2022年大功率照明白光LED恒流驱动芯片设计 .pdf

硅微电子学大功率照明白光L ED恒流驱动芯片设计郑晓东郭维 朱大中(浙江大学信息与电子工程学系,微电子与光电子研究所,杭州,310027 )2008203226收稿, 2008205226收改稿摘要:基于016m标准CM O S工艺,研究设计了一款大功率照明白光L ED恒流驱动芯片,可为两路功率型L ED分别提供恒定的350 mA驱动电流 。 驱动电路的输出级大功率管采用蛇形栅结构的设计,在标准CM O S工艺线上实现了功率器件与控制电路的单片集成。采用单电源供电,最高输出功率可达3W以上;单电源电压在47 V范围内,芯片能够实现良好的恒流驱动功能,驱动电流恒流失配度保持在3109%以内;当标准5 V电源有10%的变化时,驱动电流的变化可控制在1142%之内,恒流失配度保持在2184%以内;而当环境温度在1090范围内变化,驱动电流最多增大1175% ,恒流失配度保持在3115%以内。 采用双电源供电时,芯片电源转换效率可达83%。关键词:互补金属氧化物半导体功率集成电路;功率型白光发光二极管;蛇形栅结构;恒流驱动中图分类号: TN 432文献标识码: A文章编号: 100023819(2009)012122204D esign of Con stant-curren t Dr iver IC for Power W h ite L ED sZH EN G X iaodongGUO W eiZHU D azhong(D epartment of Inf orm ation Science and Electron ics E ng ineering , Z hej iang U niversity , H ang zhou, 310027,CH N)Abstract : A monolith ic constant2curren t drivingintegrated circu it ( IC) is designed and fab ri2cated by using CSM C 016um standard CM O S p rocess to drive two pow er w hite ligh t2emittingdiode (L ED ) strings w ith 350 mAeach .T he ou tput2stage pow er M O SFET s are designed w ithCM O S bent2 gate structu re, and it m akes po ssible the compatib le integrati on of pow er device w ithconventional CM O S signal p rocessing circu its.In the typical operating circu it w ith single pow ersupply, it is able to supply 3 W pow er w hite L ED, and the input voltage range is 4 Vto 7 V.W hen 5 V single voltage supply changes by 10% or ambient temperatu re varies from 10 C to 90C, the variance of the driving curren t can be contro lled w ith in 1142% and 1175%, w hile the cur2rents of the two path s are m ism atched w ith in 2184% and 3115% respectively.T he pow er effi2ciency of th is chip can reach up to 83% w ith doub le voltage supplies.Key words: CMOS power IC; power wh ite L ED; bent-gateMOS structure ; constant-curren tdr ivingEEACC : 2570P引言近 年 来, 半 导 体 固 体 照 明 光 源 发 光 二 极 管(L ED,L ight emitting diode) 因其高效 、 节能、 环保、寿命长 、 可靠性高等优点得到了广泛应用, 尤其随着新材料的发展和制造工艺的改进, 高亮度大功率照明白光L ED发展迅速 , 大有取代白炽灯、 荧光灯等成为通用照明领域新光源之势 122。因此 , 开发与之相适应的大功率L ED 驱动芯片具有十分广阔的市第29卷第1期2009年3月 固体电子学研究与进展RESEARCH & PROGRESSOF SSEV o l . 