恒定电流白光LED驱动器的研究毕业论文 - 图文

本科毕业设计

题目

恒定电流白光LED驱动器的研究

学生姓名：

专 业： 电子科学与技术 指导教师：

完成日期： 2010年6月2日

诚 信 承 诺 书

本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签 名： 日 期：

本论文使用授权说明

本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

学生签名： 指导教师签名： 日期：

南通大学毕业设计（论文）立题卡

课题名称 恒定电流白光LED驱动器的研究 出题人 吴国祥王志亮 作为一种具有巨大发展潜力的光源，LED的长寿命、牢固的结构、较低的功耗和灵活的外形尺寸等优点受到了人们越来越多的关注，近几年，LED特别是单色LED课题表述被广泛地应用于大屏幕、信号灯和景观照明中。随着LED技术的不断发展，白光LED（简述课的光效、显色性、色温及单颗LED的功率和LED模块的光通量等参数指标不断取得题的背景、新的突破，人们对LED应用于照明充满了期待。 目的、意目前，白光LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA，一个彩屏LCD的均匀背光需义、主要内容、完成课要3个~4个或更多的白光LED,智能手机可能需要6个或更多的白光LED。由于白光题的条件、LED需求的增多，有力地推动了白光LED驱动器市场的增长。 成果形式完成课题条件：Cadence软件、计算机。 等） 成果形式：白光LED驱动器的版图设计、毕业论文。 课题来源 该课题对学生的要求 社会生产实际 课题类别 毕业设计 电子科学与技术、集成电路设计、相关理论基础知识 教研室意见 该课题符合专业培养目标和要求，课题难度、工作量适中。 教研室主任签名： 2009 年 12 月 10 日 同意立题（ √ ） 学院意见 不同意立题（ ） 教学院长签名： 2009 年 12 月 12 日 注：1、此表一式三份，学院、教研室、学生档案各一份。

2、课题来源是指：1.科研，2.社会生产实际，3. 其他。

3、课题类别是指：1.毕业论文，2.毕业设计。

4、教研室意见：在组织专业指导委员会审核后，就该课题的工作量大小，难易程度及是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。

5、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。

南 通 大 学

毕业设计（论文）任务书

题目 恒定电流白光LED驱动器的研究

学 生 姓 名 王文龙 学 院 电子信息学院 专 业 电子科学与技术 班 级 电科062 学 号 0611002103 起 讫 日 期 2010年1月－6月 指导教师 吴国祥王志亮 职称 副教授讲师

发任务书日期 2010 年 1 月 11 日

课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题） 内容：目前，白光LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA，一个彩屏LCD的均匀背光需要3个~4个或更多的白光LED,智能手机可能需要6个或更多的白光LED。由于白光LED需求的增多，有力地推动了白光LED驱动器市场的增长。 本文基于并联型恒流白光LED驱动电路进行电路设计和版图设计。 目标：该电路用于LED 驱动的高性能、超低压差、恒定电流的电流偏置器，主要应用于由电池直接驱动白光LED的场合，提供了一种简单的并联型白光LED 驱动方案。它能在 2.5V～6V 的电压范围内提供稳定的六路20mA电流输入。 关键点：1. 并联型恒流白光LED驱动器的电路设计。 2. 并联型恒流白光LED驱动器的版图设计。 课题的研究方法和技术路线 课题的研究方法： 理解和掌握并联型恒流白光LED驱动电路的工作原理。基于并联型恒流白光LED驱动的电路，进行版图设计。由于版图设计是创建工程制图（网表）的精确的物理描述的过程，而这一物理描述遵守由制造工艺、设计流程以及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束，所以版图设计初步完成后还需一系列的验证。这些步骤一般包括基本器件版图设计、布局和布线以及版图分析与检验。 技术路线： 1. 理解和掌握并联型恒流白光LED驱动电路的工作原理。 2. 熟练使用Cadence的Virtuoso Layout Editor，画出版图。 3. 用Cadence中的Diva和Dracula进行验证。 基 础 条 件 1. 计算机 2. Cadence软件 3. 相关理论知识

参考文献 [1] 周志敏, 周纪海, 纪爱华. LED驱动电路设计与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006 [2] 黄绮, 周均铭. 国内外高亮度发光二级管的产业特点分析[J]. 新材料产业, 2004, 10(6): 22-25 [3] 魏智. DC-DC转换器设计[J]. 国外电子元器件, 2001, 4(2): 65-67 [4] 平立. 白光LED驱动综述[J]. 现代显示, 2006, 7(64): 46-47 [5] D. Hilbiber. A New Semiconductor Voltage Standard[J]. ISSCC Dig.of Tech,1964:32 -33 [6] K.E.Kujikr. A Precision Reference Voltage Source[J]. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1973, 8: 222-226 [7] Behzad Razavi. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2003 [8] 吴金, 姚建楠, 常昌远. CMOS模拟IP线性集成电路[M]. 南京: 东南大学出版社, 2007, 81-104 [9] 王志功, 景为平, 孙玲. 集成电路设计技术与工具[M]. 南京: 东南大学出版社, 2007, 102-118 [10] Christopher Saint,Judy Saint. 集成电路掩模设计—基础版图技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.7 本课题必须完成的任务 1. 掌握并联型恒流白光LED驱动电路的原理； 2. 完成并联型恒流白光LED驱动电路的版图设计； 3. 完成毕业设计论文的撰写。 成果形式 1. 版图（图片形式） 2. 论文（电子与书面形式） 进度计划 起讫日期 2.18－2.28 工作内容 查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。 消化吸收参考文献及资料，掌握白光LED驱动器的备 注 3.1－3.15 工作原理。 撰写毕业设计开题报告，完成开题答辩。 3月20日前 开题报告 4月30日前 完成中期检查 5月31日前 毕业论文初稿 6月8日前 毕业论文定稿 3.15－3.20 3.21－3.31 4.1－4.15 了解该课题的设计思想。 掌握Cadence软件及版图设计的一般规则。 4.16－4.30 进行LED驱动器的版图的初步设计。 5.1－5.15 5.16－5.31 对初步设计的LED驱动器的版图进行完善。 完成论文初稿。 6.1—6.8 修改完善毕业论文。 6.9－6.13 准备和进行毕业论文答辩。 教研室审核意 见 教研室主任签名： 2010 年 1 月 7 日 学院意见 教学院长签名： 2010 年 1 月 8 日

