李加鵬，王鴻志 ，張東

（1 北京裕軒科微電子有限公司，北京 100088；2 北京自動測試技術(shù)研究所，北京 100088）

0 引言

20世紀(jì)中期，調(diào)光控制技術(shù)還停留在僅通過電阻或自耦變壓器來實(shí)現(xiàn)，這種調(diào)光方式耗能比較大。到了20世紀(jì)60年代初，國際上出現(xiàn)可控硅器件，調(diào)光控制由機(jī)械控制轉(zhuǎn)向電子和芯片控制，這樣就降低了調(diào)光的能耗。

能夠感應(yīng)人體觸摸的開關(guān)多年前就已出現(xiàn)，觸摸燈利用的是人體電容特性。當(dāng)觸摸時(shí)人的身體增加了它的電容量，而調(diào)光控制芯片的電路可以檢測出這一微弱信號量的變化，然后將這一變化送到芯片的內(nèi)部電路，經(jīng)過電路的整形、放大與運(yùn)算，最終輸出控制信號來完成對燈光亮度調(diào)節(jié)的控制功能。于是本文提出一種觸摸調(diào)光控制芯片，芯片的輸出驅(qū)動可控硅來調(diào)節(jié)家用照明的亮度，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 觸摸調(diào)光控制芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)與仿真

1.1 總體結(jié)構(gòu)

觸摸調(diào)光控制芯片的主要功能就是每當(dāng)外部對其觸摸端進(jìn)行有效觸摸后，在它的輸出端輸出的脈沖的占空比發(fā)生變化，外圍可控硅[1]利用這一變化來調(diào)節(jié)燈光的亮度。經(jīng)過詳細(xì)研讀各相關(guān)資料后，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，提出了如圖1所示的觸摸調(diào)光控制芯片的結(jié)構(gòu)。圖1為本設(shè)計(jì)片的總體框圖，其中包括了芯片的頂層端口信號，信號的描述如表1所示。

圖1 調(diào)光控制芯片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 觸摸調(diào)光控制芯片端口

1.2 芯片的功能

（a）一段調(diào)光控制模式

燈只有開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，因此稱為芯片的一段式應(yīng)用。

（b）3段調(diào)光控制模式

燈有3個(gè)可調(diào)亮度，因此稱為芯片的三段式應(yīng)用。

（c）3段延時(shí)調(diào)光控制模式

燈有3個(gè)可調(diào)亮度，但關(guān)狀態(tài)有延時(shí)，因此稱為芯片的3段延時(shí)應(yīng)用。

（d）4段調(diào)光控制模式

燈有4個(gè)可調(diào)亮度，因此稱為芯片的四段式應(yīng)用。

（e）4段延時(shí)調(diào)光控制模式

燈有4個(gè)可調(diào)亮度，但關(guān)狀態(tài)有延時(shí)，因此稱為芯片的4段延時(shí)應(yīng)用。

1.3 系統(tǒng)級電路功能仿真

通過modelsim[2]仿真軟件對芯片內(nèi)部電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證芯片電路的整體功能。由于觸摸調(diào)光控制芯片會有5種不同的工作模式，因此本文選擇4段調(diào)光工作模式來進(jìn)行仿真驗(yàn)證說明。

芯片4段調(diào)光控制模式的應(yīng)用是在觸摸端的前4次觸摸后芯片的輸出端AT信號的脈沖頻率不變占空比逐漸變大，可控硅的導(dǎo)通角[3]逐漸變小，流過燈的電流逐漸變大，因此燈的亮度是逐級增大的。第5次觸摸后芯片的輸出變成低電平，此時(shí)可控硅截止，燈熄滅。由于輸出時(shí)利用的是邏輯運(yùn)算模塊的 4段式應(yīng)用，所以 LF45=1、LE23=1、LE25=0、LE28=0，經(jīng)過對電路各個(gè)激勵(lì)的調(diào)試后仿真結(jié)果如圖2所示，從結(jié)果中可以看出電路的設(shè)計(jì)具備4段調(diào)光控制的功能。

