相機、數碼攝像機功能框圖: LED4圖 2.1

21、系統(tǒng)功能框圖功能描述:LED 端能提供最大 20mA 的到地電流流入,各個 LED 端之間有很好的匹配性。 EN 端除了用來打開、 關閉電路外, 還能輸入 PWM 占空比信號調節(jié)亮度。 當輸入低頻率 (小 于 2KHz 的 PWM 信號時,一般情況下 LED 的平均電流為(占空比 ×20 mA 。 圖 2.2 PWM 亮度控制基準的基本原理是:利用一個正溫度系數的量和一個負溫度系數的量, 以適當的權重 將兩個量相加, 得到一個近似于零溫度系數的量。 例如, 對于隨溫度變化向相反方向變化 的電 壓 1V 和 2V 來說,我們選取適當的 1和 2, 使得02211=+TV TV (2.1

22、這樣就得到了具有零溫度系數的電壓基準 :2211R E F V V V +=(2.2我們知道, 在半導體工藝的各種不同器件參數中, 雙極型晶體管的特性參數被證實具 有最好的重復性,并且具有嚴格定義的正負溫度系數的參量。盡管 MOS 器件的許多參數 已被考慮用于基準產生 , 但是雙極型電路還是形成了這類電路的核心。負溫度系數電壓(CTAT :雙極型晶體管的基極 -發(fā)射極電壓, 或者更一般地說, PN 結二極管的正向電壓, 具有 負溫度系數。對于一個雙極型器件,可以寫出 C S BE T exp(/ I I V V =, 其中 T /V kT q =, 飽和 電流 S I 正比于 2i kT n

23、, 其中 為少數載流子的遷移率 , i n 為硅的本征載流子濃度。這些參 數與溫度 的關系 可以表 示為 m 0T , 其中 m -1.5, 23i g exp /( n T E kT -, 其中g 1. 12E e V , 為硅的帶隙能量。所以 :g 4S e x p (m E I T kT+=- (2.3其中 b 是一個比例系數 。 而 BE T C S ln(/ V V I I =, 為了簡化分析,假設 C I 保持不變 , 則有 :C S BE T T SS ln I I V V V TTI I T=- (2.4由式 (2.3 ,可以有g gg 34S 2(4 exp( exp(mmE

24、 EE I b m TbTTkTkTkT+=+-+-所以g S T T T 2S (4E I V V m V I TT kT=+(2.5由式 (2.4 和 (2.5 ,可以得到gB E T g C B ETT T 2S(4 /l n(4E V m V E qI V V V m V TTI T q kT-+-=-+-= (2.6式 (2.6 給出了給定溫度 T 下基極 -發(fā)射極電壓 B E V 的溫度系數。 從上式可以看出, 它與 B E V 本身的大小有關, 同時還與溫度 T 有關, 如果正的溫度系數的量表現出一個固定的溫度系 數,那么在恒定基準的產生電路中就會產生誤差 。正溫度系數電壓 (P

25、TAT :在 1964年人們認識到 7,如果兩個雙極型晶體管工作在不相等的電流密度下,那么 它們的基極 -發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比。如圖 2.3所示,如果兩個同樣的晶 體管 S1S2( I I =偏置的集電極電流分別為 00nI I 和 , 并忽略它們的基極電流,那么有00BE BE1BE2T T s1s1=-=(lnlnln nI I V V V V V n I I -=(2.7 Q2Q1nI 0圖 2.3 PTAT 電壓產生電路這樣 , V BE 的差值就表現出正溫度系數 :BE ln V k n Tq= (2.8可以看出,它與溫度或集電極電流的特性無關 。帶隙基準:利用前面得到

26、的正、 負溫度系數的電壓, 就可以設計出一個令人滿意的零溫度系數的 基準:R EF 1BE 2T ln V V V n =+(2.9這里的 T ln V n 是工作在不同電流密度下的兩個雙極型晶體管的基極 -發(fā)射極電壓的差值。 剩下的工作就是確定 1和 2。在室溫下, BE /1.5/V T m V K =-,而 T /0.087/V T m V K =,如果 1取 1,則選擇 適當的 2ln n 使得 2ln (0.087m V /K 1.5m V /Kn =, 也就是 2ln 17.2n , 表明零溫度系數 的基準電壓為:(2.10接下來的工作主要是設計完成 B E V 和 T 17.2V