注：此表为参考表格，学院可根据专业特点，对该表格进行适当的修改。

南通大学本科生毕业设计（论文）开题报告

学生姓名 课题名称 阅读文献 情 况 献） 作为一种具有巨大发展潜力的光源，LED的长寿命、牢固的结构、较低的功耗和灵活的外形尺寸等优点受到了人们越来越多的关注。近几年，LED特别是单色LED被广泛地应用于大屏幕、信号灯、景观照明和背光源中。随着LED技术的不断发展，白光LED的光效、显色性、色温及单颗LED的功率和LED模块的光通量等参数指标不断取得新的突破，人们对LED应用于照明充满了期待。 一个彩屏LCD的均匀背光需要3个~4个或更多的白光LED,而智能手机可能需要6个或更多的白光LED。由于白光LED需求的增多，有力地推动了白光LED驱动器市场的增长。再加上欧盟对于无汞化的要求，因此对于更新一代的LED的驱动芯片和技术，也就相当地被市场所期待。 对于驱动白光LED来说，电路本身需要供给白光LED固定的电压或固定的电流，而当可携式产品开始运作后，就会产生电压下降的现象，因而需要升压元件来进行升压、稳压。大部分的电 路设计多采用电容来维持稳压，这是考虑到避免升压元件工作时，对于射频带来一些影响，所以 就整体的电路来说，稳压设计是相当重要的。它提供白光LED驱动所需要稳定电压电流。而就对于白光LED驱动的部分，在本身的电路设计上，也发展出多元化的驱动方式来保护相关元件以及提供所需的亮度。 就如前述，对于白光LED驱动而言，最佳的状况是电源电路能够提供稳定的电压以及电流，来驱动白光LED，但是在电路的运作过程中，难免都会出现突波现象，如果负载电阻增大，相对的电源的输出电压也必须随之增加，所以对于利用固定电流驱动的白光LED，就必须设计出过压的保护措施，在出现过大负载时，也都能维持固定的电流提供LED驱动。目前提供过压保护这一方面，可以利用稳压二极管与LED进行并联，这样可以将电压维持在稳压二极管最大承受范围之内，当出现电压高于稳压二极管击穿点的过压的现象时，可以让电压流到电流检测电阻，藉此保 护白光LED元件，所以利用稳压二极管和白光LED元件并联的方式可以确保流入白光LED的电压电流值都在固定的状态。此外可以利用监控的方式来维持电源的稳定，透过监控机制的管理，当出现电源过压的情况时，立即关闭电源，来保护白光LED元件，并且可以延长电池的使用寿命。 国内文献 8 篇 国外文献 2 篇 王文龙 学 号 0611002103 专业 电子科学与技术 恒定电流白光LED驱动器的研究 开题日期 开题地点 2010年3月19日 南通大学新校区 JX03-311 一 文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文因此，设计完善的LED驱动电路，不仅仅是确保LED的亮度能够维持，更重要的是能够保护电池的使用寿命，来增加可携式产品的使用时间。 目前，全球各大解决方案业者，都积极开发结构更加完整、背光效率更高的白光LED驱动电路，提供工程设计师更简化的设计，以及更完善的电路保护。对于白光LED驱动来说，无论是采用那种驱动方式，最重要的还是能够完善的设计驱动电路，来保护电路中的各项元件，以避免不必要的突波或增加无谓的功耗，且可提高可携式产品以及电池的使用寿命与时间。 参考文献: [11] 周志敏, 周纪海, 纪爱华. LED驱动电路设计与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006 [12] 黄绮, 周均铭. 国内外高亮度发光二级管的产业特点分析[J]. 新材料产业, 2004, 10(6): 22-25 [13] 魏智. DC-DC转换器设计[J]. 国外电子元器件, 2001, 4(2): 65-67 [14] 平立. 白光LED驱动综述[J]. 现代显示, 2006, 7(64): 46-47 [15] D. Hilbiber. A New Semiconductor Voltage Standard[J]. ISSCC Dig.of Tech,1964:32 -33 [16] K.E.Kujikr. A Precision Reference Voltage Source[J]. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1973, 8: 222-226 [17] Behzad Razavi. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2003 [18] 吴金, 姚建楠, 常昌远. CMOS模拟IP线性集成电路[M]. 南京: 东南大学出版社, 2007, 81-104 [19] 王志功, 景为平, 孙玲. 集成电路设计技术与工具[M]. 南京: 东南大学出版社, 2007, 102-118 [1] Christopher Saint,Judy Saint. 集成电路掩模设计—基础版图技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.7 二 本课题的基本内容，预计解决的难题 基本研究内容： 本文先研究了并联型恒流白光LED驱动电路各个功能模块的工作原理，设计出电路，然后再对电路进行版图设计。 要解决的关键问题： 1. 并联型恒流白光LED驱动器的电路设计。 2. 并联型恒流白光LED驱动器的版图设计。 三 课题的研究方法、技术路线 研究方法： 先研究并联型恒流白光LED驱动电路各个功能模块的工作原理，设计出电路，然后再对电路进行版图设计。由于版图设计是创建工程制图（网表）的精确的物理描述的过程，而这一物理描述遵守由制造工艺、设计流程以及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束，所以版图设计初步完成后还需一系列的验证。这些步骤一般包括基本器件版图设计、布局和布线以及版图分析与检验。 技术路线： 1. 设计并联型恒流白光LED的驱动电路。 2. 熟练使用Cadence的Virtuoso Layout Editor，画出版图。 3. 用Cadence中的Diva和Dracula进行版图验证。 四、 研究工作条件和基础 工作站 Cadence工具 相关理论知识

五、进度计划 起讫日期 2.18－2.28 3.1－3.15 3.15－3.20 3.21－3.31 4.1－4.15 4.16－4.30 5.1－5.15 5.16－5.3 6.1—6.8 6.9－6.13 论文阶段完成日期 指 导 教 师 评 语 教 研 室 意 见 学院 意见 教研室主任签名： 2010 年 3 月 21 日 通过开题（ √ ） 开题不通过（ ） 教学院长签名： 2010 年 3 月 22 日 文献调研完成日期 撰写论文完成日期 工作内容 查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。 消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告。 撰写毕业设计开题报告，完成开题答辩 了解该课题的设计思想。 掌握Cadence软件及版图设计的一般规则。 进行LED驱动器的版图的初步设计。 对初步设计的LED驱动器的版图进行完善 完成论文初稿。 修改完善毕业论文。 准备和进行毕业论文答辩。 3.20 6.2 论文实验完成日期 评议答辩完成日期 5.23 6.13 该生完成了该课题的相关调研，查阅了一定的中外参考文献，翻译了一份英文资料，给出了课题的相关方案并进行了论证。 同意开题 导师签名： 2010 年 3 月 20 日 注：1、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。

毕 业 设 计（论文） 南 通 大 学

题目：恒定电流白光LED驱动器的研究

姓 名： 王 文 龙 指导教师： 吴国祥 王志亮 专 业： 电子科学与技术

南通大学电子信息学院

2010年6月

南通大学毕业设计（论文）

摘 要

白光LED具有节能、环保、高效、长寿命的特点。本论文就是对背光用白光LED驱动芯片进行设计。本文所设计电路的电源电压输入范围从2.5V到6V，采用恒流源偏置电路。它的优点在于成本低、封装小、外围器件少和低噪声输出等。电路以恒定电流驱动六只白光LED，使六只白光LED获得均匀的亮度。它具有温度保护、欠压保护功能，欠压保护电压为2.1V，过温保护点为160℃。

本文首先给出了LED的功能框图，再对其带隙基准电压源、偏置和启动电路、过温保护模块、欠压锁存模块进行了详细地阐述。接着结合模拟版图设计的特点，采用无锡上华的6S035DPQM-ST0100工艺标准，实现了这种高性能、低压差白光LED驱动芯片的版图设计。

关键词：LED驱动，恒流源偏置，带隙基准，版图设计

I

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ABSTRACT

White LEDs have the features of energy-saving, environmental protection, high efficiency and long life. This thesis is to design the drive IC that uses in backlighting. The input voltage ranges from 2.5 V to 6V. The circuit uses constant current source bias circuit. It has the advantages of low cost, small package, less peripheral components, low noise output, etc. With constant current, the circuit drives six white LEDs and obtains homogeneous brightness. It has the functions of temperature protection and undervoltage protection. The protection voltage is 2.1 V. The overtemperature protection point is 160 ℃.

This thesis presents the function diagram at first. Then it describes bandgap reference voltage source, bias and the start circuit, overtemperature protection module, undervoltage latch module in detail. Then combining the characteristics of analog layout design, we use Wuxi CSMC 6S035DPQM-ST0100 technology standards to realize such a high-performance, low dropout white LED driver IC layout.