2 芯片端口部分的電路設(shè)計(jì)仿真

根據(jù)電路功能仿真時(shí)對輸入激勵(lì)頻率的調(diào)試，將調(diào)試的結(jié)果作為芯片端口[4]模擬電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)，根據(jù)內(nèi)部數(shù)字電路對輸入信號的要求來設(shè)計(jì)端口電路。由于內(nèi)部電路的的輸入信號LD50、LD3、LA32都是脈沖，所以系統(tǒng)頻率輸入端口CK、工頻信號輸入端口F1、觸摸端口SCKI和SCKO均采用兩級運(yùn)放[5]模擬CMOS電壓比較器來產(chǎn)生脈沖輸出。本節(jié)主要采用Pspice[6-7]模擬仿真軟件對芯片的3個(gè)主要的端口系統(tǒng)時(shí)鐘端口CK、工頻端口F1、觸摸端口SCKI和SCKO的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.1 系統(tǒng)時(shí)鐘CK端口電路設(shè)計(jì)仿真

由芯片功能仿真可知系統(tǒng)時(shí)鐘CK端口輸出LA32的信號是700kHz頻率占空比為0.004低電平延時(shí)為2.1μs的脈沖，因此電路設(shè)計(jì)利用比較器來產(chǎn)生脈沖的輸出，具體的設(shè)計(jì)電路如圖3所示，V1為芯片的電源電壓，U1是模擬CMOS電壓比較器[8]，C1是芯片內(nèi)部的柵電容，M1和M2為下拉N管，R1是芯片外圍可調(diào)電阻，R5、R6、R7都是芯片內(nèi)部阱電阻[9]。

圖3 系統(tǒng)時(shí)鐘CK端口電路

根據(jù)電路圖所示，當(dāng)芯片上電后，外接直流電源V1通過電阻R1給內(nèi)部柵電容C1充電，此時(shí)比較器的正向輸入端電壓VX小于反向端VR，比較器輸出低電平，兩個(gè)下拉N管都截止，電容C1繼續(xù)充電，電容的充電時(shí)間跟電阻R1有關(guān)，電阻R1越大，電容C1的充電越慢。當(dāng)電容C1兩端電壓大于比較器反向輸入端電壓時(shí)，比較器輸出轉(zhuǎn)換成高電平，下拉管M1、M2導(dǎo)通，比較器反向端電壓被拉低，電容經(jīng)過延時(shí)后開始放電，比較器的正向輸入端電壓開始下降，但是此時(shí)正向輸入電壓還是大于反向，比較器輸出高電平，電容繼續(xù)放電。當(dāng)電容兩端電壓降到方向輸入端電壓以下后比較器輸出低電平，下拉N管截止，電容C1又開始被充電，此后電路將重復(fù)上述過程，比較器輸出脈沖信號。通過改變電阻R1和電容C1的大小來調(diào)整比較器輸出脈沖信號的頻率和占空比以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)頻率CK端口電路的仿真結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果驗(yàn)證了以上對CK端口電路工作過程的分析，從比較器的輸出信號來看也基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 系統(tǒng)頻率CK端口電路最終調(diào)試仿真結(jié)果

2.2 觸摸端口電路的設(shè)計(jì)仿真

觸摸端端口電路的設(shè)計(jì)不僅要求輸出脈沖，而且外界觸摸的前后輸出的脈沖頻率要發(fā)生變化，芯片就是利用這一變化來完成調(diào)光控制功能的。因此在電路設(shè)計(jì)過程中要考慮如何來模擬觸摸后的變化。電路的設(shè)計(jì)主要還是利用模擬CMOS電壓比較器來完成脈沖的產(chǎn)生，具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示，V1為芯片電源電壓。