27、 的相加電路。考察如圖 2.4所示的電路, 這里假設基極電流可以忽略,晶體管 Q2是由 n 個并列的晶體管單元組成的,而 Q1是一 個晶體管單元。假設用某種方法強制 O 1V 和 O 2V 相等,那么BE1BE2V V RI =+ (2.11即 B E 1B E 2T ln RI V V V n =-= (2.12所以O 2BE2T ln V V V n =+ (2.13這意味著:如果 ln n =17.2, O 2V 就可以作為與溫度無關的基準 (當 O 1V 和 O 2V 相等時 。 Q2Q1I圖 2.4與溫度無關的基準電壓產生電路圖 2.4電路中需要改進, 才能使它成為實用電路。 首先必

28、須加入一個偏置使得 O 1V 和 O 2V 相等。 其次, 由于 ln n =17.2, 結果使得 n 值過大, 需要通過按適當的比例增大 T ln RI V n =項。圖 2.5就是一個可以完成上述兩個功能的實用電路 8。 Q1圖 2.5實用帶隙基準電路這里, X V 和 Y V 為放大器 A1的輸入,驅動 R 1和 R 2(R 1= R 2的上端,運放的虛短 使得 X 點和 Y 點穩(wěn)定在近似相等的電壓上?；鶞孰妷嚎梢栽诜糯笃鞯妮敵龆说玫?。根據 對圖 2.5的分析,有BE1BE2T ln V V V n -=(2.14得到流過右邊支路的電流為 T 3ln /V n R ,因此輸出電壓為:T

29、2O U T BE232BE2T 33ln ( ln (1 V n R V V R R V V n R R =+=+(2.15為了得到零溫度系數,必須使 23(1/ ln 17.2R R n +。從工藝角度考慮選擇 n=8、 24等。 如果 n=8, 23/R R =7.25。電路中的電阻是比例關系,因此 O U T V 與電阻的溫度系數無關 9。圖 2.6給出了本電路中的帶隙基準電路。圖中的 M1, M2, M3, M4, M5, R, C, M6, M7組成放大器; R1, R2, M8, M9, Q1, Q2構成帶隙產生電路。 R1R2圖 2.6 本電路的基準電路采用了 CSMC 0.5

30、µm FEOL/0.35µm BEOL 6S035DPQM工藝, 由運放的輸入虛短, 可 以得出兩條支路電流相等,所以:c2BE1BE222ref BE12BE12BE1T BE1T 11c11ln(ln(8J V V R R V V IR V R V V V V R R J R -=+=+=+=+(2.16跟前面討論的 Bandgap 原理相吻合,只要采用適當的電阻比例,就可得到一階補償的帶 隙基準電壓。偏置電路 (峰值型 Peaking 偏置 :峰值型非線性電流源最初由 BJT 類型電路發(fā)展而來,用 MOS 器件取代相應的 BJT 后,得到與之相對應的 Peaking

31、型 MOS 電流源。當 MOS 管偏置在亞閾值區(qū)時,其電流 電壓關系與相應的 BJT 電路完全相同,在忽略電阻溫度系數的條件下可形成 PTAT 電流; 當處于強反型飽和工作區(qū)時,則表現出與 BJT 偏置完全不同的電流溫度特性 10。 Q 2I QM 2I Q圖 2.7 BJT/MOS非線性 Peak 電流源圖 2.7為 BJT 和 MOS 峰值型電流源電路。 Q1與 Q2,或 M1與 M2的柵壓不同,因 此輸入 -輸出電流為非線性關系。輸出電流在與輸入電流的變化過程中,存在一個峰值電 流。 完整的 Peak 型電流也可采用自偏置結構, 且 M1和 M2可工作強反型區(qū)或亞閾值區(qū), 以期獲得不同的