Key words: LED driver, Constant current source bias, Band-gap reference, Layout design

II

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目 录

摘 要 ..........................................................................................................................................I ABSTRACT ................................................................................................................................... II 第一章 引言 ................................................................................................................................. 1

1.1白光LED的特点与应用...................................................................................................1 1.2 白光LED驱动器的发展 ..................................................................................................2 1.3 白光LED的驱动方式 ......................................................................................................2

1.3.1恒流源偏置结构(Constant current source bias) ......................................................3 1.3.2电容式开关结构(Charge Pump) ..............................................................................3 1.3.3电感式开关结构(DC-DC Converter) ......................................................................3

第二章 恒定电流白光LED驱动器的电路设计........................................................................ 5

2.1 总体电路功能 ....................................................................................................................5 2.2 子电路模块设计 ................................................................................................................6

2.2.1 带隙基准电压源 .....................................................................................................6 2.2.2 偏置和启动电路 ...................................................................................................10 2.2.3 过温保护模块 .......................................................................................................13 2.2.4 欠压锁存模块 .......................................................................................................14

第三章 版图设计 ....................................................................................................................... 15

3.1 设计工具——CADENCE的简介 .....................................................................................15 3.2 设计工艺与规则 ..............................................................................................................15 3.3 基本元器件的版图设计 ..................................................................................................16

3.3.1 单个MOS管.........................................................................................................16 3.3.2 并联MOS管.........................................................................................................17 3.3.3三极管版图 ............................................................................................................18 3.3.4电阻版图 ................................................................................................................19 3.3.5 电容版图 ...............................................................................................................20 3.4驱动部分电路的版图设计 ..............................................................................................20 3.5 布局布线 ..........................................................................................................................21 3.6 整体版图 ..........................................................................................................................21 第四章 版图验证 ....................................................................................................................... 23

4.1 设计规则检查（DRC）..................................................................................................23

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4.2 版图与电路一致性检查（LVS）...................................................................................25 第五章 总结 ............................................................................................................................... 29 参考文献 ....................................................................................................................................... 30 致 谢 ........................................................................................................................................... 31

IV

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第一章 引言

1.1白光LED的特点与应用

LED就是发光二极管，其本质上就是一种半导体器件。LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结。PN结对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻碍作用，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。LED正是根据这种原理实现电能到光能的转换。根据半导体材料物理性能的不同，LED可发出从紫外线到红外线不同波段、不同颜色的光线[1]。真正发白光的LED是不存在的，我们所见到的白光是由不同波长的光合成得到的。蓝光AlInGaN LED产生的光子和荧光粉的发光将一部分蓝光转变为其互补色（黄色）。人眼看到这种蓝光和黄光的混合是一种不鲜明的白色[2]。

白光LED是当前最被看好的一种LED产品，与白炽灯、荧光灯等传统的照明光源相比，其优势在于：

1 体积小：可以有多颗、多种组合，可以产生点光源、面光源。 2 发热量低：所产生的热辐射比较小。 3 耗电量低：工作在直流低电压、低电流下。 4 长寿命：据报道其寿命可以达到10万个小时以上。 5 频率响应快：有利于高频操作。

6 节能、环保：其物理结构决定了白光LED不易破碎，且废弃物可以回收再生。 但是，现阶段的白光LED还不能完全取代传统的照明光源。若要用白光LED完全代替传统光源还需要解决以下几个问题：发光效率低，单管功率小，价格昂贵等。在发光效率方面，目前产业化的白光LED发光效率为25lm/w，该效率仅与一个15W的白炽灯相当，与要达到理想的1Klm/W还有很大的距离。虽然白光LED的寿命很长，但是现阶段其高昂的价格也是阻碍它全面替代传统光源的一个重要原因。可见要全面替代传统光源，就需要研究出发光效率高、功率大、价格低廉的单颗白光LED芯片。

一个完整的低压背光照明方案，最基本的要求是LED发光亮度的稳定。以及在整个背景屏幕上亮度均匀。但是LED的应用环境却给稳定的LED发光提出了各种各样的挑战。

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拿手机应用来说，首先，锂电池的电压不是固定的，锂电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，但在很短一段工作时间内就会下降到标称的3.7V，最后输出电压还会进一步下降到3.0V以下。我们不希望使用的手机亮度会随使用时间的延长而发生很明显的降低。其次，手机中存在各种各样的数字信号，对模拟信号的干扰太大。这些数字信号有来自麦克风和耳机的音频信号，有来自基带部分的高频信号，又有来自射频模块的射频信号，这些信号即便在很好屏蔽措施下，还是会对手机内模拟信号产生很大的电磁干扰(EMI: Electromagnetic Interference)。面对如此宽范围变化的电源电压和很大EMI情况下的应用环境，再加上白光LED本身对正向电压(>3.6V)和正向电流(20mA左右)的苛刻要求，很需要一个能够给白光LED提供稳定的输出电压或电流的驱动电路。

1.2 白光LED驱动器的发展

中国每年都生产了几百亿只LED，就算其中只有十分之一采用了LED驱动IC，再考虑到一些驱动IC，一个可以点亮多个LED，那么也至少需要几亿个驱动IC，所以这是非常大的市场。据了解，目前，世界上掌握LED技术的半导体公司都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟，如美国惠普公司联合了日本日亚和德国西门子；美国克雷公司、德国西门子又和奥斯林联合；美国EMCORE公司和通用公司联合等[3]。

由于LED的生产厂家及LED规格不同，电流、电压特性均有差异。理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏。因此，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。

从技术角度来看，白光LED驱动电路属于电源管理芯片的范畴，但是和传统电源管理类芯片在技术指标上又有所不同。白光LED驱动电路需要集成功率器件，并且要在保持电路稳定的同时不断提高能量转换效率，这些对驱动电路的设计者来说都是较大的挑战。

1.3 白光LED的驱动方式

用于白光LED驱动的芯片有多种不同的电路结构形式，要设计出性能良好的白光LED驱动芯片，必须全面了解各类芯片的基本结构、不同结构驱动芯片的工作原理以及它们的特点。从驱动芯片的电路拓扑结构来划分，大致可以分为三种类型：恒流源偏置（constant current source bias）、电容式开关结构(Charge Pump)、电感式开关结构(DC-DC

Converter)。下面将简要介绍各种结构的特点。

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1.3.1恒流源偏置结构(Constant current source bias)

绝大多数LCD背景照明装置都配有亮度控制器以便在使用中根据光线的强弱进行相应的调节。由于LED的光子发射源于电子、空穴对的复合，故其发射效率以及发光强度均与LED的正向电流成比例。为此，可控恒流源应是实现亮度控制最简单的方案。但因白光LED的色温也与工作电流直接相关，这类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变得很差，故而仅能用于按钮照明之类对于颜色保真度要求很低的场合。LCD背光装置则大多采用PWM电源为LED供电，以避免这一“色偏”问题。这类驱动器的优点在于它们之间的匹配度高，外围器件少，低噪声输出，体积小，成本低等。但由于没有升压模块，当设备工作一段时间后电源电压会下降到LED的正向电压以下，以致不能驱动LED，所以恒流源偏置驱动器适合驱动低正向电压的LED。

1.3.2电容式开关结构(Charge Pump)

电荷泵(charge pump)是采用电容器作为储能器件来实现DC-DC转换功能的电压转换器。电容式电荷泵通过开关阵列、振荡器、逻辑电路、比较器来实现DC-DC电压转换。电荷泵无需电感器件，只以电容为储能器件。通过改变电荷泵电路拓扑结构可以实现升压、降压、反转电压的功能。电荷泵结构可实现高达90%的效率。由于储能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的3倍，而输出电流不超过300mA。电荷泵特性介于LDO和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围电路设计，抗电磁干扰（EMI）和纹波的特性居中，但是缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力[4]。