圖5 觸摸端口電路

根據(jù)電路圖所示，在外界沒有觸摸的情況下，比較器正向輸入電壓VX是電容C1兩端的電壓，反向輸入端電壓是由電阻分壓得來。電路上電以后由于比較器同向端電壓小于反向端電壓，因此比較器輸出低電平，經(jīng)過兩級反向器后PMOS管M2導(dǎo)通，NMOS管M3、M1截止，電源VCC通過電阻R4對電容C1充電，此時(shí)比較器正向輸入電壓VX不斷增大。當(dāng)VX大于反向端VR時(shí)，比較器輸出轉(zhuǎn)變成高電平，此時(shí)P管M2截止，N管M1、M3導(dǎo)通，電容C1通過電阻R4對地放電，比較器正向輸入端電壓VX開始減小，并且反向端電壓VR由于M1導(dǎo)通而下降，但此時(shí)VX仍然大于VR，比較器繼續(xù)輸出高電平，電容C1將繼續(xù)對地放電。一直到VX下降到小于VR時(shí)，比較器輸出由高電平轉(zhuǎn)變成低電平，N管M1、M3截止，比較器反向輸入電壓VR升高，P管M2導(dǎo)通，電容C1又開始被電源經(jīng)過電阻R4充電，以后將重復(fù)以上過程，比較器輸出脈沖信號。通過改變電阻R4和電容C1的取值可以調(diào)整比較器輸出脈沖的信號。通過仿真調(diào)試得出觸摸前符合芯片要求的LD50信號的仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果中算出LD50是頻率為3.15MHz占空比為0.667低電平延時(shí)為0.4μs的脈沖信號。

圖6 人體觸摸前后觸摸端口電路最終調(diào)試仿真結(jié)果

在外界對觸摸端觸摸時(shí)，人體內(nèi)的電荷積累到電容C2上，電路一上電時(shí)由于VX小于VR，所以比較器輸出低電平，M2導(dǎo)通，此時(shí)電源經(jīng)過R4對電容C1 充電，同時(shí)電容C2上的電荷通過R1也向電容C1充電，VX電壓增大。當(dāng)VX大于VR后，比較器輸出高電平，此時(shí)M3導(dǎo)通，C1通過R4對地放電，而且C1通過R1和人體向大地放電，VX電壓降低，當(dāng)VX電壓降低到VR以下后比較器又輸出低電平，以后將重復(fù)此過程。因此在人體觸摸芯片觸摸端口的那個(gè)瞬間，充放電電容是C1和C2并聯(lián)后的電容，此時(shí)電容比觸摸前和觸摸后的電容量大，所以觸摸那一瞬間比較器輸出脈沖的頻率要比觸摸前和觸摸后的小，仿真結(jié)果如圖7所示。從仿真結(jié)果上看比較器輸出端信號LD50是3.01MHz占空比為0.663低電平延時(shí)為0.42us。由觸摸前后和觸摸時(shí)分別對觸摸端口電路的仿真結(jié)果表明芯片的觸摸端口電路的設(shè)計(jì)是符合設(shè)計(jì)要求的。

圖7 人體觸摸時(shí)觸摸端口電路最終調(diào)試仿真結(jié)果

2.3 工頻信號F1端口電路設(shè)計(jì)仿真

工頻信號端口電路的輸出的脈沖要與市電的頻率同步，所以要通過過零檢測電路來完成同步并且調(diào)?？煽毓璧膶?dǎo)通角。過零檢測技術(shù)即利用電路或門技術(shù)準(zhǔn)確檢測、準(zhǔn)確指出信號的過零點(diǎn)所在的位置。周期性正弦信號與水平坐標(biāo)軸的交點(diǎn)稱為信號的過零點(diǎn)，正弦波信號每個(gè)周期有兩個(gè)過零點(diǎn)，信號從負(fù)值通過零點(diǎn)到達(dá)正值，這次過零稱為正向過零，相應(yīng)的過零時(shí)刻稱為正向過零點(diǎn)。信號從正到負(fù)的過零則稱為負(fù)向過零，相應(yīng)的過零時(shí)刻稱為負(fù)向過零點(diǎn)。因?yàn)檎倚盘栐谶^零點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)為極大值，相位信息從正弦信號的過零點(diǎn)提取，可以大大的提高相位測量的靈敏度和精度。因此在電路設(shè)計(jì)上還是利用模擬CMOS電壓比較器來完成對工頻信號的過零檢測。具體的電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 工頻信號F1端口電路