32、電流溫度系數的控制。 I 1/I3V CCI 2I 4圖 2.8峰值 (非單調 型自偏置結構峰值型與單調型自偏置電路的靜態(tài)結構和輸出電流控制機制基本相同, R 為支路電流 定義電阻。 電阻 R 為避免在源端串聯, 而放置在 MOS 管的漏端。 一是可以避免襯底偏置效應的影響, 二是將原有的電流相互作用的單調型關系, 改變?yōu)榉菃握{型關系。 電路結構 及其傳輸特性如圖 2.8所示。在強反型條件下,電阻 R 定義的支路電流為:GS3GS434 R 31V V V I R RRR -= (2.17在線性電流源的控制下,若 I 3=I4=Io 則有 :R =-=-(2.18 式中 M=(W/L4/(W/

33、L3>1,由此解出 : o 33I I k M R= (2.19穩(wěn)定的偏置電路可以提供穩(wěn)定跨導控制,即 :2m I g k =(2.20 式中 為過驅動電壓, =GS TH V V -。對比單調型自偏置結構的輸出電流,兩者提供的靜態(tài)偏置電流關系相同。當增加 M3和 M4兩管的 W/L并使其均處于亞閾工作狀態(tài),則輸出的近似 PTAT 電流為be T o ln V V I M RR= (2.21從動態(tài)控制機制上,兩者瞬態(tài)啟動過程的控制近似相同。由于 PMOS 線性電流源提供相 同的電流比例關系, 即 I 1I2為過原點的 45直線, I 3I4的非線性曲線關系能夠確保兩者之 間一定存在一個除

34、原點外唯一的交點 A , 該點即為偏置電路的靜態(tài)工作點。 在初始微小電 流的啟動階段,電阻上的壓降可以忽略,則 M3/M4的 W/L比例關系決定了電流 I 3I4近 似為比例放大關系,其曲線表現為初始斜率大于 45,此時表現為正反饋,啟動電流得以 增加。隨著電流的增加,電阻上的壓降增加, I 3I4的電流關系逐漸變?yōu)榉蔷€性而且其斜 率逐步降低,此時反饋控制變?yōu)樨摲答?導致達到最終的 A 點靜態(tài)點。在靜態(tài)工作點下, 非線性電流源 I 3I4一定處于負反饋的控制機制,從而確保靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。K 因子倍增和 peaking 型兩者的動態(tài)控制特性和襯底偏置方面存在一定差異。 電壓偏 置的核心內容,是

35、提高電流源的等效交流輸出阻抗,降低 MOS Diode 的交流輸出阻抗, 比電阻阻抗分壓更適合獲得更高的穩(wěn)定控制。啟動電路:設計啟動電路的參數時應當使啟動電路能夠滿足以下三點要求:首先能夠向偏置電路 灌入電流, 實現啟動功能; 其次, 偏置電路啟動后必須能夠關斷啟動電路與偏置電路的聯系,即啟動電路只在系統(tǒng)上電瞬間起作用,靜態(tài)后對電路正常工作沒有任何影響;最后, 電路啟動后,啟動電路應當保持很低的功耗,或者沒有功耗。啟動電路設計的關鍵在于瞬態(tài)電流的注入位置選擇, 以及保持對主電路盡量少的影響 和干擾。圖 2.9中, V _triggle為低電平啟動電壓,當穩(wěn)態(tài)建立后, V _sense為感應得到

36、的穩(wěn)態(tài) 電壓, 以此為關閉或啟動模塊的判據。 V _triggle和 V _sense可以是同一個結點電壓量, 也可以 不是同一結點電壓量。分開后初態(tài)與穩(wěn)態(tài)不同,更有利于對電路的控制。V_triggle VDD(Or PMOS GtaeVN_start DDVs RsV N_start DD Vs圖 2.9啟動電路原理圖 圖 2.10 NMOS啟動電路圖 2.10為啟動 NMOS 管工作的基本電路結構,電阻 R S 提供控制管 MP_S的感應電 平 V S 。 在上電瞬間, V DD 上跳到高電平, 而 MP_S在上電瞬間 V S 保持為 0, 因為 V GS =VDD 而導通, 給 NMOS

