触摸调光控制芯片的设计与测试★

时间：2024-08-31

李加鹏，王鸿志，张东

（1 北京裕轩科微电子有限公司，北京 100088；2 北京自动测试技术研究所，北京 100088）

0 引言

20世纪中期，调光控制技术还停留在仅通过电阻或自耦变压器来实现，这种调光方式耗能比较大。到了20世纪60年代初，国际上出现可控硅器件，调光控制由机械控制转向电子和芯片控制，这样就降低了调光的能耗。

能够感应人体触摸的开关多年前就已出现，触摸灯利用的是人体电容特性。当触摸时人的身体增加了它的电容量，而调光控制芯片的电路可以检测出这一微弱信号量的变化，然后将这一变化送到芯片的内部电路，经过电路的整形、放大与运算，最终输出控制信号来完成对灯光亮度调节的控制功能。于是本文提出一种触摸调光控制芯片，芯片的输出驱动可控硅来调节家用照明的亮度，达到节能的目的。

1 触摸调光控制芯片内部电路结构与仿真

1.1 总体结构

触摸调光控制芯片的主要功能就是每当外部对其触摸端进行有效触摸后，在它的输出端输出的脉冲的占空比发生变化，外围可控硅[1]利用这一变化来调节灯光的亮度。经过详细研读各相关资料后，采用了模块化设计思想，提出了如图1所示的触摸调光控制芯片的结构。图1为本设计片的总体框图，其中包括了芯片的顶层端口信号，信号的描述如表1所示。

图1 调光控制芯片结构示意图

表1 触摸调光控制芯片端口

1.2 芯片的功能

（a）一段调光控制模式

灯只有开和关两个状态，因此称为芯片的一段式应用。

（b）3段调光控制模式

灯有3个可调亮度，因此称为芯片的三段式应用。

（c）3段延时调光控制模式

灯有3个可调亮度，但关状态有延时，因此称为芯片的3段延时应用。

（d）4段调光控制模式

灯有4个可调亮度，因此称为芯片的四段式应用。

（e）4段延时调光控制模式

灯有4个可调亮度，但关状态有延时，因此称为芯片的4段延时应用。

1.3 系统级电路功能仿真

通过modelsim[2]仿真软件对芯片内部电路进行仿真，验证芯片电路的整体功能。由于触摸调光控制芯片会有5种不同的工作模式，因此本文选择4段调光工作模式来进行仿真验证说明。

芯片4段调光控制模式的应用是在触摸端的前4次触摸后芯片的输出端AT信号的脉冲频率不变占空比逐渐变大，可控硅的导通角[3]逐渐变小，流过灯的电流逐渐变大，因此灯的亮度是逐级增大的。第5次触摸后芯片的输出变成低电平，此时可控硅截止，灯熄灭。由于输出时利用的是逻辑运算模块的 4段式应用，所以 LF45=1、LE23=1、LE25=0、LE28=0，经过对电路各个激励的调试后仿真结果如图2所示，从结果中可以看出电路的设计具备4段调光控制的功能。

2 芯片端口部分的电路设计仿真

根据电路功能仿真时对输入激励频率的调试，将调试的结果作为芯片端口[4]模拟电路设计的目标，根据内部数字电路对输入信号的要求来设计端口电路。由于内部电路的的输入信号LD50、LD3、LA32都是脉冲，所以系统频率输入端口CK、工频信号输入端口F1、触摸端口SCKI和SCKO均采用两级运放[5]模拟CMOS电压比较器来产生脉冲输出。本节主要采用Pspice[6-7]模拟仿真软件对芯片的3个主要的端口系统时钟端口CK、工频端口F1、触摸端口SCKI和SCKO的设计进行仿真验证。