1.3.3电感式开关结构(DC-DC Converter)

电感式开关结构利用电感作为储能器件，为负载提供持续的电流，基于不同的外围拓扑结构，可以实现降压/升压/反转电压输出的功能，对于电路结构稍加调整，即可以完成恒流输出的功能，因此电感式结构具备多种灵活的解决方案。由于理论上电感不消耗能量，因此电感式结构的转换效率理想情况下为100%，考虑到各种非理想因素，仍可以实现最高95%左右的转换效率。

电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大(主要是电感和电容)，输出电压的纹波较大，且电路内部结构复杂。在PCB布板时要小心避免电磁干扰[5]。

白光LED作为LCD做背光源时，需要对其进行恒流驱动，主要原因是：（1）避免驱动电流超出最大额定值，影响可靠性；（2）获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。

根据LED的连接方式，可以分为串联驱动和并联驱动。驱动串联LED时，流过每一

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个LED的电流相等，这种连接方式LED电流匹配度高，可以获得均匀的亮度。驱动并联LED时，即使是同一批次产品，其V-I曲线也会有差异，而导致LED电流出现偏差，最终导致LED亮度不均匀。因而LED在并联连接时必须调节LED的电流，以获得统一亮度。但是多个LED串连必然要求升压型DC/DC变换器具有较高的输出电压，以四个LED为例（正向压降VF＝3.5V），因此DC/DC变换器的输出电压VOUT＝14V。如果驱动并联连接的LED，则只要求驱动器输出电压略高于3.5V。考虑到实际工艺的成本要求，驱动串连LED的DC/DC变换器芯片必然要求采用高成本的高压工艺；而驱动并联LED的升压型DC/DC变换器芯片却可以采用低成本的标准的5V CMOS工艺或BiCMOS工艺来实现。因此驱动并联LED的电源管理方案成本较低[6]。

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第二章 恒定电流白光LED驱动器的电路设计

2.1 总体电路功能

该电路是一款用于LED驱动的高性能、低压差、恒定电流的电流偏置器，主要应用于由电池供电直接驱动白光LED的场合，提供了一种简单的并联型白光LED驱动方案。它能在2.5V~6V的电压范围内提供稳定的六路20mA电流输入，相互之间的匹配度高达3%，无需外接电容电感电阻，无噪声，体积小，而仅需要60mV的跌落电压。

它适用于单节锂电池供电，采用低正向电压的白光LED的应用方案，也可以作为恒定电流偏置源使用。这种驱动LED的方案无需外接元件，也没有EMI的问题，体积小巧，成本也更低。

首先确定芯片应该具有的性能： . 6路输出，每路最大20mA电流 . 低压差，20mA时仅有60mV压差 . 高精度3%电流匹配 . PWM亮度控制

. 2.5V~6V宽电压输入范围 . 温度保护功能 . 欠压保护功能 芯片的应用范围： . 手机、PDA、掌上电脑 . MP3、MP4、掌上游戏机 . 数码相机、数码摄像机 功能框图：

ENLED4LED2LED6LED1LED3LED5BandgapVrefUVLOOTPIrefCurrent source图2.1 系统功能框图

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功能描述：

LED 端能提供最大20mA 的到地电流流入，各个LED 端之间有很好的匹配性。EN 端除了用来打开、关闭电路外，还能输入PWM 占空比信号调节亮度。当输入低频率（小于2KHz ）的PWM 信号时，一般情况下LED 的平均电流为（占空比×20 ）mA。

图2.2 PWM亮度控制

2.2 子电路模块设计 2.2.1 带隙基准电压源

基准的基本原理是：利用一个正温度系数的量和一个负温度系数的量，以适当的权重将两个量相加，得到一个近似于零温度系数的量。例如，对于随温度变化向相反方向变化的电压V1和V2来说，我们选取适当的?1和?2，使得

?1?V1?T??2?V2?T?0

（2.1）

这样就得到了具有零温度系数的电压基准：

VREF??1V1??2V2

（2.2）

我们知道，在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极型晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性，并且具有严格定义的正负温度系数的参量。尽管MOS器件的许多参数已被考虑用于基准产生，但是双极型电路还是形成了这类电路的核心。

负温度系数电压（CTAT）：

双极型晶体管的基极-发射极电压，或者更一般地说，PN结二极管的正向电压，具有负温度系数。对于一个双极型器件，可以写出IC?ISexp(VBE/VT)，其中VT?kT/q，饱和电流IS正比于?kTni2，其中?为少数载流子的迁移率，ni为硅的本征载流子浓度。这些参数与温度的关系可以表示为???0Tm，其中m?-1.5，ni2?T3exp???Eg/(kT)??，其中

Eg?1.12eV，为硅的带隙能量。所以：

6

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IS?T4?mexp?(EgkT ) （2.3）

其中b是一个比例系数。而VBE?VTln(IC/IS)，为了简化分析，假设IC保持不变，则有：

?VBE?T??VT?TlnICIS?VT?ISIS?T （2.4）

由式（2.3），可以有

?IS?T?b(4?m)T3?mexp(?EgkT)?bT4?mexp(?EgkT)(EkTg2)

所以

VT?ISIS?T?(4?m)VTT?EgkT2VT

（2.5）

由式（2.4）和（2.5），可以得到

?VB?TE??V?TTlnICISVBE?(4?m)VT?VTEg?(4?m)?VT?2TqkTEg/q （2.6）

式（2.6）给出了给定温度T下基极-发射极电压VBE的温度系数。从上式可以看出，它与VBE本身的大小有关，同时还与温度T有关，如果正的温度系数的量表现出一个固定的温度系数，那么在恒定基准的产生电路中就会产生误差。

正温度系数电压(PTAT)：

在1964年人们认识到[7]，如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。如图 2.3所示，如果两个同样的晶体管(IS1?IS2)偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么有

?VBE=VBE1-VBE2=VT(lnnI0Is1?lnI0Is1)?VTlnn

（2.7）

nI0VBEQ1I0Q2

图 2.3 PTAT电压产生电路

这样，VBE的差值就表现出正温度系数：

7

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??VBE?T?kqlnn （2.8）

可以看出，它与温度或集电极电流的特性无关。

带隙基准：

利用前面得到的正、负温度系数的电压，就可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准：

VREF??1VBE??2VTlnn

（2.9）

这里的VTlnn是工作在不同电流密度下的两个双极型晶体管的基极-发射极电压的差值。剩下的工作就是确定?1和?2。

在室温下，?VBE/?T??1.5mV/K，而?VT/?T?0.087mV/K，如果?1取1，则选择适当的?2lnn使得?2lnn(0.087mV/K)?1.5mV/K，也就是?2lnn?17.2，表明零温度系数的基准电压为：

VREF?VBE?17.2VT?1.25V

（2.10）

接下来的工作主要是设计完成VBE和17.2VT的相加电路。考察如图2.4所示的电路，这里假设基极电流可以忽略，晶体管Q2是由n个并列的晶体管单元组成的，而Q1是一个晶体管单元。假设用某种方法强制VO1和VO2相等，那么

VBE1?VBE2?RI （2.11）

即 RI?VBE1?V所以

BE2?VlnTn （2.12）

VO2?VBE2?VTlnn （2.13）

这意味着：如果lnn=17.2，VO2就可以作为与温度无关的基准（当VO1和VO2相等时）。

IIVO1VO2RQ1AnAQ2

图 2.4与温度无关的基准电压产生电路

图2.4电路中需要改进，才能使它成为实用电路。首先必须加入一个偏置使得VO1和VO2相等。其次，由于lnn=17.2，结果使得n值过大，需要通过按适当的比例增大RI?VTlnn项。图2.5就是一个可以完成上述两个功能的实用电路[8]。

