18通道恒流LED驱动器的设计研究

论文摘要

在人们日益关注环境与能源的今天,发光二极管(LED, Light Emitting Diode)因为有着寿命长、耗能低、污染小等优点,必将代替传统光源成为新一代绿色光源。LED在背光源、显示屏和装饰照明等方面的广泛应用,推动了LED驱动芯片的研究与发展。各种新型的LED驱动芯片不断被提出以满足市场的需求,LED驱动芯片的设计已经成为研究热点。本论文设计了一种18通道恒流LED驱动芯片,主要用于室内外LED显示屏,走字屏和LED装饰照明系统。芯片中包含了144位串行移位寄存器,数据锁存器,带隙基准源,内部振荡器和高压可编程恒定电流输出驱动级,采用了CSMC(CSMC, China Semiconductor Manufacturing Corporation) 0.5μm CMOS工艺制造。芯片的工作电压为3.3V ~ 5.5V ,输出驱动级可以承受高达40V的输出电压,有18路恒定电流的输出,同时输出电流精度高,同一芯片各通道间的输出电流匹配度可达到±2%,不同芯片之间的输出电流匹配度可达到±4%。每个通道可输出高达30mA的恒定电流。芯片采用了8位PWM(PWM, Pulse Wide Modulation)脉宽调制,可以实现256级LED灰度调节,并且具有过温保护功能。本论文完成的工作主要包括了:1、在研究了大量LED驱动芯片设计的基础上,提出了具体设计指标、系统整体电路结构及工作原理。2、对芯片中一些重要的子电路模块进行了详细介绍,包括基本工作原理、电路结构,并在此基础上提出了性能更优的新型电路,采用Cadence的Spectre对各子电路模块进行了仿真。3、完成芯片的设计后,对芯片进行了整体仿真,仿真结果表明芯片可以在PWM灰度控制下输出恒定电流,整体性能达到了设计指标。采用CSMC 0.5μm工艺对版图进行了设计,整个芯片面积仅为1963×1229μm 2。4、芯片流片后,对其进行测试的结果表明,芯片工作正常,芯片通道间电流匹配度达到了±2 %,芯片间电流匹配度在±4%之内,最大功耗约为78mW。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 LED 的概述
• 1.1.1 LED 的特性
• 1.1.2 LED 的发展状况及应用
• 1.2 LED 驱动电路的概述
• 1.2.1 LED 驱动器的特性
• 1.2.2 LED 驱动方式简介
• 1.3 LED 驱动器的国内外发展
• 1.4 本课题研究的意义及主要内容
• 第二章 驱动芯片的整体结构设计
• 2.1 芯片的系统工作原理
• 2.1.1 电路模块
• 2.1.2 芯片的主要特性参数及输入输出引脚
• 2.2 芯片的主要设计指标
• 2.3 PWM 灰度控制
• 第三章 子模块电路的设计与仿真
• 3.1 基准电压源
• 3.1.1 带隙基准电压源基本原理
• 3.1.2 带隙基准电压源电路设计
• 3.1.3 带隙基准电压电路的完整结构及仿真结果
• 3.2 振荡器
• 3.2.1 振荡器的原理
• 3.2.2 片内振荡器的设计
• 3.2.3 仿真结果
• 3.3 比较器
• 3.3.1 迟滞比较器的基本原理
• 3.3.2 迟滞比较器的设计
• 3.3.3 仿真结果
• 3.4 过热保护电路
• 3.4.1 过热保护电路的基本原理
• 3.4.2 过热保护电路具体电路的设计及仿真结果
• 3.5 输出级驱动
• 3.5.1 基本原理
• 3.5.2 输出驱动级的设计
• 3.5.3 仿真结果
• 第四章 芯片的整体仿真和版图设计
• 4.1 芯片的整体仿真
• 4.2 芯片的版图设计
• 4.2.1 CMOS 工艺简介
• 4.2.2 数字版图设计
• 4.2.3 模拟版图设计
• 第五章 芯片的测试
• 5.1 芯片封装管脚分布
• 5.2 芯片的测试
• 5.2.1 Ivcc 测试
• 5.2.2 内部振荡器频率 Fosc 测试
• 5.2.3 VIREF 测试
• 5.2.4 输出电流测试
• 5.2.5 输出占空比控制测试
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果
• 附录一