37、 管提供注入電流, 可等效地視為 V N_start信號將后級 NMOS 的柵電壓上 拉到所需要的偏置電位。 當 NMOS 未完成啟動時, 支路電流極小, 相應地內部支路的 PMOS 也不導通,其 V bp 保持為高電平,因此啟動模塊中的 PMOS 保持截止狀態(tài),使 V s 保持低 電位,從而 V N_start始終保持高電平充電狀態(tài)。這一反饋狀態(tài)可保證當啟動未能建立時, 系統(tǒng)可長久保持啟動狀態(tài)。隨著啟動的持續(xù)進行,內部支路電流增加后, V bp 電位下降, PMOS 開始導通, V S 電位上升,啟動能力減弱,直至 V S >VDD -V TP 時, MP_S完全關斷, 對電路正常狀態(tài)

38、的影響最小,這時設計應保證內部電路的啟動過程順利完成。 R2圖 2.11 偏置電路原理圖(包含啟動電路通過上面的研究和分析, 我們設計出一款適合本電路使用的偏置電路, 電路見圖 2.11所示。在圖 2.11中由 M1, M2及 R1構成開啟電路。在上電瞬間, V DD 上跳到高電平, M2導通, 從而使 M3導通。 M3導通后 M1, M5, M6開啟導通。 這時 M5, M6構成的電流鏡開 始工作,偏置電路被啟動。由于 R1是個大電阻,同時 M1也導通,從而 M2的柵電壓被 拉低,以至它不導通,開啟電路失去效力。過熱保護電路分兩個部分實現, 第一部分是先用溫度傳感器檢測芯片的內部溫度, 把

39、溫度信號轉變成電信號; 第二部分是對電信號進行比較, 如果超過一定值就輸出相反的電 壓信號, 使后續(xù)電路停止正常工作。 把溫度傳感器放在最靠近主要功耗器件的旁邊, 再跟 據芯片材料的特性計算出功耗器件與溫度傳感器距離溫度梯度, 這樣就可以正確反映功耗 區(qū)的溫度。 精確的測量芯片的最高溫度是非常有必要的, 如果溫度傳感器檢測的溫度不精 確或者燒毀芯片或者提前溫度停止芯片工作,這對芯片的工作都是不利的。過熱保護電路實現的關鍵是溫度傳感器的設計, 它將產生的溫度信號轉化成電壓或電 流信號, 通常是把溫度信號轉變成 PTA T 電流或電壓信號。 當溫度升高時, 電流也隨絕對 溫度成比例地增加。目前,集

40、成電路的片上溫度傳感器可以用熱電偶、熱敏電阻、齊納管、三極管的 PN 結和 MOS 管的弱反型區(qū)或閾值電壓來做。如果集成電路的片上溫度傳感器用熱電偶、熱 敏電阻來做, 不容易集成, 而且精度很低, 因此不能采用。 在雙極工藝中, 齊納二極管的Z V(擊穿電壓 的溫度特性是相當可靠的,不容易受到工藝流程的影響。因此這個電路的性能是比較容易得到保證的。但是遺憾的是齊納二極管的擊穿電壓一般大于 5V ,在集成 電路中一般難以產生如此高的電壓。 而且這個過熱保護電路的功耗是相當大的, 不符合現 在低功耗的發(fā)展趨勢。由上節(jié)所講的帶隙基準電壓源中的負溫度系數電壓知,雙極型晶體管的基極 -發(fā)射極 電壓 B

41、E V 具有負溫度系數。 B E V 大體上隨溫度減小而線性增大。三極管在 20 150 溫度 范圍內很好的保持著這一特性。 通過不斷試驗, 并運用統(tǒng)計規(guī)律, 可以取其值為 -2.2mV/ , 即溫度每上升 1 ,認為三極管 B E V 正向電壓下降 2.2mV ,而溫度每下降 1 ,其正向電壓 上升 2.2mV 。 三極管這種良好的溫度特性, 說明它本身就是一個很好的溫度傳感器, 而且 容易集成。 圖 2.12 過溫保護電路基準電壓不隨溫度變化,而 PNP 管的 B E V 電壓是負溫度系數,這樣可以給定電壓 Ref 為需要設定的溫度 B E V 的電壓。當溫度達到設定值時, out V 就

