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。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VFBVREF，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。