8

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R1R2XYR3A1VoutQ1AnAQ2

图 2.5实用带隙基准电路

这里， VX和VY为放大器A1的输入，驱动R1和R2（R1= R2）的上端，运放的虚短使得X点和Y点稳定在近似相等的电压上。基准电压可以在放大器的输出端得到。根据对图2.5的分析，有

VBE1?VBE2?VTlnn

（2.14）

得到流过右边支路的电流为VTlnn/R3，因此输出电压为：

VOUT?VBE2?VTlnnR3(R3?R2)?VBE2?VTlnn(1?R2R3)

（2.15）

为了得到零温度系数，必须使(1?R2/R3)lnn?17.2。从工艺角度考虑选择n=8、24等。如果n=8，R2/R3=7.25。电路中的电阻是比例关系，因此VOUT与电阻的温度系数无关[9]。

图2.6给出了本电路中的带隙基准电路。图中的M1, M2, M3, M4, M5, R, C, M6, M7组成放大器；R1, R2, M8, M9, Q1, Q2构成带隙产生电路。

VBPM8M1M6R2M9M2R2M3R1M4M5M7Q11 : 8Q2

图 2.6 本电路的基准电路

采用了CSMC 0.5μm FEOL/0.35μm BEOL 6S035DPQM工艺，由运放的输入虚短，可以得出两条支路电流相等，所以：

9

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Vref?VBE1?IR2?VBE1?VBE1?VBE2R1R2?VBE1?R2R1VTln(Jc2Jc1)?VBE1?R2R1 VTln(8) （2.16）

跟前面讨论的Bandgap原理相吻合，只要采用适当的电阻比例，就可得到一阶补偿的带隙基准电压。

2.2.2 偏置和启动电路

偏置电路(峰值型Peaking偏置):

峰值型非线性电流源最初由BJT类型电路发展而来，用MOS器件取代相应的 BJT后，得到与之相对应的Peaking型MOS电流源。当MOS管偏置在亚阈值区时，其电流电压关系与相应的BJT电路完全相同，在忽略电阻温度系数的条件下可形成PTAT电流；当处于强反型饱和工作区时，则表现出与BJT偏置完全不同的电流温度特性[10]。

VCCVCCR1IQRIQQ1Q2M1M2

图2.7 BJT/MOS非线性Peak电流源

图2.7为BJT和MOS峰值型电流源电路。Q1与Q2，或M1与M2的栅压不同，因此输入-输出电流为非线性关系。输出电流在与输入电流的变化过程中，存在一个峰值电流。完整的Peak型电流也可采用自偏置结构，且M1和M2可工作强反型区或亚阈值区，以期获得不同的电流温度系数的控制。

VCCM1I1I3RM3M2I2I4M4I1/I3MPI2/I4MNA

图2.8峰值(非单调)型自偏置结构

峰值型与单调型自偏置电路的静态结构和输出电流控制机制基本相同，R为支路电流定义电阻。电阻R为避免在源端串联，而放置在MOS管的漏端。一是可以避免衬底偏置

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效应的影响，二是将原有的电流相互作用的单调型关系，改变为非单调型关系。电路结构及其传输特性如图2.8所示。在强反型条件下，电阻R定义的支路电流为：

I3?VRR?VGS3?VGS4R??3??4R?1R(2I3k3?2Iok4 ) （2.17）

在线性电流源的控制下，若I3=I4=Io则有：

I3?2R(1k3?1k4)?2R1k3(1?k3k)?42R1k3(1?1M) (2.18)

式中M=(W/L)4/(W/L)3>1，由此解出：

Io?I3?2(M?1)k3?M?R22 (2.19)

稳定的偏置电路可以提供稳定跨导控制，即：

gm?k???2k?I?2I? (2.20)

式中?为过驱动电压，?=VGS?VTH。

对比单调型自偏置结构的输出电流，两者提供的静态偏置电流关系相同。当增加M3和M4两管的W/L并使其均处于亚阈工作状态，则输出的近似PTAT电流为

Io??VbeR?VTRlnM (2.21)

从动态控制机制上，两者瞬态启动过程的控制近似相同。由于PMOS线性电流源提供相同的电流比例关系，即I1~I2为过原点的45?直线，I3~I4的非线性曲线关系能够确保两者之间一定存在一个除原点外唯一的交点A，该点即为偏置电路的静态工作点。在初始微小电流的启动阶段，电阻上的压降可以忽略，则M3/M4的W/L比例关系决定了电流I3~I4近似为比例放大关系，其曲线表现为初始斜率大于45?，此时表现为正反馈，启动电流得以增加。随着电流的增加，电阻上的压降增加，I3~I4的电流关系逐渐变为非线性而且其斜率逐步降低，此时反馈控制变为负反馈，导致达到最终的A点静态点。在静态工作点下，非线性电流源I3~I4一定处于负反馈的控制机制，从而确保静态工作点的稳定。

K因子倍增和peaking型两者的动态控制特性和衬底偏置方面存在一定差异。电压偏置的核心内容，是提高电流源的等效交流输出阻抗，降低MOS Diode的交流输出阻抗，比电阻阻抗分压更适合获得更高的稳定控制。

启动电路：

设计启动电路的参数时应当使启动电路能够满足以下三点要求：首先能够向偏置电路灌入电流，实现启动功能；其次，偏置电路启动后必须能够关断启动电路与偏置电路的联

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系，即启动电路只在系统上电瞬间起作用，静态后对电路正常工作没有任何影响；最后，电路启动后，启动电路应当保持很低的功耗，或者没有功耗。

启动电路设计的关键在于瞬态电流的注入位置选择，以及保持对主电路尽量少的影响和干扰。图2.9中，V_triggle为低电平启动电压，当稳态建立后，V_sense为感应得到的稳态电压，以此为关闭或启动模块的判据。V_triggle和V_sense可以是同一个结点电压量，也可以不是同一结点电压量。分开后初态与稳态不同，更有利于对电路的控制。

VDD(Or PMOS Gtae)VDDVbpVDDVbpV_triggleVsMP_S0-->VHVN_startVs0-->VHMP_SVN_startMaybe the sameTo NMOS GateV_senseTo PMOS GateRs

图2.9启动电路原理图 图2.10 NMOS启动电路

图2.10为启动NMOS管工作的基本电路结构，电阻 RS提供控制管MP_S的感应电平VS。在上电瞬间，VDD上跳到高电平，而MP_S在上电瞬间VS保持为0，因为VGS=VDD而导通，给NMOS管提供注入电流，可等效地视为VN_start信号将后级NMOS的栅电压上拉到所需要的偏置电位。当NMOS未完成启动时，支路电流极小，相应地内部支路的PMOS也不导通，其Vbp保持为高电平，因此启动模块中的PMOS保持截止状态，使Vs保持低电位，从而VN_start始终保持高电平充电状态。这一反馈状态可保证当启动未能建立时，系统可长久保持启动状态。随着启动的持续进行，内部支路电流增加后，Vbp电位下降，PMOS开始导通，VS电位上升，启动能力减弱，直至VS>VDD-VTP时，MP_S完全关断，对电路正常状态的影响最小，这时设计应保证内部电路的启动过程顺利完成。

R1m=8M3M4m=2M2R2m=2M1m=2M5M6m=2

图2.11 偏置电路原理图（包含启动电路）

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通过上面的研究和分析，我们设计出一款适合本电路使用的偏置电路，电路见图2.11所示。