2.1 系统时钟CK端口电路设计仿真

由芯片功能仿真可知系统时钟CK端口输出LA32的信号是700kHz频率占空比为0.004低电平延时为2.1μs的脉冲，因此电路设计利用比较器来产生脉冲的输出，具体的设计电路如图3所示，V1为芯片的电源电压，U1是模拟CMOS电压比较器[8]，C1是芯片内部的栅电容，M1和M2为下拉N管，R1是芯片外围可调电阻，R5、R6、R7都是芯片内部阱电阻[9]。

图3 系统时钟CK端口电路

根据电路图所示，当芯片上电后，外接直流电源V1通过电阻R1给内部栅电容C1充电，此时比较器的正向输入端电压VX小于反向端VR，比较器输出低电平，两个下拉N管都截止，电容C1继续充电，电容的充电时间跟电阻R1有关，电阻R1越大，电容C1的充电越慢。当电容C1两端电压大于比较器反向输入端电压时，比较器输出转换成高电平，下拉管M1、M2导通，比较器反向端电压被拉低，电容经过延时后开始放电，比较器的正向输入端电压开始下降，但是此时正向输入电压还是大于反向，比较器输出高电平，电容继续放电。当电容两端电压降到方向输入端电压以下后比较器输出低电平，下拉N管截止，电容C1又开始被充电，此后电路将重复上述过程，比较器输出脉冲信号。通过改变电阻R1和电容C1的大小来调整比较器输出脉冲信号的频率和占空比以达到设计要求。系统频率CK端口电路的仿真结果如图4所示。仿真结果验证了以上对CK端口电路工作过程的分析，从比较器的输出信号来看也基本满足设计要求。

图4 系统频率CK端口电路最终调试仿真结果

2.2 触摸端口电路的设计仿真

触摸端端口电路的设计不仅要求输出脉冲，而且外界触摸的前后输出的脉冲频率要发生变化，芯片就是利用这一变化来完成调光控制功能的。因此在电路设计过程中要考虑如何来模拟触摸后的变化。电路的设计主要还是利用模拟CMOS电压比较器来完成脉冲的产生，具体电路设计如图5所示，V1为芯片电源电压。

图5 触摸端口电路

根据电路图所示，在外界没有触摸的情况下，比较器正向输入电压VX是电容C1两端的电压，反向输入端电压是由电阻分压得来。电路上电以后由于比较器同向端电压小于反向端电压，因此比较器输出低电平，经过两级反向器后PMOS管M2导通，NMOS管M3、M1截止，电源VCC通过电阻R4对电容C1充电，此时比较器正向输入电压VX不断增大。当VX大于反向端VR时，比较器输出转变成高电平，此时P管M2截止，N管M1、M3导通，电容C1通过电阻R4对地放电，比较器正向输入端电压VX开始减小，并且反向端电压VR由于M1导通而下降，但此时VX仍然大于VR，比较器继续输出高电平，电容C1将继续对地放电。一直到VX下降到小于VR时，比较器输出由高电平转变成低电平，N管M1、M3截止，比较器反向输入电压VR升高，P管M2导通，电容C1又开始被电源经过电阻R4充电，以后将重复以上过程，比较器输出脉冲信号。通过改变电阻R4和电容C1的取值可以调整比较器输出脉冲的信号。通过仿真调试得出触摸前符合芯片要求的LD50信号的仿真结果如图6所示。从仿真结果中算出LD50是频率为3.15MHz占空比为0.667低电平延时为0.4μs的脉冲信号。

图6 人体触摸前后触摸端口电路最终调试仿真结果

在外界对触摸端触摸时，人体内的电荷积累到电容C2上，电路一上电时由于VX小于VR，所以比较器输出低电平，M2导通，此时电源经过R4对电容C1 充电，同时电容C2上的电荷通过R1也向电容C1充电，VX电压增大。当VX大于VR后，比较器输出高电平，此时M3导通，C1通过R4对地放电，而且C1通过R1和人体向大地放电，VX电压降低，当VX电压降低到VR以下后比较器又输出低电平，以后将重复此过程。因此在人体触摸芯片触摸端口的那个瞬间，充放电电容是C1和C2并联后的电容，此时电容比触摸前和触摸后的电容量大，所以触摸那一瞬间比较器输出脉冲的频率要比触摸前和触摸后的小，仿真结果如图7所示。从仿真结果上看比较器输出端信号LD50是3.01MHz占空比为0.663低电平延时为0.42us。由触摸前后和触摸时分别对触摸端口电路的仿真结果表明芯片的触摸端口电路的设计是符合设计要求的。

