摘 要
現代許多攜帶式消費電子產品都有液晶螢幕顯示器，且都需要背光源為其照明，而背光源大多選擇使用白光LED。白光LED導通電壓約為3V~4V之間，因特性關係一般皆以串聯方式使用，而電源來源的鋰電池電壓也大約在2.5V~4V之間，為穩定背光照度，因此常以升壓轉換器(converter)作為白光LED驅動器。基於此項需求，本文晶片以TSMC 0.35um 2P4M製程為基底，設計20mA定電流源升壓轉換器(Boost converter)，推動兩個白光LED。該電路採峰值電流回授及脈波寬度調變(Pulse width modulation) 模式設計，具動態可變斜率補償，可隨輸入電壓或負載變動程度，作適當動態斜率調整，此項電路優點除了可縮短系統恢復穩定時間(recovery time)外，並可減少光源照度變化。晶片規格為輸入電壓範圍在2.5V ~ 3.3V、切換頻率為1MHz、過溫度保護為85°C、過電壓保護8.5V、輸出電流為20mA，並具調光功能。轉換器效率在一個LED負載與2.5V輸入電壓時約為87﹪。

Abstract
A lot of modern portable consumer electronics products have liquid crystal display screen, and all of them need the backlight for illumination, the most backlight they choose are white LED. As the turn-on voltage of white LED is between 3V to 4V, and mostly we used LED in series because of it’s characteristics, but lithium battery power voltage is between 2.5V to 4V, for the sake of backlight illumination stably, we used boost converter to drive white LED. Based on the needs of this chip, we applied TSMC 0.35um 2P4M process for the base to design 20mA constant current boost converter to drive two white LED. With the peak current feedback circuit and pulse width modulation mode converter is designed, and with dynamic slope compensation, which can be adjust slope as input voltage or load change. The advantages of this circuit can not only reduce the system recovery time, but also reduce the variation of light illumination. The specification of chip is 2.5V to 3.3V input voltage range, 1MHz switching frequency, 85℃over temperature protection, 8.5V over-voltage protection, 20mA output current, and a dimming function. While the converter efficiency is about 87% which is at the single LED loaded, and 2.5V input voltage .

目 錄
第1章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 1
1-3 文獻回顧 4
1-4 研究動機和目的 4
1-5 研究方法與流程 6
第2章 整體電路結構的設計 7
2-1 簡介 7
2-2 基本原理 8
2-2-1 電感充磁-消磁平衡原理和電容充電-放電之電荷平衡原理 8
2-2-2 BOOST 工作原理 10
2-3 控制方式 12
2-4 斜率補償 14
2-5 連續導通模式(CCM)及非連續導通模式(DCM)操作條件 17
2-5-1 連續導通模式(CCM) 17
2-5-2 非連續導通模式(DCM) 20
2-5-3 連續導通模式(CCM)及非連續導通模式(DCM)之邊界條件 22
第3章 升壓轉換器設計 26
3-1 升壓轉換器電感及電容設計 26
3-1-1 電感值計算 26
3-1-2電容值計算 26
3-2 轉移函數推導與分析 27
3-2-1誤差放大器設計 32
3-2-2峰值電感電流控制及斜率補償 34
3-3 硬式切換與軟式切換 37
第4章 晶片系統設計 40
4-1 系統方塊圖 40
4-2 能帶隙參考電路 41
4-3 運算放大器設計(Error Amplifier) 45
4-4 設計遲滯比較器 47
4-5 振盪器電路設計(Clock) 55
4-6 緩啟動電路設計(Soft-start) 61
4-7 溫度保護電路(OTP) 64
4-8 過電壓保護電路(OVP) 67
4-9 電流檢知電路設計(I-Detector) 70
4-10 動態斜率補償電路設計(Slop Generator) 74
4-11 緩衝器(Buffer) 78
4-12 升壓系統模擬 78
4-13 晶片佈局 87
第5章 結論 90
附錄A 晶片量測 92
A-1 晶片系統測試規劃 92
A-2 測試結果 95
A-3 測量分析 98
參考文獻 101