在图2.11中由M1, M2及R1构成开启电路。在上电瞬间，VDD上跳到高电平，M2导通，从而使M3导通。M3导通后M1, M5, M6开启导通。这时M5, M6构成的电流镜开始工作，偏置电路被启动。由于R1是个大电阻，同时M1也导通，从而M2的栅电压被拉低，以至它不导通，开启电路失去效力。

2.2.3 过温保护模块

过热保护电路分两个部分实现，第一部分是先用温度传感器检测芯片的内部温度，把温度信号转变成电信号；第二部分是对电信号进行比较，如果超过一定值就输出相反的电压信号，使后续电路停止正常工作。把温度传感器放在最靠近主要功耗器件的旁边，再跟据芯片材料的特性计算出功耗器件与温度传感器距离温度梯度，这样就可以正确反映功耗区的温度。精确的测量芯片的最高温度是非常有必要的，如果温度传感器检测的温度不精确或者烧毁芯片或者提前温度停止芯片工作，这对芯片的工作都是不利的。

过热保护电路实现的关键是温度传感器的设计，它将产生的温度信号转化成电压或电流信号，通常是把温度信号转变成PTAT电流或电压信号。当温度升高时，电流也随绝对温度成比例地增加。

目前，集成电路的片上温度传感器可以用热电偶、热敏电阻、齐纳管、三极管的PN结和MOS管的弱反型区或阈值电压来做。如果集成电路的片上温度传感器用热电偶、热敏电阻来做，不容易集成，而且精度很低，因此不能采用。在双极工艺中，齐纳二极管的

VZ

(击穿电压)的温度特性是相当可靠的，不容易受到工艺流程的影响。因此这个电路的

性能是比较容易得到保证的。但是遗憾的是齐纳二极管的击穿电压一般大于5V，在集成电路中一般难以产生如此高的电压。而且这个过热保护电路的功耗是相当大的，不符合现在低功耗的发展趋势。

由上节所讲的带隙基准电压源中的负温度系数电压知，双极型晶体管的基极-发射极电压VBE具有负温度系数。VBE大体上随温度减小而线性增大。三极管在20℃~150℃温度范围内很好的保持着这一特性。通过不断试验，并运用统计规律，可以取其值为-2.2mV/℃，即温度每上升1℃，认为三极管VBE正向电压下降2.2mV，而温度每下降1℃，其正向电压上升2.2mV。三极管这种良好的温度特性，说明它本身就是一个很好的温度传感器，而且容易集成。

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Refvout 图2.12 过温保护电路

基准电压不随温度变化，而PNP管的VBE电压是负温度系数，这样可以给定电压Ref为需要设定的温度VBE的电压。当温度达到设定值时，Vout就会在这点温度跳变，利用这个输出电平，可以得到温度过高的信息。从而输出端跳变时，关断开关管，实现过温保护。

2.2.4 欠压锁存模块

欠压保护电路的原理就是采样电源电压，通过比较器进行比较，当电路欠压时，输出欠压信号关断芯片。为了避免环境噪声的干扰，比较时应该具有一定的迟滞。

原理图如下：

K1VDDR1R3+-M1UVLO_outR2M2

图2.13 欠压锁存电路

图2.13中VDD为电源电压，R1, R2和R3, M1, M2组成分压电路。当VDD大于欠压保护电压 VUVLO时，M1, M2导通经迟滞比较器输出高电平。当锂电池使用一段时间后输出电压下降，即VDD下降到VUVLO之下时，M1, M2截止，经迟滞比较器输出低电平。此电路所设计的欠压保护电压VUVLO为2.1V，欠压迟滞为100mV。

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第三章 版图设计

集成电路的版图设计作为集成电路设计的重要组成部分，是联系设计和制造的桥梁，并最终将设计转移到了硅片上，实现了集成电路的生产制造。因此集成电路版图设计的正确与否、合理与否不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且也会极大程度地影响集成电路的性能、成本和功耗。

版图设计是创建工程制图（网表）的精确的物理描述的过程，而这一物理描述遵守由制造工艺、设计流程以及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束。版图设计一般包括基本器件版图设计、布局和布线以及版图分析与检验。

3.1 设计工具——Cadence的简介

Cadence 是一个大型的EDA 软件，其主要产品线从上层的系统级设计到逻辑综合到底层的布局布线，可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC 设计、FPGA 设计和PCB 板设计。Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着很大的优势。

本文主要使用其中的Virtuoso Schematic Editor和Virtuoso Layout Editor。

3.2 设计工艺与规则

由于器件的物理特性和工艺限制，芯片上物理层的尺寸映射到版图的设计尺寸必须遵守特定的规则。版图设计规则目的就是使设计规范化，并在取得最佳成品率和确保电路可靠性的前提下利用这些规则使版图面积尽可能做到最小。此LED驱动器的设计遵循无锡上华的0.5μm FEOL/0.35μm BEOL硅栅CMOS工艺规则，其主要工艺信息如下：

工艺名称： 6S035DPQM-ST0100 工艺规格： 0.5μm FEOL/0.35μm BEOL 多晶硅层的数目： 2 金属层的数目： 4

工艺描述： Generic 0.5μm FEOL/0.35μm BEOL Si Gate CMOS Twin Well

Double Poly Quartus Metal Mixed Signal Process

多晶硅栅类型： Polycide Gate (Poly1)

电压： 5V

一般来讲，设计规则反映了性能和成品率之间可能最好的折衷，从设计的观点出发，

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设计规则可分为几个部分[11]：

1 决定几何特征和图形的几何尺寸的规定，保证各个图形彼此之间具有正确的关系（在几何设计规则文件中反映）。

2 确定掩膜制备和芯片制造中都需要的一组基本图形部件的强制性要求（在几何设计规则文件中反映）。

3 定义设计人员设计时所用的电参数的范围（在电学设计规则中反映）。 具体来说，可以归纳为以下描述的四种规则：

最小宽度：掩模上定义的几何图形的宽度（和长度）必须大于一个最小值，该值由光刻和工艺的水平决定。

最小间距：在同一层掩模上，各图形之间的间隔必须大于最小间距，在某些情况下，不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小间距。

最小包围：当有两个不同的层叠在一起时，例如SP注入区在环绕active时应有足够的余量，以确保在制造出现偏差时器件部分始终在SP注入区内。

最小延伸：有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度。 除了上面所说的四种最小尺寸外，还要遵循一些最大允许尺寸，天线规则等。 在对整个电路进行版图设计时，除了考虑设计规则，还要对版图的整体布局进行规划，主要有以下注意点：

1 先确定输入输出焊盘的摆放位置，并根据测试探针的个数以及间距调整输入输出焊盘，焊盘的布局决定整个芯片的大小。

2 再考虑输入输出走线，包括电源线和地线的走线，以及核心电路的摆放。 3 最后由整体转向局部，进行各模块的设计，然后进行拼接。在小模块的版图设计当中，更要注意更多的细节。

3.3 基本元器件的版图设计 3.3.1 单个MOS管

图3.1为PMOS管版图和结构示意图。PMOS管必须做在N阱中，N型有源区会与N阱相连通（N阱和N型有源区具有相同的参杂类型），源、漏、阱的连接通过另外的接触层来实现[12]。这类接触层中最典型的就是用于连接metal1的接触层。在N阱中必须接PMOS管的源端或者最高电位作为阱电位以防止latch-up的产生。

