模拟集成电路设计结课论文

恒流输出大屏幕LED驱动CMOS芯片的电路设计

(电子0902 09401120248 )

摘要:LED显示屏已经成为各类户外户内的广告宣传展示的首选媒介。LED以其寿命长，功耗低节能环保的优点，深受照明和显示行业的欢迎[1]。因此，LED的驱动芯片在市场上也有很大的需求。本文介绍了一种恒流输出大屏幕LED驱动CMOS 芯片的设计，工作电压范围是3.3V-5.5V，工作温度范围是-40℃-125℃。该驱动芯片对恒流输出和各路匹配性进行针对性的设计。以外接电流共同调节16路恒流电流大小，串行数字输入输出分别控制16路使能状态，使能端输入PWM信号，对恒流输出进行脉宽调节。该芯片使用HSPICE软件仿真工具设计，并采用HYNIX0.5μm 工艺制作，测试验证结果表明，各路恒流输出位间电流误差最大为±2%。

关键词:LED恒流驱动;CMOS;输出电流匹配性;PWM控制

Design of a CMOS 16 channel s constant current outp ut panel driver

（electronic class 0902 09401120248)

Abstract :L ED panel is widely used in advertising display. L ED is pop ular in illumination and il2lumination causes it s life2span and low power waste. A constant current L ED driver under sup2ply voltage range 3. 3V - 5. 5V and temperature range - 40 ℃- 125 ℃is presented. Special de2sign considerations are included for the mismatch of each outp ut channel . The external resistorgenerates a referent current to modulate each channel outp ut current . The serial2in parallel2outdigital cont rol can enable/ disable the outp ut channel s ;it can be used as the PWM signal . Thiscircuit is designed wit h HSPICE tool ,and be fabricated in H YNIX 0. 5um process. Test result sillust rate t hat t he max outp ut current mismatch is ±2 %.

Keywords :L ED driver ; CMOS ; outp ut current mismatch ; PWM cont rol

1 引言

目前LED驱动大致可以分为电阻限流，DC2DC，以及恒流驱动等。电阻限流成本最低，但不能准确设置LED工作电流，致使LED使用寿命下降，更不能准确调节亮度，只有在成本紧缩，性能要求不高的场合下使用;DC2DC的LED驱动的优点是功耗低，但由于外部电路复杂，通常使用在大功率LED照明上，多路恒流输出LED驱动芯片以其匹配性好，以及能准确设置输出电流，通过串行数字信号和PWM使能信号的配合，能达到高阶灰度显示，成为了大屏幕LED显示驱动芯片的首选方案。针对多路输出电流的匹配性问题，本文给出了一种以输出电流作为反馈的电路结构与设计[2]，它通过输出电流在内部电阻的压降与设置电流值的对比，调节该路的输出电流，以达到各路输出与预设电流值相同;通过高电源抑制比的电压输出，通过外接电阻设置电流，减少片间预设电流的误差，提高屏幕整体输出一致的目的。

2 输出电流反馈原理

在大屏显示LED驱动的应用场合中，每路输出电流通常为2～60mA，应用普通运算放大器对LED驱动是不可能达到这么大的电流输出，因此，输出电流级采用漏端开路的输出方式，电路如图1所示，利用运算放大器，使Vx=V_R，通过内部电阻R1反馈输出电流，通过运算放大器调节M0基极电压。当I1大于预设电流值，Vin=I1×R1>Vip，运放输出Vout下降，I1下降，Vin也随之下降，最终使Vin=Vip;当I1小于预设电流时，这个过程相反，运放输出Vout上升，I1上升，Vin也上升，最后使Vin=Vip。当芯片各路输出端的V_R在相同的电压端引出时，即可使各路输出电流相同，从而达到匹配性好的要求。

图1 输出恒流驱动电路

3 电路结构

图2是本设计的电路结构框图，带楔基准电路(Bandgap)产生大约1.25V的与温度和电源电压变化无关的基准电压。基准电压通过外接电阻，经过电压电流转换后形成与电源电压无关的电流源Iref。该电流源用于偏置各路恒流输出电流。通过改变外接电阻大小，共同调节各路恒流输出电流[7]。数字输入通过时钟信号与串行信号的配合，控制16路输出端的通断，以达到各路独立的PWM控制。

VDD

GND

Dgital

input

图2 芯片电路的方块结构图

3.1 基准电压的产生

如图3所示，通过带楔基准和外接电阻产生的基准电流源[4]，通过电流镜等电

路的复制放大后，在内部电阻R0上产生基准电压V_R，V_R=n*1.25V/R_ext*R0(其中n为电流放大倍数)，此电压用于偏置16路恒流输出的输出电流，使16路输出端有相同的电压偏置，以实现16路输出端的电流一致性。

图3 基准电压产生电路

同时，由于此电压基准与运算放大器的输出端相连，运算放大器输入为高阻端，此电压基准不需要提供电流驱动能力，因此信号传输的路径上不会因为电流在金属线上产生压降二引起基准电压的误差。

3.2 恒流输出

流输出端单路结构如图1，此电路的功能是把电压电流转换电路中产生的电压V_g转换成电流输出。电阻R1与电压电流转换电路中的电阻R0相匹配，通过运放负反馈，使Vr1=V_g，Iout/I2=R0/R1。由于运放的开环增益可以达到1E5，因此，R0/R1可以达到100以上，在相同的Iout下，可以减少I2，节省芯片内部功耗。

在CMOS工艺中，电阻的绝对值会由于工艺的漂移二产生±20%的误差，但电阻比值的误差非常小，假设电阻R0/R1=m，输出电流Iout=1.25m3n/R_ext(R_ext为外接电阻)。由公式可得，输出电流与R0，R1的绝对值无关，仅与电阻的比例成正比，因此输出电流不会因为CMOS工艺的漂移二产生太大的变化，从而也保证了16路输出端的一致匹配性。

3.3 失调电流的误差估计

虽然各路输出设置电流的电压基准相同(参考图2的电路方块结构)，但由于运算放大器的失调电压和版图金属的寄生电阻，也可能影响各路的不匹配度。

如图1所示，在应用中，芯片电流输出端电压约为1V，为避免输出管进入深度线性区，因此X点电压最高为0.8V，此电流设计输出电流为2～60mA，R1应选择为10Ω～15Ω，此处选用10Ω电阻，当输出电流为60mA时，Vin=600mV，假设运算放大器的总失调电压为10mV，则失调电流为1mA约为总输出电流的1.7%。我们在估计寄生电阻对输出电流的影响。假设电阻接地金属到焊盘的寄生电阻为0.15Ω，则输出电流将减少0.9mA，约占总输出电流的1.5%。

这两项误差是输出失调电流的主要来源[3]。因此，在版图设计上，要输出运算放大器的结构匹配性，以及底线的设计，减少各路的失调电流。

3.4 数字输入控制电路

数字输入控制电路由移位寄存器组成，串行信号通过时钟，在移位寄存器中移动，控制输出端的通断状态，不同的信号可以独立控制各路的通断时间，在相同的时钟周期里，达到各路不同的通断时间，即PWM控制，可独立控制各路的平均电流，实现LED的亮度控制[5.6]。串行信号可以省去了各路并行信号的数字控制端口，并且可以将芯片串行连接，在大屏应用需要控制多块芯片的方面应用十分广泛。