29,N o. 1M ar. , 2009联系作者: E2mail: guow zju. edu. cn基金项目:浙江省科学技术厅科技计划项目高效节能技术专项(计划编号2006C11007 )名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 场前景 。本设计为采用016 m 标准 CM O S 工艺研制的一款代替传统白光L ED设计中简易镇流电阻的恒流驱动芯片 , 在标准 CM O S 工艺线上实现了功率器件与 控制电路的集成, 可为两路功率型照明白光L ED分别提供恒定的 350mA 驱动电流 。 对L ED 采用恒流驱动方式较之恒压驱动具有更高的可靠性, 同时也有利于保证各个 L ED 之间亮度和色度的一致 3。 而对于电源电压或环境温度变化产生的影响, 设计中通过取样反馈控制电路以使输出驱动电流保持恒定。1芯片设计驱动芯片采用无锡华润上华016 m双层金属双 层 多 晶 硅 N 阱 标 准 CM O S 工 艺 技 术 (CSM C016 m doub le poly doub lem etal technology) 制造 ,实现了功率器件与控制电路的单片集成。 图1所示芯片照片 , 面积为 2 mm 2 mm ,结构布局主要可以分为两大部分,A为恒流控制电路,B则是两个高宽长比的输出级大功率NM O S 管。图1驱动芯片照片A为控制及测试电路, B为功率NM OS管(M 1和M 2) F ig. 1Pho to ofthe chip A : Con stant2curren t contro l2lingcircu its;B: Pow er NM O SFET s(M 1 andM 2高宽长比大功率NM O S 管的设计采用了如图2所示的蛇形栅结构(Bent2gateM O S structu re)。表1所示为该结构与传统的叉指状直栅结构有效宽长比密度的比较 。 基于本设计所采用的工艺, 由表中数据可知 , 相比叉指状直栅结构, 蛇形栅结构的有效宽长比密度增大了2619%。所以采用蛇形栅结构的M OS管具有更高的有效宽长比密度, 结构更紧凑 , 因而可以提高芯片面积利用率 426。图 3 所示为芯片内部电路及外围应用电路框图, 其中虚线框内各模块均实现了片上集成, 主要包括一个带隙基准电压源、 一个运算放大器(A)、 两个相同的输出级高宽长比大功率 NM OS 管 (M 1 和M 2)、图2蛇形栅结构大功率NM O S管版图设计Fig. 2L ayou t of ben t2gate structu re pow er NM O SFET表1采用无锡华润上华016m双层金属双层多晶硅N阱标准CMOS工艺设计的不同结构MOS管有效宽长比密度比较Tab. 1Com par ison of effective W L density3 3of d ifferen tMOSstructuresdesigned by CS M C 016m D PDMtechnologyM O S structu reEffectiveWL densitym-2N ormalM O S01694Ben t2gate018813 3EffectiveWLden sity =w idth-to-length-ratioarea-of图3芯片内部电路及外围应用电路框图F ig. 3Topo logy structu re of app licati on circu it取样M OS管 (M3) 等部分。 芯片共有六个引出端 , 其中GND 为接地端; EN 为控制电路电源端 , 标准取值为 5V ;L ED 1 和L ED2 为两路 350mA 恒定驱动电流输出端, 每路上均可串接若干L ED, 而驱动电源电压Vcc的值根据串接L ED的个数确定(5V, 9V或 12V );V 313 和SET 为外接取样电阻 (RSET)的接入端。芯片稳定工作时, 带隙基准电压源产生313 V和 115 V 两个基准电压 。其中 , 115V 基准电压接入运算放大器的反相输入端, 而该运算放大器的输出控制功率NM O S管M 1、M 2 和取样M O S管M 3 的栅压, 从而控制流经 L ED 的驱动电流 。取样电流ISET在取样电阻RSET上产生取样电压, 313 V 基准电压与该取样电压的电压差作为反馈电压反馈回运算放大器的同相输入端, 并与放大器反相输入端的电压经3211期郑晓东等:大功率照明白光L ED恒流驱动芯片设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 比较放大产生一个控制信号, 对M 3 的栅电压进行调整 , 进而对 M 3 上的ISET进行调整 , 以使整个闭环反馈系统处于动态平衡中。 当ISET减小时,RSET上的压降随之减小, 则运算放大器同相输入端的电压V+ 增大 , 导致放大器的输出增大, 从而使ISET增大 ;反之亦然 。 