电流型白光LED驱动芯片设计与电路优化
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摘要
电源管理产品广泛地应用于整个电子行业，是电子产品必不可少的组成部分之一。本文设计实现了DCM-CPM型的升压开关电源芯片，其输出电压和驱动能力满足设计要求。
在DCM-CPM型开关电源电路设计中，本文结合PWM控制模式以及峰值电流控制环调节等理论给出设计依据，并根据功能需求进行了电路的总体结构设计和子电路设计。重点分析了电压基准源电路和跨导运算放大器(OTA)，简要介绍了其他模块的电路结构和仿真波形。提出将遗传算法引入电路设计中，程序运算结果和仿真结果基本吻合，实现典型结构的模拟电路的电路级自动生成。该芯片采用标准的CSMC 0.6μm CMOS工艺，输入电压范围为2.6V～5V，输出电流为16mA。芯片设计了温度性能良好的电压基准源电路，工作温度范围为-40℃至100℃，温度系数为4ppm/℃。
在完成电路结构设计的基础之上，应用EDA软件Cadence Spectre对各个子电路模块和整体电路进行了仿真，仿真结果均达到或优于预定指标，验证了设计理论。
Power manage products are widely used in the whole electronic industry andthey are the most important part of electronic products. This paper carries out aDCM-CPM Boost DC-DC converter which meets the specification.
In the designing of the DCM-CPM Boost DC-DC converter, this paperpresents a circuit design based on the theory of PWM control mode andpeak-current control mode. Then the analysis of the whole chip structure andsub-circuits is presented in which voltage reference and OTA sub-circuits areemphasized on. GA(Genetic Algorithms) has been introduced into analog circuitdesign, which automates the analog circuit design. The chip adopts standard CSMC0.6μm CMOS process. The input voltage ranges from 2.6V to 5V and the outputcurrent is 16mA. The chip contains a voltage reference which has high temperaturecharacteristic and operates from -40℃to 100℃with temperature coefficient4ppm/℃.
Followed the design of circuit structure, each module and the whole circuit intop level have been simulated in Cadence Spectre simulator and the simulationresults meet the specification which validate the theory.
在DCM-CPM型开关电源电路设计中，本文结合PWM控制模式以及峰值电流控制环调节等理论给出设计依据，并根据功能需求进行了电路的总体结构设计和子电路设计。重点分析了电压基准源电路和跨导运算放大器(OTA)，简要介绍了其他模块的电路结构和仿真波形。提出将遗传算法引入电路设计中，程序运算结果和仿真结果基本吻合，实现典型结构的模拟电路的电路级自动生成。该芯片采用标准的CSMC 0.6μm CMOS工艺，输入电压范围为2.6V～5V，输出电流为16mA。芯片设计了温度性能良好的电压基准源电路，工作温度范围为-40℃至100℃，温度系数为4ppm/℃。
在完成电路结构设计的基础之上，应用EDA软件Cadence Spectre对各个子电路模块和整体电路进行了仿真，仿真结果均达到或优于预定指标，验证了设计理论。
Power manage products are widely used in the whole electronic industry andthey are the most important part of electronic products. This paper carries out aDCM-CPM Boost DC-DC converter which meets the specification.
In the designing of the DCM-CPM Boost DC-DC converter, this paperpresents a circuit design based on the theory of PWM control mode andpeak-current control mode. Then the analysis of the whole chip structure andsub-circuits is presented in which voltage reference and OTA sub-circuits areemphasized on. GA(Genetic Algorithms) has been introduced into analog circuitdesign, which automates the analog circuit design. The chip adopts standard CSMC0.6μm CMOS process. The input voltage ranges from 2.6V to 5V and the outputcurrent is 16mA. The chip contains a voltage reference which has high temperaturecharacteristic and operates from -40℃to 100℃with temperature coefficient4ppm/℃.
Followed the design of circuit structure, each module and the whole circuit intop level have been simulated in Cadence Spectre simulator and the simulationresults meet the specification which validate the theory.
引文
[1] 白光LED成长快速汽车应用商机显现．http：WWW.cnele.com.2005-11-17
[2] 赛迪顾问半导体事业部，杨斌，中国电源管理芯片市场保持快速发展． http：//WWW.chinaecnet.com/.2006-3-23
[3] Di vadar Szabo，DeAnn wright．面向便携设备的LED驱动器．世界电子元器件2003，(11)：29-30
[4] 平立．白光LED驱动综述现代显示2006(6) 44-46
[5] TI. Understanding Buck-Boost Power Stages in Switch mode Power Supplies. TI Application Report, 1999-3.
[6] 赛尔吉欧．佛朗哥，基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计．第三版，西安交通大学出版社，2004．8：443-482．
[7] MAXIM, 1.4MHz SOT23 Current-Mode Step-Up DC-DC Converter. MAX1896 data sheet, 19-2221; Rev 1; 3/04.
[8] 张卫平．开关变换器的建模与控制[M]．北京：中国电力出版社，2006．79-82．
[9] 贾新章，武岳山．The CAD Technique of ElectFOni c Circui ts—OrCAD 9．2[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．3-6
[1O] Abraham I. Pressman, Switching Power Supply Design. 2nd Edition McGraw-Hill, 1998: 143-189.
[11] V.G.K. REDDI, C.T. SAH. Source to Drain Resistance Beyond Pinch-Off in Metal-Oxide-Semiconductor Transistors (MOST) [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1965, 12(3):139-141.
[12] 毕查德．拉扎维．模拟CMOS集成电路设计[M]．西安：西安交通大学出版社，2003．240-243．
[13] P.E. kllen, D.R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design[M].Oxford University Press, 2008.231-236.