圖索引
圖 1 1 Forward Voltage VF與Forward Current 3
圖 1 2 Forward Current IFP與Luminously (a,u) 3
圖 1 3研究流程圖 6
圖 2 1切換式電源基本架構圖 7
圖 2 2 Buck 電路 8
圖 2 3 Boost 電路 8
圖 2 4 Buck Boost 電路 8
圖 2 5升壓直流轉直流轉換器電路 10
圖 2 6電晶體M1導通時之等效電路 10
圖 2 7電晶體M1關閉時之等效電路 10
圖 2 8升壓直流轉直流轉換器相關電壓及電流波形 11
圖 2 9電壓控制方塊圖 13
圖 2 10電流迴授控制方塊圖 13
圖 2 11工作週期比(Duty cycle ratio)小於50% 14
圖 2 12工作週期比(Duty cycle ratio)大於50% 15
圖 2 13電感電流斜率補償示意圖 17
圖 2 14升壓轉換器等效電路圖 19
圖 2 15連續導通模式(CCM)波形圖 20
圖 2 16非連續導通模式(DCM)波形圖 20
圖 2 17 CCM與DCM邊界條件電流波形 24
圖 2 18 D值與D(1-D)2之函數關係 25
圖 3 1 Boost電路簡圖 27
圖 3 2系統方塊圖 31
圖 3 3比較器示意圖 32
圖 3 4系統轉移函數之波德圖 33
圖 3 5加入補償電路後之波德圖 34
圖 3 6補償電路架構圖 34
圖 3 7峰值電流控制電路方塊圖 35
圖 3 8尖峰電流控制型態下電感電流波形圖 36
圖 3 9加入斜率補償後之電感電流波形[16] 36
圖 3 10加入斜率補償後之方塊圖 37
圖 3 11硬切換特性示意圖 38
圖 3 12 ZVS切換波型圖 38
圖 3 13切換式電源基本架構圖 39
圖 3 14 ZCT或ZVT切換波型圖 39
圖 4 1升壓晶片電路系統方塊圖 40
圖 4 2能帶隙參考電路 42
圖 4 3能帶隙參考電路輸出電壓對溫度關係曲線 42
圖 4 4能帶隙參考電路輸出電壓對輸入電源模擬圖 44
圖 4 5能帶隙參考電路電源拒斥比模擬圖 44
圖 4 6兩級式運算放大器串接(cascade) 45
圖 4 7運算放大器增益與相位模擬 46
圖 4 8遲滯比較器 48
圖 4 9前置放大器（Pre-amplifier） 48
圖 4 10判別電路（Decision Circuit） 49
圖 4 11後級放大器反向器設計 50
圖 4 12比較器遲滯範圍模擬圖 51
圖 4 13比較器延遲時間模擬圖 52
圖 4 14比較器延遲時間模擬(Post-simulation) 53
圖 4 15比較器前級放大器增益模擬圖 54
圖 4 16振盪器架構圖 56
圖 4 17振盪器VDD=2.5V 57
圖 4 18振盪器 VDD=3.3V 58
圖 4 19緩啟動電路功能方塊圖 61
圖 4 20緩啟動電路內部電路圖 62
圖 4 21緩啟動電路模擬圖 63
圖 4 22過溫度保護電路 64
圖 4 23 Vt點電壓負溫度係數 65
圖 4 24過溫度保護電路模擬 66
圖 4 25過電壓保護電路 67
圖 4 26 3.3V過電壓保護電路 68
圖 4 27 2.5V過電壓保護電路模 69
圖 4 28電流感測電路 70
圖 4 29電流檢知器於Power MOS導通電路 71
圖 4 30電流檢知器於Power MOS截止電路 71
圖 4 31電流感測電路模擬圖 73
圖 4 32斜率補償電路架構圖 74
圖 4 33斜率補償電路模擬圖 77
圖 4 34輸出電流迴授電路 78
圖 4 35升壓系統模擬圖 80
圖 4 36 Dimming 25％模擬圖 82
圖 4 37 Dimming 50％模擬圖 83
圖 4 38 Dimming 75％模擬圖 84
圖 4 39具動態斜率補償之Line Regulation模擬圖 85
圖 4 40不具動態斜率補償之Line Regulation模擬圖 86
圖 4 41運算放大器差動對佈局 87
圖 4 42電阻佈局圖 88
圖 4 43 MOS電容佈局圖 88
圖 4 44系統佈局 89
圖A- 1 LM317 Regulator電路圖 92
圖A-2升壓轉換器測試接線圖 93
圖A-3 振盪器輸出脈衝(Pulse)波形 96
圖A-4 振盪器輸出方波波形 96
圖A-5 Pulse及Clock Pin腳輸出波形量測接線圖 96
圖A-6 PWM輸出波形 98
圖A-7 PWM回授波形 98
圖A-8 輸出端升壓波形 99
圖A-9 斜率補償波形 99
圖A- 10輸出功率測量接線圖 100


表索引
表 4 1 0.35UM製程下之電阻溫度係數 41
表 4 2能帶隙參考電路模擬結果 43
表 4 3同製程與架構之能帶隙參考電路比較 45
表 4 4兩級式運算放大器模擬結果 46
表 4 5振盪頻率對製程變異之關係 59
表 4 6振盪頻率對溫度之關係 60
表 4 7升壓系統PRE-LAYOUT SIMULATION結果 79
表 4 8升壓系統POST-LAYOUT SIMULATION 79
表A- 1 IC腳位編號 94
表A- 2振盪器輸出頻率對溫度之關係 97
表A- 3測試結果 99

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