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SP 图3.1 PMOS管版图和结构示意图

图3.2 为NMOS管版图和结构示意图。由于CMOS工艺的自隔离特性，NMOS不需要放在阱内。所以NMOS可以直接做在衬底上，利用P衬底直接产生的反向PN结来隔离。需要注意的是，在NMOS附近尽可能的多做衬底接触，以防止latch-up的产生。

SN

图3.2 NMOS管版图和结构示意图

晶体管一般有以下设计规则[13]：

1 使用预先定义模板来进行PMOS和NMOS晶体管的布局。应预先定义好单元的结构，并且该模块应将一组单元的基本版图规划封装起来。

2 共用电源节点以节省面积。由于电源共用电源节点分布广泛、易于连接，因此实现共享很容易，还可以节省相当大的面积。

3 确定源极连接和漏极连接所需接触孔的最小数目。在两个接触孔间尽可能多的使用最小设计规则，使晶体管的性能最优。

4 尽可能使用90度角的多边型或线型。 5 对阱和衬底的连接位置进行规划。

6 避免“软连接”节点。“软连接”节点是指通过非布线层进行连接的节点。由于非布线层具有很高的阻抗，若通过它们进行连接，会导致电路性能变差。

此外，根据电路结构的不同和功能要求，MOS管的摆放与连接也有变化。

3.3.2 并联MOS管

实际电路中，有时需要的MOS管宽度可能是几百甚至上千微米，而工艺提供的模型

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参数则规定了器件的尺寸范围。为了实现大尺寸的MOS晶体管，在电路中通过采用并联接法的一组MOS管来实现。这些MOS管工作时等效于一个沟道宽度较大的MOS管，其沟道宽度等于所有单个MOS管沟道宽度的总和。大尺寸MOS管的版图一般也采用并联结构或称梳妆栅结构，并且相邻的MOS管共用源区和漏区。这种版图并联结构不但减小了版图面积而且减小了源端和漏端的耗尽电容。图3.3 为4个PMOS管并联的版图：

图3.3 4个PMOS管并联

并联MOS管的个数也就是叉指的个数，由器件的总沟道宽度W和每个叉指所对应的小尺寸MOS管的沟道宽度Wi决定。小尺寸MOS管的宽长比是由多方面因素决定的，除了要考虑单个器件的性能优化外，还必须考虑全部并联器件所占用的面积，以及版图平面布局的要求和工艺离散性的影响。 3.3.3三极管版图

双极型晶体管（三极管）正常工作时同时利用电子和空穴两种载流子，用小尺寸解决了电容问题，具有更小的RC时间常数。工艺制造时，考虑到成本，一般采用横向PNP管。一个横向PNP管通常包含一个N型区（通常是N阱），在这个N阱内又包含一个P型区和一个N+区[14]。

画版图时，可以构造两个管子，以降低阱中的串联电阻，两个PNP管共用中央的P型区，即PNPNP结构，进而合二为一做成一个环状PNP管，如图3.4所示，发射极面积为5μm×5μm：

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图3.4 单个PNP管的版图

3.3.4电阻版图

实现任何电阻的第一步都是选择一个恰当的分层。分层的恰当选择，可能需要考虑以下几个因素：

1 不同分层的电阻率；

2 在不同工艺和不同环境条件下电阻率的变化； 3 在不同工艺条件下分层的宽度的变化； 4 在所选择的分层上电阻的最终实现面积。

在本设计中，Poly2被选择作为电阻的材料，因为这种材料的电阻相对较大电阻率和宽度被严格控制，而且最终电阻所占的面积没有限制。

电阻值的计算公式如下：

r?LW??

r为电阻（?），L为电阻体区长度（μm），W为电阻体区宽度（μm），?为体材料

薄层电阻率。

电阻的设计同样要求匹配，通常对一些有对称性的电阻采用交叉匹配或共质心匹配的方法。图3.5为交叉匹配的电阻版图。

所有精确电路都会受到衬底噪声的影响。衬底噪声是由于临近的电路部分互相之间注入电流引起的。在相邻电路间减少衬底噪声的最简单方法就是在两部分电路之间放置P+注入。衬底接触将除去注入载流子，并能使衬底保持在一个固定电位。因此一般在电阻周围放置P+注入。由于P+注入画成了环形，所以通常把它们称作保护环（Guard Ring）。在版图设计时考虑到以后的改版方便，通常把电阻放在一起。

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图3.5 交叉匹配的电阻版图

3.3.5 电容版图

在集成电路中有多种电容结构[11]： 1 金属-绝缘体-金属（MIM）结构； 2 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构； 3 金属叉指结构； 4 PN结电容； 5 MOS电容。

在本次设计中所使用的工艺包含两层Poly，因此我们可以利用两层Poly来制作电容。图3.6为ploy-ploy电容版图：

图3.6 ploy-ploy电容版图

ploy1和ploy2层之间是硅氧化物介质层。电容值的计算公式如下：

C?COX?A

式中COX为单位面积氧化物的电容值，A为ploy1和ploy2层的交叠面积。和电阻一样电容也要在外面加一层保护环。

3.4驱动部分电路的版图设计

由于驱动关系到是否能构让六个LED保持相同的亮度，所以在版图中要求六个驱动完全对称，否则驱动的LED亮度不一致。图3.7为驱动部分的版图。

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图3.7 驱动部分版图

3.5 布局布线

在子模块兴建好之后，设计整个芯片之前，我们要为每个模块在整个芯片中选择一个好的布图方案，从而使得传输信号通路与非相关信号通路分隔开，降低有用信号受干扰的程度。在版图上进行系统整体版图布局时，要充分考虑模块之间的走线，避免时钟信号线对单元以及内部信号的干扰，模块间摆放要配合压焊点的分布。另外，布线是应充分注意对称性原则，对时钟线要考虑时延，不同的时钟信号布线应尽量一致，以保证时钟之间的同步性。信号的走线要完全对称以克服外界干扰。

布线是指根据一定的规则和电路的限制把布好的各个模块用互连线连接起来，并进一步优化布线结果。它有一些基本要求，布线要尽可能的短，从而降低传输线的延迟和寄生参数。布线的好坏程度会直接影响芯片的性能，这一点在高速电路中尤其明显，因为互连线的延迟会对芯片的时序产生非常大的影响，在最坏情况下甚至会导致芯片功能失效。

除了选择合理的布线层外，版图布线还应注意以下几点：

1电源线和地线应尽可能地避免用扩散区和多晶硅走线，特别是通过较大电流的那部分电源线和地线，在集成电路的版图设计中电源线和地线多采用梳妆走线，避免交叉，或用多层金属工艺，提高设计布线的灵活性。

2禁止在一条金属走线的长信号线下平行走过另一条用多晶硅或扩散区走线的长信号线。

3压焊点离开芯片内部图形的距离不应少于20μm。以避免芯片键合时，因应力而造成的电路损坏。

3.6 整体版图

对整个版图的设计，必须要注意以下几个方面的要求：

1 单元子模块要尽量做到统一和完整。同一个单元模块的器件，由于工作电压、频率等参数基本上是一致的，所以需要放到一起并和其他的模块通过衬底接触隔离开。

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2 输入输出PAD都需要做一些静电保护措施。 图3.8为连接好的完整的版图：

图3.8 完整的版图

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第四章 版图验证

在版图验证中我们要用到两个验证工具：

1 Diva是Cadence 的版图编辑大师Virtuoso集成的交互式版图验证工具，具有使用方便、操作快捷的特点，非常适合中小规模单元的版图验证。可以处理物理版图和准备好的电气数据，进行版图和线路图的对查（LVS）；还可以在设计的初期就进行版图检查，尽早发现错误并互动地把错误显示出来，有利于及时发现错误所在，易于纠正。

