摘  要： 基于CSMC 0.18 μm工藝，介紹了一種應用于LED驅動芯片內部的PWM振蕩器電路。采用雙低壓線性穩壓器（LDO）結構，針對傳統PWM振蕩器高頻振蕩時因內部時延造成輸出占空比偏差嚴重的問題，通過電流雙向補償技術，在保持電路振蕩頻率不變的情況下，消除了內部時延對輸出占空比的影響；利用高PSRR帶隙基準為電路提供基準電壓，抑制電源噪聲。仿真結果表明，該振蕩器輸出頻率為200 Hz~20 MHz，在固定頻率下占空比可從10%~90%連續變化，電源電壓抑制比為110 dB。
關鍵詞： 占空比；振蕩器；LDO；基準電流

　脈沖寬度調制PWM（Pulse Width Modulation）技術以其簡單、靈活的優點，在電力電子方面得到了廣泛應用。通過PWM控制LED驅動芯片輸出電流調節LED亮度是LED驅動芯片的一項基本功能，因此，設計出高性能PWM振蕩器電路對于未來LED照明的發展具有重要意義[1]。為了避免振蕩器高頻振蕩時，因內部時延造成PWM輸出占空比不準而影響PWM調光精度的情況，需要對PWM振蕩器作進一步優化。其次，穩定的基準電壓是PWM振蕩器準確輸出的前提，基準電壓的穩定性在很大程度上取決于基準電源對電源噪聲的抑制能力，即電源抑制比PSRR（Power Supply Rejection Ratio），提高基準電源的PSRR特性需要高的PSRR電路，尤其是需要優化其低頻段的PSRR特性[2]。本文討論了一種帶電流補償技術的低電源噪聲PWM振蕩器拓撲結構，并分析了其工作原理。
1 電路拓撲結構及其工作原理
　 電路的整體拓撲結構如圖1所示，由Bandgap、雙LDO恒流源和比較器反饋輸出電路三部分組成。

    為了使基準源具有比較高的PSRR，Bandgap電路采用帶負反饋的兩級輸出結構，且Rb1=Rb2，三極管Q2的個數是Q1的整數倍。假設Q1、Q2發射極面積比為N：1，Q1、Q2在不同電流密度下的基極-發射極電壓差為ΔVb，OP3的放大倍數為A，則可得出Bandgap輸出電壓為：

    從比較器反饋輸出電路中可以看出，振蕩器的工作頻率為電容的充放電頻率。差分比較器通過輸出信號來控制電容C0的充放電，并將反饋回來的電壓V1或V2（V1>V2）與電容上的電壓進行比較，從而使其振蕩。為了提高LDO反應速率，OP1、OP2需采用甲乙類輸出結構[5]。具體工作過程為：M9和M10作為開關管，控制電容C0的充放電時間。當M10打開，M7關斷時，電容充電，一段時間后，當電容電壓超過門限電壓V1時，比較器會控制M11或M12來“翻轉”電流，使之帶有相反極性；同理，當M10關斷，M7打開時，電容放電，當電容電壓低于門限電壓V2時，比較器“翻轉”，電容開始充電。輸出倒向器INV2很“強”，能提供很強的輸出驅動，同時，INV1很“弱”，以保持上一狀態[6]。
    振蕩器在振蕩頻率較低時，由于電路時延比較小，對占空比的影響可忽略。但是，當工作頻率提高，周期與時延接近，占空比偏差會表現得非常明顯。例如，振蕩頻率為20 MHz時，PWM周期為50 ns，這時電路時延對占空比的影響是不可忽略的。為了使電路工作頻率較高時PWM占空比輸出依然準確，電路中采用了電流補償技術。


　值得注意的是，式（4）只有在電路時延可忽略的情況下才適用，其次，上述分析是基于電路中各電流鏡復制比例為1：1和電阻R1=R2進行的，具體應用中應根據實際設計情況作相應調整。
2 仿真與測試
　基于CSMC 0.18 μm工藝進行仿真。電路供電電壓為5 V，圖3（a）、（b）分別為F=20 MHz，dr=50%時補償前與補償后的仿真波形。由圖可知，補償后占空比值得到很好的修正。電路基準電壓PSRR仿真結果如圖4所示，可以看出，在低頻時基準電壓對電源噪聲抑制比可達110 dB。

    通過測試芯片輸出電流變化可間接反映出PWM振蕩器的性能，如圖5、圖6所示，其中，圖5為F=500 kHz時dr從10%~90%變化輸出電流曲線，圖6為dr=50%時F從200 Hz~20 MHz變化輸出電流曲線。可以看出，振蕩器具有良好的動態輸出范圍和抗干擾能力。

　通過外接電阻對芯片內部振蕩電流進行雙向補償，改善PWM占空比輸出，達到精確調光的目的。本文對一種應用于LED驅動芯片的PWM振蕩器從原理到版圖進行了分析和設計，并在流片后對PWM功能進行了測試，結果表明，其符合設計要求。電路中存在的失調電壓一樣會對輸出占空比產生影響，版圖設計在本電路中同樣具有舉足輕重的地位，在設計版圖時應盡量做好各輸入對管之間匹配，減小系統失調電壓。本電路亦可作為模擬IP核應用于其他系統芯片中。
參考文獻
[1] 陳元燈.LED制造技術與應用[M].北京：電子工業出版社，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.
[4] RAZAVI B.模擬CMOS集成電路設計[M].陳貴燦，程軍，張瑞智，譯.北京：清華大學出版社，2005.
[5] ALLEN P E， HOLBERG D R. CMOS模擬集成電路設計（第二版）[M].馮軍，李智群，譯.北京：電子工業出版社，2011.
[6] BARR K. ASIC設計：混合信號集成電路設計指南[M].馮偉鋒，陸生禮，夏曉娟，譯.北京：科學出版社，2008.