电荷泵型LED驱动器的CMOS误差放大器设计
0 引言
白光LED的应用越来越广泛。一般白光LED正向导通压降约为3．4 V，典型值为3．5～3．8 V，而插件电感器通常便携式设备主要供电电源的锂离子电池输出电压在2．7～5 V之间。功率电感如果用电源直接驱动白光LED，会产生白光LED发光亮度的不稳定，而且当电源电压降低到不能使LED正常发光，而电池放电还没有结束，就会影响到便携式设备的有效工作时间。所以，在便携式设备中，需要LED驱动电路，使电池在整个放电过程中都能保证LED正常发光。
针对电荷泵型LED驱动器的具体要求，设计了一款改进型误差放大器，该误差放大器在2．7～5 V的电压范围内工作，同时具有高的电源噪声抑制比和共模抑制比。
1 误差放大器的设计
1．1 电荷泵型LED驱动器
图1是电荷泵型LED驱动器的示意图，图中VIN是电源输入电压，VOUT为驱动器的输出电压，S1，S2，S3，S4是功率开关，CF为泵电容，COUT是LED驱动器输出电容，EA是误差放大器，VEA为误差放大器的输出电压，VFB表示电荷泵输出电压的分压信号，VREF表示精密温度补偿基准电压。电荷泵在1倍升压时，闭合S1，S2，打开S3，S4。电荷泵工作在2倍升压时，在充电阶段，闭合S1，S4，打开S2，S3；在放电阶段，打开S1，S4，闭合S2，S3，在时钟控制下不断周期性地充放电，同时在反馈控制电路的作用下，输出电压会稳定在一个预设值上，误差放大器仅在2倍升压时工作。
误差放大器的作用就是对精密温度补偿基准电压VREF和输出分压VFB进行比较，误差放大器输出电压正比于VFB和VREF的差值，VEA输入到控制器。整个控制原理是：如果VFB<VREF，误差放大器的输出电压VEA增大，控制电路有时钟频率输出，电荷泵工作在升压状态，输出电压VOUT增大；如果VFB>VREF，误差放大器的输出电压VEA减小，控制电路没有时钟频率输出，S1，S2，S3，S4都处于打开状态，电荷电感器材料泵处在空闲状态。当电路处在空闲状态时，误差放大器继续对输出电压采样，如果输出电压在负载作用下降低，输出电压能够及时得到调整，对负载变化响应迅速，纹波较小。
据上述工作原理可以得到对误差放大器的要求：
第一，在电池供电范围内，误差放大电感器生产厂家器要满足宽电压工作要求。电源输出电压范围在2．7～5 V之间，在整个电池电压变化范围内，误差放大器的增益，相位变化要小。
第二，在便携式设备中，锂离子电池要同时给数字模块供电，电池的输出电压噪声较大，所以误差放大器要有较高的PSRR，同时要满足CMRR要求。根据所需指标，寻求合适的误差放大器来满足要求。
1．2 误差放大器的设计
图2是误差放大器的整体电路图。误差放大器的设计和实现过程中考虑到宽电压工作，高CMRR和PSRR的应用需要，采用单电源两级电压放大器的拓扑结构，它包含一级放大器A1，二级放大器A2和两个频率补偿电容，其中A1为对称全差分OTA，它将输出电压VOUT分压电压VFB和高精度温度补偿带隙基准电压VREF差值放大，使用全差分OTA是为了得到更好的频率特性。
第一级偏置模块由M13，M14，M15组成，IBIAS是一个高精度温度补偿基准电流源，M11，M12，M15组成电流镜结构给全差分运放放大器提供电流。M1，M2是差分输入对管，以M4，M5管为负载管，放大倍数很小。电阻R1为源级负反馈电阻，用来增加运放的压摆率，并提高运放的线性度。M20～M25为输出共模反馈管，用来差模电感调节运放第一级的共模输出电平。M4，M6，M7，M8，M9，M10组成共源级放大，采用这种结构是综合考虑带宽，相位裕量和宽电压工作的需要，V2为共源光栅器件提供合适的偏置，电路对V2点的电压要求不是很高，这是因为由M20～M25组成的输出共模反馈管，能够抑制V2点的噪声干扰。
第二级放大电路A2是把差分的双端输出转换成单端输出，这一级决定放大电路的放大倍数，同时VEA要有合适的电压摆幅，在整个工作电压范围内都能驱动负载。根据图2可以近似得出误差放大器的低频增益：
W和L分别是晶体管的宽和长。 平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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