42、會在這點溫度跳變,利用這 個輸出電平, 可以得到溫度過高的信息。 從而輸出端跳變時, 關斷開關管, 實現過溫保護。欠壓保護電路的原理就是采樣電源電壓, 通過比較器進行比較, 當電路欠壓時, 輸出 欠壓信號關斷芯片。為了避免環(huán)境噪聲的干擾,比較時應該具有一定的遲滯。原理圖如下: R2R1圖 2.13 欠壓鎖存電路圖 2.13中 D D V 為電源電壓, 1R , 2R 和 3R , 1M , 2M 組成分壓電路。當 D D V 大于欠壓保 護電壓 U V LO V 時, 1M , 2M 導通經遲滯比較器輸出高電平。當鋰電池使用一段時間后輸出 電壓下降,即 D D V 下降到 U V LO V 之

43、下時, 1M , 2M 截止,經遲滯比較器輸出低電平。此電路 所設計的欠壓保護電壓 U V LO V 為 2.1V ,欠壓遲滯為 100mV 。第三章 版圖設計集成電路的版圖設計作為集成電路設計的重要組成部分,是聯系設計和制造的橋梁, 并最終將設計轉移到了硅片上, 實現了集成電路的生產制造。 因此集成電路版圖設計的正 確與否、 合理與否不僅關系到集成電路的功能是否正確, 而且也會極大程度地影響集成電 路的性能、成本和功耗。版圖設計是創(chuàng)建工程制圖 (網表 的精確的物理描述的過程, 而這一物理描述遵守由 制造工藝、 設計流程以及通過仿真顯示為可行的性能要求所帶來的一系列約束。 版圖設計 一般包括基

44、本器件版圖設計、布局和布線以及版圖分析與檢驗。3.1 設計工具 Cadence 的簡介Cadence 是一個大型的 EDA 軟件, 其主要產品線從上層的系統(tǒng)級設計到邏輯綜合到 底層的布局布線, 可以完成電子設計的方方面面, 包括 ASIC 設計、 FPGA 設計和 PCB 板 設計。 Cadence 在仿真、電路圖設計、自動布局布線、版圖設計及驗證等方面有著很大的 優(yōu)勢。本文主要使用其中的 Virtuoso Schematic Editor和 Virtuoso Layout Editor。3.2 設計工藝與規(guī)則由于器件的物理特性和工藝限制, 芯片上物理層的尺寸映射到版圖的設計尺寸必須遵 守特定

45、的規(guī)則。 版圖設計規(guī)則目的就是使設計規(guī)范化, 并在取得最佳成品率和確保電路可 靠性的前提下利用這些規(guī)則使版圖面積盡可能做到最小。此 LED 驅動器的設計遵循無錫 上華的 0.5µm FEOL/0.35µm BEOL硅柵 CMOS 工藝規(guī)則,其主要工藝信息如下:工藝名稱:6S035DPQM-ST0100工藝規(guī)格:0.5µm FEOL/0.35µm BEOL多晶硅層的數目:2金屬層的數目:4工藝描述:Generic 0.5µm FEOL/0.35µm BEOL Si Gate CMOS Twin Well Double Poly Quar

46、tus Metal Mixed Signal Process多晶硅柵類型:Polycide Gate (Poly1電壓:5V一般來講,設計規(guī)則反映了性能和成品率之間可能最好的折衷,從設計的觀點出發(fā),設計規(guī)則可分為幾個部分 11:1 決定幾何特征和圖形的幾何尺寸的規(guī)定,保證各個圖形彼此之間具有正確的關系 (在幾何設計規(guī)則文件中反映 。2 確定掩膜制備和芯片制造中都需要的一組基本圖形部件的強制性要求 (在幾何設計 規(guī)則文件中反映 。3 定義設計人員設計時所用的電參數的范圍(在電學設計規(guī)則中反映 。具體來說,可以歸納為以下描述的四種規(guī)則:最小寬度:掩模上定義的幾何圖形的寬度 (和長度 必須大于一個最