2 Dracula（吸血鬼）是Cadence的一个独立的版图验证工具，它采用批处理的工作方式。Dracula功能强大，目前被认为布局验证的标准，几乎全世界所有的IC公司都拿它作sigh-off的凭据。特别是对整个芯片版图的最后验证，一定要交由Dracula处理。主要功能包括：设计规则检查－DRC、电气规则检查－ERC、版图与电路原理图一致性检查－LVS、版图参数提取－LPE、寄生电阻提取－PRE等。

版图的验证任务是检查版图中可能存在的各种错误，这些错误可以分成以下三类： 1 违反几何设计规则的错误

版图几何设计规则检查称为设计规则检查（DRC）。在本次设计中我们采用方便、快捷的Diva来检查DRC错误。这部分可以在设计的初期就进行版图检查，尽早发现错误并互动地把错误显示出来，及时更正。

2 电路连接线错误

电路连接线错误包括短路、开路、悬空端和孤立节点等，由于连接线错误将会导致芯片功能上的缺陷。在这部检查中我们使用Dracula工具进行版图与电路原理图一致性检查（LVS）。

3 电学性能上的错误

电学性能上的错误是指：对于逻辑功能正确的电路，由于电路参数的问题，不能满足延时、功耗等电学性能要求。检查这类错误的工具有：版图网表和寄生参数提取工具Dracula；电路模拟工具SPICE；时序分析和功耗分析工具等。

其中，DRC和LVS是必做的验证，其余为可选项目。凡做过DRC和LVS验证的版图设计，基本上能一次流片成功。

4.1 设计规则检查（DRC）

设计规则检查是指检查所设计的版图是否符合给定的工艺规范要求。DRC检查每个几

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何图形本身以及各图形的相互关系，包括同一层或不同层上几何图形之间的关系是否符合生产工艺所规定的尺寸要求。检查过程中，要进行版图的逻辑运算以识别晶体管和布线网络，要进行拓扑运算以验证图形间的嵌套和重叠关系，要进行几何运算以验证图形尺寸的扩大或缩小以及间隙的填充等，还要进行检查性运算以检查版图是否违背设计规则。Cadence将版图中与设计规则相悖的图形位置坐标和相应的规则类型写入指定的文件，根据这些信息对每处错误逐一修正直到DRC检查完全通过。

Diva DRC的运行过程：在版图窗口，选择命令Verify→DRC...，出现DRC对话框。

图4.1 Diva DRC设置对话框

对话框的绝大部分选项都根据默认设定，只有Rule File 和Rule Library 要输入规则文件名和规则文件所在库名。设置完毕按Ok按钮，这时CIW窗显示运行信息，版图上也出现高亮度的区域或线段。对检查出的错误逐个纠正，然后保存。

查看版图文件的错误，选择Verify→ Markers→ Find...，出现“Find Markers”对话框。选中框中的Zoom To Markers，单击apply，出现marker text 对话框，指出了错误的原因和位置。这样找出版图中的错误并修改，直至没有错误。如图4.2所示为用Diva进行DRC验证通过的情况。

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图4.2 Diva提示没有DRC错误

4.2 版图与电路一致性检查（LVS）

LVS检查的主要步骤如下：

1 设置好Dracula所用的LV S命令文件中的各种选项。

2 在Cadence中将电路图转换成可用于Dracula LVS检查的电路网表，在CIW窗中，选命令File→Export→CDL...，出现“Virtuoso CDL Out”对话框。图4.3为Virtuoso CDL Out对话框。

3 在Virtuoso中将所需检查的版图转换成GDS格式的数据文件；在CIW窗中，选命令File→Export→Stream...，出现“Virtuoso Stream Out”对话框。图4.4为Virtuoso Stream Out对话框。

4 运行Dracula中的LVS命令，将电路网表转换成可用于LVS检查的数据文件。 5 运行Dracula中的PDRACULA命令，调入LVS命令文件并生成用于LVS检查的可执行文件，然后执行LV S检查。

6 在Virtuoso中利用InQuery调入Dracula的LUS检查结果或直接分析LVS检查后输出的报告文件，若有错误则进行修改。在进行LVS验证的版图窗，选择命令LVS→Setup…，出现LVS Setup对话框，如图4.5所示，输入运行路径后按OK键，对话框消失，出现View LVS、DLW等对话框。

7 重复3-6步骤，直到没有错误为止。

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图4.3 Virtuoso CDL Out对话框

图4.4 Virtuoso Stream Out对话框

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图4.5 View LVS对话框

进行LVS检查时，经常会出现的错误如下：

1 节点开路。因为同一个节点名指该节点在电学上连接在一起的。故一个节点只能有一个节点名。如果在ERC检查后，发现版图中有多个相同的节点名，则说明该节点有开路现象。

2 短路。不同的节点名代表电路中不同的互不相连的节点。如果在检查后，在同一节点出现两个或者两个以上相同的节点名，则说明该节点处于短路状态。

3 接触孔浮孔。如果有关接触孔与金属层并未覆盖，即出现无接触孔错误。 4 特定区域未接触。这些是往往被忽略但又必须加以接触的区域，如P阱或者N阱未分别接地或电源；N型衬底或P型衬底未分别接电源或地。

5 不合理的元器件节点数。若源、漏极的连接点数缺损，说明存在短路现象；或者某一节点与输入MOS管的漏极连接过多，说明该节点的负载数过重等。

本设计中整体版图通过了LVS检查，图4.6~4.8为LED.lvs文件中的一部分。它们分别显示了版图中所有器件和电路中元件匹配，版图中PAD与电路中pin脚匹配和版图功能

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与电路功能一致的检查结果。

图4.6 器件的匹配

图4.7 Pad与Pin脚的匹配

图4.8 版图功能与电路功能一致

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第五章 总结

本文首先介绍了白光LED相对于传统光源的优势，然后又比较了现在主流的背光用白光LED驱动器的原理。通过分析我们采用了恒流源偏置电路，再对恒流源偏置的LED驱动器电路的原理进行了详细的分析。最后依据电路对版图进行设计。本设计采用无锡上华的6S035DPQM-ST0100工艺，从最基本的MOS管、三极管、电阻、电容等元器件到各个子模块再到整个电路的布局布线进行设计。解决了对称、匹配、ESD保护等问题，给出了模拟电路版图设计中需要注意的地方。版图设计好后进行验证，这一步确保了版图满足设计规则、与电路图一致、不违反电气规则，再提取参数以便进行后仿真，后仿真正确后就得到了完整的版图文件。再把版图数据转换成GDSⅡ数据送至工厂制版流片、封装，得到完整的样片。最终芯片的功能和性能通过了测试，即完成了六通道低压差白光LED恒流驱动器的设计。

通过本次毕业设计，使我从电路设计到版图制作有了更深入的了解，熟悉了集成电路设计的全过程。为我以后的工作奠定了一个较为扎实的基础。

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参考文献

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致 谢

在论文结束之际，我要向我的指导老师吴国祥、王志亮老师表示衷心的感谢，在我整个论文的工作中，吴老师和王老师给予了我很多帮助，使我顺利的完成论文。他们学识渊博、学风严谨，对科学研究精益求精，使我在学业上受益非浅。导师踏实的工作作风、对科研一丝不苟的治学态度使我终生难忘。我在此表示深深的感谢。

同时还要感谢上海南麟电子有限公司给我这个机会在公司里完成这个课题，在我完成课题的过程中，公司各位朋友的帮助和指导使我进步很快，对他们我同样表示衷心的感谢。

由于时间和知识的限制，在这次毕业设计中还有很多不足的地方，希望各位老师给予指正。

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