比較器的正向輸入端是偏置電壓是3.1V頻率為60Hz的脈沖信號，而比較器反相端是受比較器輸出的反饋影響而形成的兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。當(dāng)比較器的正向端輸入電壓VX大于反向端輸入電壓VR時(shí)比較器輸出高電平，當(dāng)VX小于VR時(shí)比較器輸出低電平。比較器輸出信號波形如圖9所示，從圖中看出交流電每過一次零點(diǎn)輸出的電平就變換一次。保證了LD3信號與工頻交流電的同步。

圖9 工頻信號端口電路最終調(diào)試仿真結(jié)果

3 觸摸調(diào)光控制芯片的后仿真和測試

3.1 芯片后仿真

由于器件、互連線存在寄生電感，電容，電阻等，這些參數(shù)與工藝及版圖設(shè)計(jì)相關(guān)，只有在版圖完成后才能反映出來，因此電路級設(shè)計(jì)是無法將其考慮進(jìn)去的，在通常的版圖設(shè)計(jì)的物理驗(yàn)證完成后，通常需要對照電路設(shè)計(jì)的網(wǎng)表，將版圖中的寄生參數(shù)提取出來，反標(biāo)回電路相應(yīng)結(jié)點(diǎn)中去，再次進(jìn)行電路仿真，確定是否滿足電路性能要求，如果不滿足就要重新修改電路設(shè)計(jì)參數(shù)，修改版圖，再進(jìn)行參數(shù)提取直到仿真通過，這個(gè)過程就是后仿真。由于芯片的工作模式有5種，因此在后仿真時(shí)5種工作模式都要分別進(jìn)行仿真，本節(jié)僅以3段式工作模式為例來說明。

將電路的寄生參數(shù)反標(biāo)到電路的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)后對整體電路進(jìn)行后仿真，仿真結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出設(shè)計(jì)的電路是滿足功能設(shè)計(jì)要求的。

圖10 3段式調(diào)光控制模式后仿真結(jié)果

3.2 芯片的測試

芯片正常工作的時(shí)候TEST接口接低電平，但是芯片制造出來后需要功能測試，如果按照正常工作的條件進(jìn)行測試一個(gè)芯片至少需要14s，大批量流片至少有一萬片，這樣測試芯片最少要39h，大大地增加測試的成本，所以就在芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到這個(gè)問題，在流片測試時(shí)通過TEST接口給脈沖信號來加快芯片仿真速度，這樣就降低了芯片測試時(shí)間，降低芯片的成本。以下只對3段調(diào)光控制模式的芯片測試進(jìn)行說明。3段調(diào)光控制模式應(yīng)用的芯片測試如圖11所示。

圖11 三段調(diào)光控制模式應(yīng)用的芯片測試

從圖11中可以看到TEST信號每8個(gè)高脈沖后LC7就產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖信號。由于芯片測試過程中不需要對觸摸端的觸摸信號，因此TEST信號上的每8個(gè)高脈沖相當(dāng)于正常工作下的對觸摸端的一次有效觸摸。圖中輸出端信號AT在LC7信號的每一次高脈沖后輸出的脈沖占空比都會發(fā)生變化，這一結(jié)果說明此應(yīng)用3段調(diào)光控制模式的芯片功能上是正確的，而且明顯的縮短了芯片測試時(shí)間，降低了測試成本。

3.3 芯片測試結(jié)果

芯片流片采用0.5μm雙層鋁工藝，封裝形式為DIP8。芯片的典型應(yīng)用電路如圖12所示。

圖12 芯片應(yīng)用電路

調(diào)光模式選擇端口OPT1和OPT2的連接方式在芯片的封裝之前已經(jīng)確定了，具體的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。芯片的正常工作電壓為6.2V，輸入端漏電流為小于0.5μA，輸出電流小于5mA。通過對典型應(yīng)用電路的測試，芯片具備五種觸摸調(diào)光控制功能，均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 觸摸調(diào)光控制芯片工作模式

4 結(jié)論

本文針對一種應(yīng)用于家用照明亮度調(diào)節(jié)控制的芯片設(shè)計(jì)方案，完成了總體架構(gòu)設(shè)想到具體邏輯的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了過零檢測、系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生和觸摸控制等功能。通過芯片流片與測試，驗(yàn)證了電路具備5種工作模式的觸摸調(diào)光控制功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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