47、小值, 該值由光 刻和工藝的水平決定。最小間距:在同一層掩模上,各圖形之間的間隔必須大于最小間距,在某些情況下, 不同層的掩模圖形的間隔也必須大于最小間距。最小包圍:當有兩個不同的層疊在一起時,例如 SP 注入區(qū)在環(huán)繞 active 時應有足夠 的余量,以確保在制造出現偏差時器件部分始終在 SP 注入區(qū)內。最小延伸:有些圖形在其它圖形的邊緣外還應至少延長一個最小長度。除了上面所說的四種最小尺寸外,還要遵循一些最大允許尺寸,天線規(guī)則等。在對整個電路進行版圖設計時, 除了考慮設計規(guī)則, 還要對版圖的整體布局進行規(guī)劃, 主要有以下注意點:1 先確定輸入輸出焊盤的擺放位置, 并根據測試探針的個數以及間

48、距調整輸入輸出焊 盤,焊盤的布局決定整個芯片的大小。2 再考慮輸入輸出走線,包括電源線和地線的走線,以及核心電路的擺放。3 最后由整體轉向局部, 進行各模塊的設計, 然后進行拼接。 在小模塊的版圖設計當 中,更要注意更多的細節(jié)。3.3 基本元器件的版圖設計圖 3.1為 PMOS 管版圖和結構示意圖。 PMOS 管必須做在 N 阱中, N 型有源區(qū)會與 N 阱相連通(N 阱和 N 型有源區(qū)具有相同的參雜類型 ,源、漏、阱的連接通過另外的接觸 層來實現 12。這類接觸層中最典型的就是用于連接 metal1的接觸層。在 N 阱中必須接 PMOS 管的源端或者最高電位作為阱電位以防止 latch-up

49、 的產生。 圖 3.1 PMOS管版圖和結構示意圖 圖 3.2 為 NMOS 管版圖和結構示意圖。 由于 CMOS 工藝的自隔離特性, NMOS 不需 要放在阱內。所以 NMOS 可以直接做在襯底上,利用 P 襯底直接產生的反向 PN 結來隔 離。需要注意的是,在 NMOS 附近盡可能的多做襯底接觸,以防止 latch-up 的產生。 圖 3.2 NMOS管版圖和結構示意圖晶體管一般有以下設計規(guī)則 13:1 使用預先定義模板來進行 PMOS 和 NMOS 晶體管的布局。 應預先定義好單元的結 構,并且該模塊應將一組單元的基本版圖規(guī)劃封裝起來。2 共用電源節(jié)點以節(jié)省面積。 由于電源共用電源節(jié)點分

50、布廣泛、 易于連接, 因此實現 共享很容易,還可以節(jié)省相當大的面積。3 確定源極連接和漏極連接所需接觸孔的最小數目。 在兩個接觸孔間盡可能多的使用 最小設計規(guī)則,使晶體管的性能最優(yōu)。4 盡可能使用 90度角的多邊型或線型。5 對阱和襯底的連接位置進行規(guī)劃。6 避免 “ 軟連接 ” 節(jié)點。 “ 軟連接 ” 節(jié)點是指通過非布線層進行連接的節(jié)點。 由于非布線 層具有很高的阻抗,若通過它們進行連接,會導致電路性能變差。此外,根據電路結構的不同和功能要求, MOS 管的擺放與連接也有變化。實際電路中,有時需要的 MOS 管寬度可能是幾百甚至上千微米,而工藝提供的模型參數則規(guī)定了器件的尺寸范圍。為了實現大

51、尺寸的 MOS 晶體管,在電路中通過采用并聯 接法的一組 MOS 管來實現。 這些 MOS 管工作時等效于一個溝道寬度較大的 MOS 管, 其 溝道寬度等于所有單個 MOS 管溝道寬度的總和。大尺寸 MOS 管的版圖一般也采用并聯 結構或稱梳妝柵結構,并且相鄰的 MOS 管共用源區(qū)和漏區(qū)。這種版圖并聯結構不但減小 了版圖面積而且減小了源端和漏端的耗盡電容。圖 3.3 為 4個 PMOS 管并聯的版圖:圖 3.3 4個 PMOS 管并聯并聯 MOS 管的個數也就是叉指的個數,由器件的總溝道寬度 W 和每個叉指所對應 的小尺寸 MOS 管的溝道寬度iW 決定。小尺寸 MOS 管的寬長比是由多方面因