[14] 王小平，曹立明．遗传算法——理论、应用与软件实现[M]．西安：西安交通大学出版社，2002．28-34．
[15] 周明，孙树栋．遗传算法原理及应用[M]．北京：国防工业出版社，1999．54-58．
[16] 赵曙光．基于多目标遗传算法的模拟电路进化设计方法[J]．西安电子科技大学学报，2004，31(3)：342-346．
[17] Maria del Mar Hershenson, Stephen P. Boyd, Thomas H. Lee. Automated Design ofFolded-CascodeOp-AmpswithSensitivityAnalysis[J]. IEEE International Conference on Electronics，Circuits and Systems, September, 1998．121-124．
[18] 章立民研究室．Visual Basic 2005程序开发与界面设计秘诀[M]．北京：机械工业出版社，2006．10-14．
[19] 朱磊 杨银堂 朱樟明 付永朝，低压CMOS带隙电压基准源设计[j]．固体电子学研究与进展，2005，25(2)：246-249
[20] Banba H，Shiga H，M mezawa A，et a1．A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation．[J]．IEEE Journal of Solid-state Circuits，1999; 34(5): 670-674
[21] 张 科 冯全源．一种带软启动电路的带隙基准电压源的实现[j]．微电子学与计算机，2006：23(12)：179-181
[22] 胡二虎 汪东旭．一种频率稳定的集成CMOS环形振荡器[j]．微电子学，2003，33(3)：259-261
[23] 王秀杰 张畴先，模拟集成电路应用[M]．西安：西北工业大学出版社 2003．2 44-46
[24] Robert W．Erickson，Fundamentals of Power Electronics．Second Edition，KLUWER ACADEMIC PUBLIISHERS，22-27．
[25] Brad Bryant，Marian K．Kazimierczuk，Voltage Loop of Boost PWM DC-DC Converters With Peak Current-Mode Control．IEEE transactions on circuits and systems-I：regular papers, VOL.53, NO．1, January 2006, 99-104．
[2] 赛迪顾问半导体事业部，杨斌，中国电源管理芯片市场保持快速发展． http：//WWW.chinaecnet.com/.2006-3-23
[3] Di vadar Szabo，DeAnn wright．面向便携设备的LED驱动器．世界电子元器件2003，(11)：29-30
[4] 平立．白光LED驱动综述现代显示2006(6) 44-46
[5] TI. Understanding Buck-Boost Power Stages in Switch mode Power Supplies. TI Application Report, 1999-3.
[6] 赛尔吉欧．佛朗哥，基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计．第三版，西安交通大学出版社，2004．8：443-482．
[7] MAXIM, 1.4MHz SOT23 Current-Mode Step-Up DC-DC Converter. MAX1896 data sheet, 19-2221; Rev 1; 3/04.
[8] 张卫平．开关变换器的建模与控制[M]．北京：中国电力出版社，2006．79-82．
[9] 贾新章，武岳山．The CAD Technique of ElectFOni c Circui ts—OrCAD 9．2[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．3-6
[1O] Abraham I. Pressman, Switching Power Supply Design. 2nd Edition McGraw-Hill, 1998: 143-189.
[11] V.G.K. REDDI, C.T. SAH. Source to Drain Resistance Beyond Pinch-Off in Metal-Oxide-Semiconductor Transistors (MOST) [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1965, 12(3):139-141.
[12] 毕查德．拉扎维．模拟CMOS集成电路设计[M]．西安：西安交通大学出版社，2003．240-243．
[13] P.E. kllen, D.R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design[M].Oxford University Press, 2008.231-236.
[14] 王小平，曹立明．遗传算法——理论、应用与软件实现[M]．西安：西安交通大学出版社，2002．28-34．
[15] 周明，孙树栋．遗传算法原理及应用[M]．北京：国防工业出版社，1999．54-58．
[16] 赵曙光．基于多目标遗传算法的模拟电路进化设计方法[J]．西安电子科技大学学报，2004，31(3)：342-346．
[17] Maria del Mar Hershenson, Stephen P. Boyd, Thomas H. Lee. Automated Design ofFolded-CascodeOp-AmpswithSensitivityAnalysis[J]. IEEE International Conference on Electronics，Circuits and Systems, September, 1998．121-124．
[18] 章立民研究室．Visual Basic 2005程序开发与界面设计秘诀[M]．北京：机械工业出版社，2006．10-14．
[19] 朱磊 杨银堂 朱樟明 付永朝，低压CMOS带隙电压基准源设计[j]．固体电子学研究与进展，2005，25(2)：246-249
[20] Banba H，Shiga H，M mezawa A，et a1．A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation．[J]．IEEE Journal of Solid-state Circuits，1999; 34(5): 670-674
[21] 张 科 冯全源．一种带软启动电路的带隙基准电压源的实现[j]．微电子学与计算机，2006：23(12)：179-181
[22] 胡二虎 汪东旭．一种频率稳定的集成CMOS环形振荡器[j]．微电子学，2003，33(3)：259-261
[23] 王秀杰 张畴先，模拟集成电路应用[M]．西安：西北工业大学出版社 2003．2 44-46
[24] Robert W．Erickson，Fundamentals of Power Electronics．Second Edition，KLUWER ACADEMIC PUBLIISHERS，22-27．
[25] Brad Bryant，Marian K．Kazimierczuk，Voltage Loop of Boost PWM DC-DC Converters With Peak Current-Mode Control．IEEE transactions on circuits and systems-I：regular papers, VOL.53, NO．1, January 2006, 99-104．