摘  要： 基于CSMC 0.18 μm工艺，介绍了一种应用于LED驱动芯片内部的PWM振荡器电路。采用双低压线性稳压器（LDO）结构，针对传统PWM振荡器高频振荡时因内部时延造成输出占空比偏差严重的问题，通过电流双向补偿技术，在保持电路振荡频率不变的情况下，消除了内部时延对输出占空比的影响；利用高PSRR带隙基准为电路提供基准电压，抑制电源噪声。仿真结果表明，该振荡器输出频率为200 Hz~20 MHz，在固定频率下占空比可从10%~90%连续变化，电源电压抑制比为110 dB。
关键词： 占空比；振荡器；LDO；基准电流

　脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation）技术以其简单、灵活的优点，在电力电子方面得到了广泛应用。通过PWM控制LED驱动芯片输出电流调节LED亮度是LED驱动芯片的一项基本功能，因此，设计出高性能PWM振荡器电路对于未来LED照明的发展具有重要意义[1]。为了避免振荡器高频振荡时，因内部时延造成PWM输出占空比不准而影响PWM调光精度的情况，需要对PWM振荡器作进一步优化。其次，稳定的基准电压是PWM振荡器准确输出的前提，基准电压的稳定性在很大程度上取决于基准电源对电源噪声的抑制能力，即电源抑制比PSRR（Power Supply Rejection Ratio），提高基准电源的PSRR特性需要高的PSRR电路，尤其是需要优化其低频段的PSRR特性[2]。本文讨论了一种带电流补偿技术的低电源噪声PWM振荡器拓扑结构，并分析了其工作原理。
1 电路拓扑结构及其工作原理
　 电路的整体拓扑结构如图1所示，由Bandgap、双LDO恒流源和比较器反馈输出电路三部分组成。

    为了使基准源具有比较高的PSRR，Bandgap电路采用带负反馈的两级输出结构，且Rb1=Rb2，三极管Q2的个数是Q1的整数倍。假设Q1、Q2发射极面积比为N：1，Q1、Q2在不同电流密度下的基极-发射极电压差为ΔVb，OP3的放大倍数为A，则可得出Bandgap输出电压为：

    从比较器反馈输出电路中可以看出，振荡器的工作频率为电容的充放电频率。差分比较器通过输出信号来控制电容C0的充放电，并将反馈回来的电压V1或V2（V1>V2）与电容上的电压进行比较，从而使其振荡。为了提高LDO反应速率，OP1、OP2需采用甲乙类输出结构[5]。具体工作过程为：M9和M10作为开关管，控制电容C0的充放电时间。当M10打开，M7关断时，电容充电，一段时间后，当电容电压超过门限电压V1时，比较器会控制M11或M12来“翻转”电流，使之带有相反极性；同理，当M10关断，M7打开时，电容放电，当电容电压低于门限电压V2时，比较器“翻转”，电容开始充电。输出倒向器INV2很“强”，能提供很强的输出驱动，同时，INV1很“弱”，以保持上一状态[6]。
    振荡器在振荡频率较低时，由于电路时延比较小，对占空比的影响可忽略。但是，当工作频率提高，周期与时延接近，占空比偏差会表现得非常明显。例如，振荡频率为20 MHz时，PWM周期为50 ns，这时电路时延对占空比的影响是不可忽略的。为了使电路工作频率较高时PWM占空比输出依然准确，电路中采用了电流补偿技术。


　值得注意的是，式（4）只有在电路时延可忽略的情况下才适用，其次，上述分析是基于电路中各电流镜复制比例为1：1和电阻R1=R2进行的，具体应用中应根据实际设计情况作相应调整。
2 仿真与测试
　基于CSMC 0.18 μm工艺进行仿真。电路供电电压为5 V，图3（a）、（b）分别为F=20 MHz，dr=50%时补偿前与补偿后的仿真波形。由图可知，补偿后占空比值得到很好的修正。电路基准电压PSRR仿真结果如图4所示，可以看出，在低频时基准电压对电源噪声抑制比可达110 dB。

    通过测试芯片输出电流变化可间接反映出PWM振荡器的性能，如图5、图6所示，其中，图5为F=500 kHz时dr从10%~90%变化输出电流曲线，图6为dr=50%时F从200 Hz~20 MHz变化输出电流曲线。可以看出，振荡器具有良好的动态输出范围和抗干扰能力。

　通过外接电阻对芯片内部振荡电流进行双向补偿，改善PWM占空比输出，达到精确调光的目的。本文对一种应用于LED驱动芯片的PWM振荡器从原理到版图进行了分析和设计，并在流片后对PWM功能进行了测试，结果表明，其符合设计要求。电路中存在的失调电压一样会对输出占空比产生影响，版图设计在本电路中同样具有举足轻重的地位，在设计版图时应尽量做好各输入对管之间匹配，减小系统失调电压。本电路亦可作为模拟IP核应用于其他系统芯片中。
参考文献
[1] 陈元灯.LED制造技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2] TEEL J C. Understanding power supply ripple rejection in linear regulators[J]. Analog Applications Journal，2005（2Q）：8-10.
[3] NGUYEN N M， MEYER R G. Start-up and frequency stability in high-freqency oscillators[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuit， 1992，27：810-820.
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[5] ALLEN P E， HOLBERG D R. CMOS模拟集成电路设计（第二版）[M].冯军，李智群，译.北京：电子工业出版社，2011.
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