52、素決定的, 除了要考慮單個器件的性能優(yōu)化外, 還必須考慮全部并聯器件所占用的面積, 以及版圖平 面布局的要求和工藝離散性的影響。雙極型晶體管 (三極管 正常工作時同時利用電子和空穴兩種載流子, 用小尺寸解決 了電容問題,具有更小的 RC 時間常數。工藝制造時,考慮到成本,一般采用橫向 PNP 管。一個橫向 PNP 管通常包含一個 N 型區(qū)(通常是 N 阱 ,在這個 N 阱內又包含一個 P 型區(qū)和一個 N +區(qū) 14。畫版圖時,可以構造兩個管子,以降低阱中的串聯電阻,兩個 PNP 管共用中央的 P 型區(qū),即 PNPNP 結構,進而合二為一做成一個環(huán)狀 PNP 管,如圖 3.4所示,發(fā)射極面積 為

53、 5µm×5µm : 圖 3.4 單個 PNP 管的版圖實現任何電阻的第一步都是選擇一個恰當的分層。 分層的恰當選擇, 可能需要考慮以 下幾個因素:1 不同分層的電阻率;2 在不同工藝和不同環(huán)境條件下電阻率的變化;3 在不同工藝條件下分層的寬度的變化;4 在所選擇的分層上電阻的最終實現面積。在本設計中, Poly2被選擇作為電阻的材料, 因為這種材料的電阻相對較大電阻率和 寬度被嚴格控制,而且最終電阻所占的面積沒有限制。電阻值的計算公式如下:=W Lrr 為電阻( , L 為電阻體區(qū)長度(µm , W 為電阻體區(qū)寬度(µm , 為體材料 薄層電

54、阻率。電阻的設計同樣要求匹配, 通常對一些有對稱性的電阻采用交叉匹配或共質心匹配的 方法。圖 3.5為交叉匹配的電阻版圖。所有精確電路都會受到襯底噪聲的影響。 襯底噪聲是由于臨近的電路部分互相之間注 入電流引起的。在相鄰電路間減少襯底噪聲的最簡單方法就是在兩部分電路之間放置 +P 注入。 襯底接觸將除去注入載流子, 并能使襯底保持在一個固定電位。 因此一般在電阻周 圍放置 +P 注入。由于 +P 注入畫成了環(huán)形,所以通常把它們稱作保護環(huán)(Guard Ring 。在 版圖設計時考慮到以后的改版方便,通常把電阻放在一起。 圖 3.5 交叉匹配的電阻版圖在集成電路中有多種電容結構 11:1 金屬 -

55、絕緣體 -金屬(MIM 結構;2 多晶硅 /金屬 -絕緣體 -多晶硅結構;3 金屬叉指結構;4 PN結電容;5 MOS電容。在本次設計中所使用的工藝包含兩層 Poly , 因此我們可以利用兩層 Poly 來制作電容。 圖 3.6為 ploy-ploy 電容版圖: 圖 3.6 ploy-ploy電容版圖ploy1和 ploy2層之間是硅氧化物介質層。電容值的計算公式如下:O X C C A =式中 O X C 為單位面積氧化物的電容值, A 為 ploy1和 ploy2層的交疊面積。和電阻一樣電容也要在外面加一層保護環(huán)。3.4驅動部分電路的版圖設計由于驅動關系到是否能構讓六個 LED 保持相同的亮度,所以在版圖中要求六個驅動 完全對稱,否則驅動的 LED 亮度不一致。圖 3.7為驅動部分的版圖。 圖 3.7 驅動部分版圖3.5 布局布線在子模塊興建好之后, 設計整個芯片之前, 我們要為每個模塊在整個芯片中選擇一個 好的布圖方案, 從而使得傳輸信號通路與非相關信號通路分隔開, 降低有用信號受干擾的 程度。 在版圖上進行系統(tǒng)整體版圖布局時, 要充分考慮模塊之間的走線, 避免時鐘信號線 對單元以及內部信號的干擾, 模塊間擺放