总之 ,该闭环反馈控制电路能使传感电流ISET始终处于恒定状态。 由于运算放大器的钳位作用,VSET= 115V , 则取样电流为ISET=(313 -115)VRSET=118 VRSET取k=WLiWL3(i= 1, 2) , 因为M 1、 M 2 和M 3 均工作于饱和区 , 且其栅源电压相等, 所以输出电流为:IL ED i=kISET=WLiWL3118VRSET应用时通过调节取样电阻RSET便可设定输出驱动电流为所需值 。本设计中取k= 824,RSET= 510 k8 ,从而输出驱动电流为350mA 。在输出级两路完全匹配的情况下 , 因为满足IL ED 1=IL ED2= 824ISET, 所以 M 1和M 2 上的输出驱动电流也会跟随保持恒定ISET并且相等 。 但是 , 要实现输出级两路的绝对匹配一般是不可能的 , 故而在实际情况中需要对电流的控制精度和匹配度进行折中考虑。 在对电流匹配度要求不是非常高 (两路电流恒流失配度5% ) 的情况下 ,此电路结构能够很好地实现恒流控制功能 728。图4蛇形栅结构大功率NM O S管ID2VDS特性曲线照片(栅源电压: 012V级)F ig. 4Pho to ofID2VDScharacteristicofthe ben t2gatestructu re pow er NM O SFET s (VGS: 012Vdiv )2测试结果图 4 所示为芯片中两个大功率NM O S管 (M 1和M 2) 的传输特性曲线 。 从图中可以看出, 其性能良好, 当栅源电压(VGS) 为1 . 2V ,源漏电压 (VDS) 为115 5V左右时 , 输出电流最高可达500 mA , 完全可以作为驱动工作电流为350mA 的照明白光 L ED 的输出级功率管使用 。该芯片将主要应用于通用照明领域, 采用单电源供电,两路输出上各接一个标准工作电压为315V 、 工作电流为350 mA 的功率型照明白光L ED, 其应用电路的标准电源电压为5 V , 即VDD=Vcc= 5V 。图 5 所示为采用单电源供电, 电源电压Vcc变化时, 两路输出驱动电流的变化情况。 由图可知 , 当电源电压为 215 V 左右时 , 芯片启动 ; 而当电源电压在4 7V 范围内变化, 芯片具有稳定的恒流特性, 驱动电流变化?ILED 1= 48 mA , ?ILED 2= 64 mA ,输出两路电流的恒流失配度可保持在3109%以内 。图5单电源电压变化时芯片恒流特性F ig. 5D rivingcurren ts vs.single pow er supp ly voltage表 2 所示为标准5V 单电源电压发生10%变化时, 驱动芯片恒流特性的相关测试结果。 由表中数据可 知, 当电源电压发生10% 的变化 ,L ED 上的正向压降VL ED几乎不发生变化, 而电源电压的变化基本等值反映在大功率NM O S管的源漏电压(VD S) 变化上。根据测试结果, 电源电压为 5V 时, 两路L ED 上的驱动电流IL ED 1和ILED 2分别为 343 mA和 352 mA ,恒流失配度为 2159%。当5V 电源电压变化10% ,驱动电流的变化可控制在1142%之内 , 恒流失配度保持在 2184%以内。表2标准5V单电源电压发生10%变化,相关参数变化情况Tab.2Electr ical param eters var iation at the 5 Vpowersupply with10% changesVccV415510515VL EDVVDSVIL EDmAL ED1312131223122L ED2312431243124M 1112911782128M 2112611762126L ED1342343347L ED2351352357ItotmA711713723图 6 所示为不同环境温度下驱动电流的变化情况。 当环境温度由 10升高到 90 ,两路驱动电流分别 增 大 了 1175%和 1170%, 恒 流 失 配 度 保 持 在421固体电子学研究与进展29卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 3115% 之内。图6环境温度变化时,驱动电流变化情况Fig. 6D rivingcurren ts vs.ambient temperatu re通过在 319 610 k8 范围内调节取样电阻RSET的 大小 , 可对两路输出驱动电流分别在320 500mA和 330 515 mA范围内进行调整, 且恒流失配度保持在 5% 以内 , 如图 7 所示。图7取样电阻RSET对驱动电流的调节作用F ig. 7D rivingcurren ts vs.RSET当驱动电源电压Vcc分别为 9 V 和 12 V , 输出级每路可分别串接2个和 3 个标准工作电压为315 V 、工作电流为 350 mA的功率型照明白光L ED。 