图7 人体触摸时触摸端口电路最终调试仿真结果

2.3 工频信号F1端口电路设计仿真

工频信号端口电路的输出的脉冲要与市电的频率同步，所以要通过过零检测电路来完成同步并且调校可控硅的导通角。过零检测技术即利用电路或门技术准确检测、准确指出信号的过零点所在的位置。周期性正弦信号与水平坐标轴的交点称为信号的过零点，正弦波信号每个周期有两个过零点，信号从负值通过零点到达正值，这次过零称为正向过零，相应的过零时刻称为正向过零点。信号从正到负的过零则称为负向过零，相应的过零时刻称为负向过零点。因为正弦信号在过零点处的导数为极大值，相位信息从正弦信号的过零点提取，可以大大的提高相位测量的灵敏度和精度。因此在电路设计上还是利用模拟CMOS电压比较器来完成对工频信号的过零检测。具体的电路设计如图8所示。

图8 工频信号F1端口电路

比较器的正向输入端是偏置电压是3.1V频率为60Hz的脉冲信号，而比较器反相端是受比较器输出的反馈影响而形成的两个基准电压。当比较器的正向端输入电压VX大于反向端输入电压VR时比较器输出高电平，当VX小于VR时比较器输出低电平。比较器输出信号波形如图9所示，从图中看出交流电每过一次零点输出的电平就变换一次。保证了LD3信号与工频交流电的同步。

图9 工频信号端口电路最终调试仿真结果

3 触摸调光控制芯片的后仿真和测试

3.1 芯片后仿真

由于器件、互连线存在寄生电感，电容，电阻等，这些参数与工艺及版图设计相关，只有在版图完成后才能反映出来，因此电路级设计是无法将其考虑进去的，在通常的版图设计的物理验证完成后，通常需要对照电路设计的网表，将版图中的寄生参数提取出来，反标回电路相应结点中去，再次进行电路仿真，确定是否满足电路性能要求，如果不满足就要重新修改电路设计参数，修改版图，再进行参数提取直到仿真通过，这个过程就是后仿真。由于芯片的工作模式有5种，因此在后仿真时5种工作模式都要分别进行仿真，本节仅以3段式工作模式为例来说明。

将电路的寄生参数反标到电路的相应节点后对整体电路进行后仿真，仿真结果如图10所示，从图中可以看出设计的电路是满足功能设计要求的。

图10 3段式调光控制模式后仿真结果

3.2 芯片的测试

芯片正常工作的时候TEST接口接低电平，但是芯片制造出来后需要功能测试，如果按照正常工作的条件进行测试一个芯片至少需要14s，大批量流片至少有一万片，这样测试芯片最少要39h，大大地增加测试的成本，所以就在芯片设计的时候考虑到这个问题，在流片测试时通过TEST接口给脉冲信号来加快芯片仿真速度，这样就降低了芯片测试时间，降低芯片的成本。以下只对3段调光控制模式的芯片测试进行说明。3段调光控制模式应用的芯片测试如图11所示。

图11 三段调光控制模式应用的芯片测试

从图11中可以看到TEST信号每8个高脉冲后LC7就产生一个触发脉冲信号。由于芯片测试过程中不需要对触摸端的触摸信号，因此TEST信号上的每8个高脉冲相当于正常工作下的对触摸端的一次有效触摸。图中输出端信号AT在LC7信号的每一次高脉冲后输出的脉冲占空比都会发生变化，这一结果说明此应用3段调光控制模式的芯片功能上是正确的，而且明显的缩短了芯片测试时间，降低了测试成本。