芯片的电源转换效率定义为芯片输出功率与电源的总输入功率之比 。随着串接 L ED 个数的增加以及驱动电源电压的抬高, 芯片的电源转换效率也会随之提高。当 采用双电源供电,VDD= 5 V , 而驱动电源电压Vcc为 12 V 时 , 电源转换效率可达83%。3结论基于无锡华润上华的016 m 双层金属双层多晶硅N 阱标准 CM OS 工艺, 设计了一款能对两路功率型照明白光L ED进行恒流驱动的芯片 , 在标准CM O S工艺线上成功实现了功率器件与控制电路的单片集成。芯片面积为 2mm 2mm , 输出级大功率 NM O S 管的设计采用面积利用率更高的蛇形栅结构。 测试结果说明, 当电源电压或环境温度发生变化时, 芯片具有稳定的恒流输出 , 且输出两路驱动性能具有良好的一致性,各项指标均达到了预期设计目标 。参考文献 1 ChengY K , ChengK WE.Generalstudyfo r usingL EDto rep lace traditi onalligh tingdevices C .2ndInternati onalConferenceonPow er Electron ics Sys2tem s and A pp licati on s,HongKong :PESA ,2006:1732177.2 DouglasAK irkpatrick .Is solid2statethe fu tu re ofligh ting C .T hirdInternati onal Conferenceon SolidState L igh ting ,San D iego, U SA:SP IE,2004:10221.3 M ax im2D allas Semiconducto r,W hy D rive W hite L ED sw ith Con stan t Cu rren t OL . Jun , 03, 2004.4 M alikS Q , Geiger R L. M in im ization of area in low2resistance M O S sw itches C . Proceedings of the 43rdIEEE M idw est Sympo sium on Circu its and System s,2000: 139221395.5 M alikS Q ,Geiger R L. M in im ization of area in low2resistance M O S s w itches C .43rdIEEE M idw estSympo siumon C ircu its and System s, L ansing, M I:2000, 3: 139221395.6 沈慧,朱大中.半导体照明光源恒流驱动芯片的研究 J.固体电子学研究与进展, 2006, 26 (2): 1002103.7 M ax im2D allasSemiconducto r, D rivingL ED s in Bat2tery2OperatedA pp licati on s :Con tro llingB righ tnessPow er Efficiently OL .M ar 25, 2003.8 M ax im2D allas Semiconducto r,Charge2Pumpand Step2U p DC2DCConverterSolu tion s for Pow ering W hiteL ED s in Series or ParallelConnecti on sOL . A p r 23,2002.郑晓东(ZH EN G X iaodong )男,汉族,1982年生,浙江淳安人, 2005年毕业于浙江大学信息科学与工程学院信息与电子工程学系微电子学与固体电子学专业,获得学士学位; 2006年开始攻读本专业硕士学位,主要从事模拟集成电路领域的研究工作 。郭维(GUO W ei)男, 1973年出生于陕西兴平, 1994年毕业于浙江大学信电系半导体物理与器件专业,获学士学位,1997年于浙江大学信电系获得半导体物理与器件专业硕士学位,现为浙江大学信息科学与工程学院信电系微电子与光电子研究所教师,主要从事混合信号集成电路 、电源管理集成电路 、大功率集成电路领域的研究工作。朱 大中(ZHUD azhong )男, 1945年出生于上海, 1967年毕业于南京大学物理系半导体物理专业, 1981年在浙江大学无线电系半导体物理与器件专业研究生毕业,获硕士学位,现为浙江大学信息科学与工程学院信息与电子工程学系教授,博士生导师,主要研究领域包括混合信号集成电路 、 传感器集成电路 、 微波微机械集成电子学 。5211期郑晓东等:大功率照明白光L ED恒流驱动芯片设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -