摘要 摘要 隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電源管理電路也積極地向著高集成度、高性 價比、高效率等方向努力發(fā)展。薄一輕一超小型電源模塊與裝置以及高效節(jié)能低污 染的綠色電源產(chǎn)品將是2 1 世紀的主流產(chǎn)品。本文基于升壓型開關穩(wěn)壓器原理， 采用c m o s 工藝，設計研制出一種高穩(wěn)定性，低功耗，并且具有較高轉(zhuǎn)換效率的以 恒定電流來驅(qū)動白光l e d 升壓型d c d c 變換器。 該變換器能利用一節(jié)鋰電池來驅(qū)動兩個到七個串聯(lián)的l e d 。采用l e d 串聯(lián)連接 的方法可以提供相等的l e d 電流，從而能獲得均勻的亮度而無需鎮(zhèn)流電阻器。其 中i c 的開關頻率為1 2 m h z ，因而允許采用小巧的外部組件。由于可使用數(shù)值為 0 2 2 | lf 的輸出電容器，因此，與其它的解決方案相比，外圍組件在占用p c b 空間 和成本上均有所節(jié)省。9 5 m y 反饋電壓最大限度地降低了電流調(diào)節(jié)電阻器的功耗， 從而提高了效率。 本文首先根據(jù)d c d c 轉(zhuǎn)換的基本原理，給出理論依據(jù)。然后根據(jù)功能需要進 行了變換器的總體結(jié)構(gòu)設計。再對電路的所有子模塊電路進行了詳細分析，借助設 計軟件h s p i c e 對子模塊電路進行了完整的設計和模擬仿真，給出了合理的電路數(shù) 據(jù)，各子模塊電路的電特性參數(shù)均達到或優(yōu)于設計所需指標。最后，對整體電路 進行了整體仿真，模擬結(jié)果表明該電路完成了設計功能、達到了預先制定的設計 指標，最后電路進行了版圖設計及驗證，并且進行了流片及d e b u g 測試。 關鍵詞：升壓型開關穩(wěn)壓器電流模式斜率補償環(huán)路穩(wěn)定 a b s t r a c t a l o n gw i 也t h eh i ：g hs p e e dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c s ，p o w e rs u p p l y m a n a g e m e n tc i r c u i ti sa l s op r o g r e s s i v e l yf a c i n gh i 曲i n t e g r a t i o n , h i g hp r i c ea b i l i t yr a t i o a n dt h eh i g h - e f f i c i e n c ye t c t h ed e v i c et h a ti ss ot h i n , s ol i g h ta n ds os m a l ls c a l ea n dt h e “g r e e n p r o d u c tw i t hh i g he f f i c i e n c y , h i g he n e r g ys a v i n ga n dl o wp o l l u t i n gw i l lb e p o p u l a ri n2 1s tc e n t u r y a c c o r d n gt ot h eb o o s ts w i t c h i n gr e g u l a t o ra n dt h ec m o s p r o c e s s i n g ，t h i st e x tt e l l su sh o w t od e s i g nad c d cb o o s tc o n v e r t e rt h a ti sw i t hh i g h s t a b i l i t y , l o wc o n s u m i n ga n dh i g h 艦u s f e re f f i c i e n c yt od r i v ew h i t el e d sw i t hc o n s t a n t c u r r e n t t h i sr e g u l a t o rc a l ld r i v et w ot os e v e nw h i t el e d sw i t ho n el i t h i u mb a t t e r y w ec a n g e te q u a ll e dc u r r e n tb yu s eo fs e r i e sl e d s a n dt h e nw ec a ng e tu n i f o r mb r i g h t w i t h o u tu s i n go fr e s i s t o r s a m o n gt h e m ，t h ei cs w i t c h i n gf r e q u e n c yi s 1 2m h z ，a sa r e s u l ty o ua r ea l l o w e dt oa d o p ts m a l l e re x t e r i o rm o d u l e b e c a u s eo f u s i n g0 2 2 u fo u t p u t c a p a c i t o r , t h e r e f o r ec o m p a r e dw i t ht h eo t h e rs o l u t i o n s ，t h eo u t e rc i r c l em o d u l et a k e su p m o r el i t t l ep c bs p a c ea n dt h e nh a sm o r el i t t l ec o s t t h e9 5m vf e e d b a c kv o l t a g e l o w e r e dt h ec o n s u m i n go ft h er e s i s t o rt h a tc a l lr e g u l a t et h el e d sc u r r e n t t h r o u g ht h a t w ec a na c h i e v eh i 曲e f f i c i e n c y f i r s tt h i st e x tg i v e so u tt h et h e o r i e sf o u n d a t i o nb yu s i n go ft h eb a s i cd c d c c o n v e r t e rp r i n c i p l e t h e nt h et e x tg i v e so u tt h et o t a ls t r u c t u r ed e s i g no fc o n v e r t e r a c c o r d i n gt ot h en e e do ff u n c t i o n a tl a s tw eh a v ead e t a i l e da n a l y s i st oa l lt h es u b c i r c u i t a n dt h e nw eu s et h eh s p i c et os i m u l a t ea n dd e s i g na l lt h es u b c i r e u i ti na l lw a y r e a s o n a b l ed a t aa leg i v e no u tb yt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n , a n dt h i sm a k e sa l lt h e s u b c i r c u i tp a r a m e t e rb e t t e rt h a nn e e d e d a n dt h e nw es i m u l a t et h ec i r c u i ti na 1 1 t h e r e s u l ti n i t i a t e st h a tm ec i r c u i th a sf i n i s h e dt h ef u n c t i o no fd e s i g n ，a n dd r a w su pi n a d v a n c eo ft h es e to fd e s i g n a n dt h e nw ec a r r yo nt h el a y o u tv e r i f i c a t i o n ，a n dt a p eo u t , a n dh a v et e s t e dt h ec i r c u i tt og i v eo u tad e b u gr e s u l t b o o s ts w i t c h i n gr e g u l a t o rc u r r e n tm o d es l o p ec o m p e n s a t i o nl o o p s t a b i l i z a t i o n 西安電子科技大學 學位論叟咧剖性( 或創(chuàng)新性) 聲明 秉承學校嚴謹?shù)膶W風和優(yōu)良的科學道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在 導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標 注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果；也不包含為獲得西安電子科技大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說 明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處， 本人簽名。斗 本人承擔一切的法律責任。 日期盈呈：! ：壟 西安電子科技大學 關于論文使用授權的說明 本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬西安電子科技大學。學校有權保 留送交論文的復印件，允許查閱和借閱論文；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi) 容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存論文。同時本人保證，畢業(yè)后 結(jié)合學位論文研究課題再攥寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學位論文屬于保蜜，在解密后適 本人簽名：i 綹 導師簽名：瓷斗 用本授權書。 日期壟墨：! ：竺 日期盤芝! ! 叢7 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究w l e d 驅(qū)動電路的意義 白光發(fā)光二極管( w h i t el i g h t - e m l t t i n gd i o d e ；w l e d ，也經(jīng)常寫成： w h i t el e d ，w l e d ) 在電子照明領域發(fā)展迅速，應用面越來越廣，例如汽 車的方向輔助燈、初級數(shù)碼相機的閃光燈、汽車的主照燈等，w l e d 還有一 項熱門的應用，即l c d 的背光源，以取代以往的冷陰極燈管( c c f l ) 。 隨著便攜式彩色l c d 顯示屏的產(chǎn)品的發(fā)展及產(chǎn)量的猛增，使新型w l e d 驅(qū)動器如雨后春筍般上市，品種之多及數(shù)量之大使w l e d 驅(qū)動器已形成電源 i c 中的一個分支。 隨著亮度增加和價格降低，白光l e d 在通用照明領域的市場潛力越來越大。 自光l e d 在通用照明產(chǎn)業(yè)的使用，將對國家或地區(qū)的能源策略和環(huán)保策略產(chǎn)生積 極的影響。 白光l e d 具有體積小，使用可進行平面封裝，或根據(jù)使用環(huán)境或狀況使用多 顆或進行多種組合，并且具有發(fā)熱量低，發(fā)光壽命長( 5 萬小時以上) 、不易破，極 具耐震與耐沖擊性，可在較惡劣的情況下使用等特性。自光l e d 發(fā)光效率高，省 電、無熱幅射、不含水銀等重金屬，無污染及廢棄物處理問題等眾多優(yōu)點，被視 為”綠色照明光源”的明日之星，在不久的將來，將取代目前為照明市場的主流白熾 燈泡及螢( 日) 光燈。自光l e d 照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將影響到一個國家和地區(qū)的能源戰(zhàn) 略和環(huán)保戰(zhàn)略，因此，各個國家紛紛進行將l e d 半導體照明產(chǎn)業(yè)列為國家重大發(fā) 展項目進行支持，我國臺灣地區(qū)也投入巨資進行研究和開發(fā)。國際性大公司如g e 、 西門子、飛利浦、葺冉手、惠普等都已積極投入白光l e d 的研發(fā)工作。 白光l e d 的市場，是l e d 業(yè)界最被看好的具有強大潛力的照明光源市場。根 據(jù)f r o s t & s u l l i v a n 的預估顯示，全球照明光源市場平均每年以5 的成長率穩(wěn)定爬 升；其中，白光l e d 較易進入的是白熾燈泡及螢光燈市場，此兩項產(chǎn)品是民用照 明最普及的光源，未來白光l e d 的市場潛力可說是相當?shù)木薮蟆?我國是僅次于美國的第二大發(fā)電大國，2 0 0 2 年我國發(fā)電總量為1 6 5 萬億千瓦 時，其中1 3 4 萬億千瓦時( 8 0 ) 為火力發(fā)電，燃燒大量的原煤和石油，產(chǎn)生大量 的粉塵和s o 、c 0 2 等氣體，環(huán)境污染嚴重。照明用電量已超過1 5 0 0 億千瓦時，占 總發(fā)電量的1 0 - 1 2 ( 發(fā)達國家占2 0 左右) ，大大超過三峽水力發(fā)電站年總發(fā)電 量8 4 0 億千瓦時。我國是一個能源相對緊缺的國家，特別是華南，華東，華北更 是缺電，所以在我國發(fā)展白光l e d 對于可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。 白光l e d 驅(qū)動集成電路設計 在現(xiàn)階段，白光l e d 的應用，在照明方面，主要是供汽車內(nèi)閱讀燈、裝飾燈 等使用，其余約有9 5 以上是供小尺寸l c d 背光源使用。 1 白光l e d 市場以彩色手機之屏幕背光源的市場為最大 雖然白光l e d 使用壽命最高可達十萬小時，但是必須在低電流的環(huán)境下操作， 目前該產(chǎn)品主要是供小尺寸背光源使用，就各應用市場來看，由于彩色屏幕手機 需要搭配白光l e d 為背光源，而彩屏手機在未來幾年成為手機市場的發(fā)展趨勢， 根據(jù)業(yè)界對彩屏手機的市場預測，2 0 0 4 年彩色手機比例約四成，2 0 0 5 年則預估將 達5 5 至6 0 ，如以彩屏手機一年需求量約4 5 億支及屏幕用背光源需2 _ 4 顆白光 l e d 來估計，彩色手機用屏幕背光源一年需求約5 1 0 億顆，另外，由于白光l e d 已開始應用于手機及數(shù)字相機的閃光燈，今年手機及數(shù)字相機比重約1 5 ，明年 則預計將提升至2 0 ，如以閃光燈約需3 _ 4 顆估，則一年需求量約4 億顆。其次， 在p d a 及數(shù)字相機用背光源方面，根據(jù)臺灣工研院經(jīng)資中心預估值來看，p d a 在 2 0 0 3 年的出貨量約2 5 0 0 萬臺，每臺約使用6 8 顆白光l e d 來估算，約需5 0 0 0 萬 顆；若以數(shù)碼相機來看，全球2 0 0 3 年數(shù)字相機出貨量約3 0 0 0 萬臺，以每臺使用 4 6 顆估，需求量約2 億顆左右。以此來看，白光l e d 需求仍將以彩屏手機背光 源市場為主。 2 白光l e d 目前以小尺寸l c d 背光源為主 冷陰極熒光燈( c c f l ) 相較于其它背光源技術具有亮度較亮且發(fā)光效率高的 優(yōu)點，但在小尺寸l c d 方面，對背光源的尺寸要求比較嚴格，但由于制造小管徑 的冷陰極熒光燈技術難度較高，成本也無太大優(yōu)勢，因此冷陰極熒光燈多使用于4 時以上的顯示器( 而一般手機用屏幕尺寸多在1 5 時至2 2 時間，數(shù)碼相機因輕薄考 慮，尺寸也在此之間) ，在大尺寸l c d 背光源方面，現(xiàn)階段冷陰極熒光燈在大尺寸 所需之輝度及價格方面具有絕對優(yōu)勢，因此在大尺寸的l c d 背光源采用冷陰極熒 光燈。因此，白光l e d 作為l c d 背光源與以冷陰極熒光燈作為l c d 背光源的分 界點在于，小尺寸l c d 多使用白光l e d ，大、中尺寸l c d ( 如l c d 顯示屏，l c d t v ) 則多使用冷陰極熒光燈，如白光l e d 的亮度提高、成本進一步改善，則在大 尺寸l c d 方面，白光l e d 將替換冷陰極熒光燈作為背光源使用。如此一項，考 慮到大尺寸l c d 在p c 和t v 方面的市場潛力，作為大尺寸l c d 背光源的白光l e d 需求量是十分驚人的。 3 白光l e d 市場最大的是通用照明市場 業(yè)界對白光l e d 市場最看好的是通用照明市場，現(xiàn)階段白光l e d 發(fā)光效率已 可達3 0 1 m w ( 普通的白熾燈泡發(fā)光效率為1 5 1 m w ) ，但是，如果白光l e d 真正在 通用照明市場上占據(jù)一定的市場，需要白光l e d 發(fā)光的效率提升到6 0 1 0 0 1 m w 時方有機會，從發(fā)光效率來看，白光l e d 一旦超過6 0 1 m w 后( 相當于2 0 w 日光 燈) ，在照明市場便可開始普及化，若能將效率提升至8 0 l m w ，則將普及到一般家 第一章緒論 3 一 庭各式燈具。但白光l e d 要真正占據(jù)通用照明市場，除了發(fā)光效率及功率仍有極 大的改善外，成本也是非常重要的因素，在發(fā)光效率與成本比率上，2 0 0 1 年白光 l e d 的成本約l 美元l m ，2 0 0 2 年降至0 1 美元l m ，如果能將成本降至0 0 1 美元l m ， 因白光l e d 屬于綠色環(huán)保能源，則預計將有可完全取代現(xiàn)有通用照明的大多數(shù)市 場。 熒光燈相對較省電，但廢氣中有汞氣污染、電磁污染、熒光燈管容易老化、 使用壽命短、怕振動、易碎等問題。白熾鎢絲燈泡具有安裝簡便，低效率、高耗 電、壽命短、易碎。高壓鈉燈燈具有成本高，安裝、維護困難，效率低、耗電高、 壽命短。所有這此照明器材都在不同程度上對環(huán)境造成嚴重的污染。 l白光l e d 應用于照明比現(xiàn)行光源壽命將提高5 倍以上，可充分解決燈管含汞 的環(huán)保問題，故白光l e d 為一無污染的環(huán)保光源。白光l e d 燈具有體積小、發(fā)熱 量低( 沒有熱幅射) 、耗電量小( 低電壓、低電流起動) 、壽命長( 1 0 萬小時以上) 、 反應速度快( 可在高頻操作) 、環(huán)保( 耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污 染) 、可平面封裝易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點，沒有白熾燈泡耗電高、易碎及日 光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點，是符合環(huán)保理念的綠色光源。 因此對白光l e d 驅(qū)動集成電路的研究具有很大的現(xiàn)實和實用意義。 1 2國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀 如今，眾多的便攜電子產(chǎn)品均需要背景燈l e d 驅(qū)動器解決方案，其具有以下 特性：直流控制、高效率、p w m 調(diào)光、過壓保護、負載斷開、小型尺寸以及簡便 易用。本節(jié)將探討每種l e d 驅(qū)動器的特性以及實現(xiàn)這些特性的方法，最后將說明 具備每種特性的典型電路。 1 直流控制 l e d 是由電流驅(qū)動的器件，其亮度與正向電流呈比例關系。有兩種方法可以 控制正向電流。 第一種方法是采用l e dv - i 曲線來確定產(chǎn)生預期正向電流所需要向l e d 施加 的電壓。其實現(xiàn)方法一般采用一個電壓電源和一個鎮(zhèn)流電阻器。圖1 1 說明了這種 方法。如下所述，此方法有多項不足之處。l e d 正向電壓的任何變化都會導致l e d 電流的變化。如果額定正向電壓為3 6 v ，則圖1 1 中l(wèi) e d 的電流為2 0 m a 。如果 電壓變?yōu)? 0 v ，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到 1 4 m a 。正向電壓變化1 1 會導致更大的正向電流變化達3 0 。另外，根據(jù)可用 的輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。 4 一 白光l e d 驅(qū)動集成電路設計 鞠崢翻l 嘲黛，& i 獻期鰣 柏嵋啪。盱 。孺瓣、j ，? ， 圖1 - 1 ，帶鎮(zhèn)流電阻的電壓電源導致效率降低和正向電流失配 第二種方法、也是首選的l e d 電流調(diào)整方法是利用恒流電源來驅(qū)動l e d 。恒 流電源可消除正向電壓變化所導致的電流變化。因此無論正向電流如何變化均可 產(chǎn)生恒定的l e d 亮度。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調(diào)整通過電流檢測電阻器的 電壓，而不用調(diào)整電源的輸出電壓。圖1 2 說明了這種方法。電源參考電壓和電流 檢測電阻器值決定了l e d 電流。在驅(qū)動多個l e d 時，只需把它們串聯(lián)就可以在每 個l e d 中實現(xiàn)恒定電流。驅(qū)動并聯(lián)l e d 需要在每個l e d 串中放置一個鎮(zhèn)流電阻， 這會導致效率降低和電流失配。 始l | 呷嘲黼釜j 謄j 委_ l 誓曩0 0 毫 毛：i 。_ 。 i j - ：， i j ：_ ： ，i w 圖1 2 ，驅(qū)動l e d 的恒流電源 2 高效率 攜帶型應用中電池使用壽命是至關重要的。l e d 驅(qū)動器如果實用，就必須具 備高效性。l e d 驅(qū)動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測 量的定義是輸出功率除以輸入功率。而對于l e d 驅(qū)動器來說，輸出功率并非相關 參數(shù)。重要的是產(chǎn)生預期l e d 亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使l e d 功率除以輸入功率來確定。請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器 中的功耗會導致電源功率耗散。通過公式1 1 ，我們可以看出較小的電流傳感電壓 會產(chǎn)生較高效率的l e d 驅(qū)動器。還說明了較低的電流傳感電壓電源更為有效，無 論輸入電壓或l e d 電流如何，只要其它條件相同，較低的參考電壓都可以提高效 率并延長電池的使用壽命。 。觥o?一 1 0 立0 第一章緒論 助婦嘩= f - = f 垡i - 廣一 ( 1 1 ) ” 。，乙+ r “嬲+ 毛驄r 商歷蹈椒隰 、 此公式說明了低的電流檢測電阻器損耗的重要性 3 線性調(diào)光和p w m 調(diào)光 許多攜帶型l e d 應用都需要進行光度調(diào)節(jié)。在l c d 背光等應用中，調(diào)光功 能可提供亮度及對比度調(diào)節(jié)。我們可采用兩種調(diào)光方法：線性與p w m 。利用線性 調(diào)光，通過控制反饋電壓為原先的5 0 可實現(xiàn)5 0 的亮度。p w m 調(diào)光，在5 0 占空比時加滿電流可達到5 0 亮度。為確保人的肉眼看不到閃動，p w m 信號的頻 率必須高于1 0 0 h z 。最大p w m 頻率取決于電源啟動與響應時間。為提供最大的靈 活性以及集成簡易性，l e d 驅(qū)動器應能夠接受高達5 0 k h z 的p w m 頻率( 因驅(qū)動 電路而不同) 。 4 過壓保護 在恒流模式中操作電源需要采用過壓保護功能。無論負載為多少，恒流電源 都可產(chǎn)生恒定輸出電流。如果負載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。這 就是電源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過大的負載電阻，或者負載斷開 的話，輸出電壓可提高到超出i c 或其它分立電路組件的額定電壓范圍。恒流l e d 驅(qū)動器可采用多種過壓保護方法。其中一個方法是使齊納二極管與l e d 并聯(lián)。這 種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過壓條件下， 輸出電壓會提高到齊納擊穿點并開始傳導。輸出電流會通過齊納二極管，然后通 過電流檢測電阻器接地。在齊納二極管限制最大輸出情況下電源可連續(xù)產(chǎn)生恒定 的輸出電流。更佳的過壓保護方法是監(jiān)控輸出電壓并在達到過壓分界點時關閉電 源。如果出現(xiàn)故障，在過壓條件下關斷電源可降低功耗并延長電池使用壽命。 5 負載斷開 l e d 驅(qū)動電源中一個經(jīng)常被忽視的功能是負載斷開。在電源失效時負載斷開 功能可以把l e d 從電源斷開。這種功能在下列兩種情況下至關重要，即斷電和 p w m 調(diào)光。在升壓轉(zhuǎn)換器斷電期間，負載仍然通過電感器和二極管與輸入電壓連 接。由于輸入電壓仍然與l e d 連接，即使電源已經(jīng)失效，就會繼續(xù)產(chǎn)生一個小電 流。即使很小的泄漏電流也會在很長的空閑期間極大縮短電池壽命。負載斷開在 p w l v l 調(diào)光時也很重要。在p w m 空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然 與l e d 連接。如果沒有負載斷開功能，輸出電容器會通過l e d 放電，直到p w m 脈沖再次打開電源。由于電容器在每個p w m 循環(huán)開始都部分放電，一次電源必須 在每個p w m 循環(huán)開始時給輸出電容器充電。因此會在每個p w m 循環(huán)產(chǎn)生突入電 流脈沖。突入電流會降低系統(tǒng)效率并在輸入總線上產(chǎn)生瞬時電壓。而如果具有負 載斷開功能，l e d 就會從電路斷開，這樣，在電源失效時就不會存在泄漏電流， 6 一 自光l e d 驅(qū)動集成電路設計 而且在p w m 調(diào)光循環(huán)之間輸出電容器都是充滿的。實施負載斷開電路時最好在 l e d 和電流傳感電阻器之間放置一個m o s f e t 。在電流傳感電阻器和接地之間放 置m o s f e t 會產(chǎn)生一個附加壓降，其在輸出電流設定點會把自身顯示為一個差錯。 6 小尺寸 小尺寸是攜帶型電路的一個重要特性。電路組件的尺寸受多種因素的影響。 其中一個因素是切換頻率。高切換頻率允許采用小型無源組件。用于便攜應用的 現(xiàn)代l e d 驅(qū)動器應能夠以高達1 m h z 頻率切換。由于切換頻率并不能明顯縮小電 路尺寸，而且較高的切換損耗會降低效率和縮短電池壽命，所以建議切換頻率一 般不超過1 m h z 。把各種功能集成到控制i c 是實現(xiàn)小型驅(qū)動解決方案的一個最重 要的因素。如果上述所有功能都通過分離的組件實現(xiàn)的話，它們所需要的電路板 空間將超出電源自身占用的空間。把它們集成到控制i c 可大大縮小整體驅(qū)動器尺 寸。功能集成的第二個同樣重要優(yōu)勢是可以降低解決方案總成本。如果分步執(zhí)行 的話，l e d 驅(qū)動器中所有預期功能會導致每額外個別成本增加0 6 0 0 7 0 美元。 而當集成到控制i c 時，這些功能只會增加i c 成本0 1 0 , - 一0 1 5 美元。 1 3恒定電流驅(qū)動的理由 白光l e d 使用恒定電流驅(qū)動的理由主要兩項： 1 白光l e d 的光度是以正向電流規(guī)范 白光l e d 的正向電壓通常被規(guī)范成( 2 0 m a 時，最小為3 0 v ，最大為4 0 v ) ，換 言之若單純施加一定的正向電壓時，正向電流會作大范圍的變化。由于白光l e d 的光度與色度是以定電流方式量測，為獲得預期的亮度與色度，所以通常是用定 電流驅(qū)動。 2 避免正向電流超越容許電流值 有關白光l e d 的可靠性，基本上就是需設法避免正向電流超過白光l e d 的最大設 計值。如圖1 3 所示白光l e d 的定格最大正向電流為3 0 m a ，隨著周圍溫度的上 升，容許正向電流則持續(xù)衰減，如果周圍溫度為5 0 的話，通常正向電流就不能 超過2 0 m a 。此外利用定電壓的驅(qū)動方式不易控制流入l e d 的電流值，因此無法 維持l e d 的可靠性。 第一章緒論 圖1 - 3 ，白光l e d 的絕對最大正向電流 m a 】設計值與周圍溫度互動關系 1 4 全文簡要介紹 7 - 本章主要介紹了白光l e d 的好處，以及其前景和現(xiàn)在的普及情況，并在后面 的介紹中說明了使用恒流驅(qū)動自光l e d 的原因。 第二章為電路工作原理與整體結(jié)構(gòu)設計。結(jié)合具體電路要求，設計了滿足電 路技術指標的整體框架圖，并詳述其工作機理。 第三章中，對整體電路及各子模塊電路進行了結(jié)構(gòu)設計、原理分析、功能仿 真及量化仿真。針對仿真結(jié)果，結(jié)合電路設計具體要求進行分析。 第四章介紹了電流模式控制器中比較常見的問題一諧波振蕩及其解決方法。 詳細闡述了斜率補償?shù)墓ぷ髟?，及在具體電路一本電路的參數(shù)設計方法。 第五章闡述了如何實現(xiàn)電路的系統(tǒng)穩(wěn)定方法。其中介紹了電路穩(wěn)定的條件， 如何設計誤差放大器以使電路穩(wěn)定；最后應用電路仿真軟件進行整體電路的仿真 分析，使各子模塊電路與整體電路的電特性參數(shù)達到設計要求。 第六章根據(jù)工藝線上版圖設計規(guī)則，按照合理的布局完成對版圖的設計，并 做了相關的d r c 和l v s 等版圖驗證。 綜上所述，本文主要設計了一個專為以恒定電流來驅(qū)動白光l e d 而設計的升 壓型d c d c 變換器。該器件能利用一節(jié)鋰電池來驅(qū)動兩個到七個串聯(lián)的l e d 。采用 l e d 串聯(lián)連接的方法可以提供相等的l e d 電流，從而能獲得均勻的亮度而無需鎮(zhèn)流 電阻器。其中i c 的開關頻率為1 2 m n z ，因而允許采用小巧的外部組件。由于可使 用數(shù)值為0 2 2 | lf 的輸出電容器，因此，與其它的解決方案相比，外圍組件在占 用p c b 空間和成本上均有所節(jié)省。9 5 m v 反饋電壓最大限度地降低了電流調(diào)節(jié)電阻 器的功耗，從而提高了效率。為保證電路的正常工作，還設計了相關的過壓，過 沖以及過流保護等電路。應用h s p i c e 仿真軟件對整體及各子模塊進行功能和量化 自光l e d 驅(qū)動集成電路設計 仿真。在整個電路的設計中作者本人的主要工作為：整體電路結(jié)構(gòu)的設計、子模 塊電路的設計及后期的測試，d e b u g 等。 第二章d c d c 變換 第二章d c d c 變換 2 1 基本的d c d c 變換 9 便攜式產(chǎn)品的電源芯片一般為d c d c 變換器，根據(jù)不同的工作原理，可以將 其分為以下三類： ( 1 ) 線性穩(wěn)壓電源( 三端穩(wěn)壓器、l d o 、v l d o 等) ( 2 ) 開關穩(wěn)壓電源( 升壓變換器b o o s t 、降壓變換器b u c k 、降壓升壓變換 器b u c k - b o o s t ) ( 3 ) 電荷泵電源 他們的性能如下表所示： 表2 - i 電源芯片的性能比較 淤 線性穩(wěn)壓電源開關穩(wěn)壓電源電荷泵電源 性能 電磁干擾( 噪聲)小大 中 效率低大中 功耗 小 大 中 價格便宜較貴中等 封裝 一般較大一般較小中等 輸出電流較小較大較小 其中開關穩(wěn)壓電源由于其封裝較小，輸出電流大，而贏得廣大客戶的青睞。 下面著重介紹開關穩(wěn)壓電源。 2 1 1 降壓變換器b u c k 薩每：亍1 _ l：兩 l 亍y o； 圖2 1 ，典型b u c k 開關型穩(wěn)壓器的一般結(jié)構(gòu) 1 0 白光l e d 驅(qū)動集成電路設計 i q 0 m 0 兒 0 廠廠 t 圖2 - 2 ，典型b u c k 開關型穩(wěn)壓器的電流波形 圖2 1 為典型b u c k 開關型穩(wěn)壓器的一般結(jié)構(gòu)。 開關組件q 1 的開和關由方波驅(qū)動電路給出的開關率可調(diào)( 占空比控制) 的信 號來控制。 q l 導通時，a 點的電壓將上升到電源電壓。穩(wěn)態(tài)條件下，v i v o 的正向電 壓加在串聯(lián)電感線圈l l 上，q 1 導通期間該電感線圈中的電流線性增長。電流波 形如圖2 2 所示。 q 1 關斷時，電感線圈試圖維持正向電流恒定，a 點的電壓快速變負( 通過正 常的反激作用) ，直n - 極管d l 導通。l 1 中的電流繼續(xù)按原方向繞著二極管回路 流動?？墒怯捎陔姼芯€圈l 1 兩端的電壓已經(jīng)反向( v o 加上二極管反向壓降) ，在 關斷期間l 1 中的電流將線性減小到原來值。 為維持穩(wěn)態(tài)條件，正向時( q 1 導通時) 加到電感線圈的輸入伏秒必須等于反 向時( q 1 關斷時) 所加的輸出伏秒。因此輸出電壓由輸入電壓和導通與關斷的比 率來確定。 經(jīng)驗證，q 1 導通時，加在l l 上的伏秒是 ( f i v o ) 宰 ( 2 - 1 ) q 1 關斷時，二極管導通，加在l l 上的伏秒是 f o ( 2 2 ) 因此為滿足l 1 上的伏秒相等( 忽略損耗) ( 玎一v o ) = f o 宰 ( 2 - 3 ) 所以f o = f i * ( 二鯉_ )( 2 - 4 ) 、+ 第二章d c d c 變換 式中v i 為輸入電壓，v o 為輸出電壓，t o n 為q 1 導通時間，t o f fq 1 關斷時間。 其比率瓦i 笛磊定義為占空比。，于孳前面6 1 勺等式可簡寫成 vo=玎d(2-5) 由于d 不能大于l ，從上面的等式可以清楚的看到，在b u c k 調(diào)整器中，輸出電壓 必須總是小于所加的輸入電壓。 由于l 1 和d 1 上的功率損耗非常小，并且q 1 工作于低損耗的飽和導通狀態(tài)或 高阻的關斷狀態(tài)，故該d c 交換器的效率特別高。 2 1 2 升壓變換器b o o s t 圖2 3 ，典型b o o s t 開關型穩(wěn)壓器的一般結(jié)構(gòu) 0 m 0 1 i 0 r。r t 、! 圖2 _ 4 ，典型b o o s t 開關型穩(wěn)壓器的電流波形 圖2 3 為典型b o o s t 開關型穩(wěn)壓器的一般結(jié)構(gòu)。工作原理如下： q 1 導通時，電源電壓加在串聯(lián)電感線圈l 1 上。穩(wěn)態(tài)條件下，l 1 中的電流正 1 2 白光l e d 驅(qū)動集成電路設計 向線性增長。整流二極管d l 反向偏置且不導通。同時( 穩(wěn)態(tài)條件下) ，電流從輸 出電容器c l 流向負載。因此c l 放電。電流波形如圖2 - 4 所示。 q 1 關斷時，l 1 中的電流繼續(xù)同方向流動并使a 點電壓為正。當a 點電壓超 過電容器c l 上的輸出電壓時，整流二極管d 1 將導通，電感線圈中的電流傳遞到 輸出電容器和負載。由于輸出電壓超過電源電壓，在q l 關斷期間，l 1 將反向偏 置，l 1 中的電流將向著它原來的值線性減小。 b o o s t 調(diào)整器的優(yōu)點，輸入電流是連續(xù)的( 雖然此處將有取決于電感l(wèi) 1 的值 的紋波成份) ，因此需要較小的輸入濾波，消除了由輸入濾波器引起的不穩(wěn)定因素。 為維持穩(wěn)態(tài)條件，加到l 1 兩端的正向和反向伏秒必須相等。輸出電壓v o 由 功率開關的占空比和輸入電壓來控制。 經(jīng)驗證( 滿足l 1 上的伏秒相等) ， 玎= ( v o 一玎) 掌 ( 2 6 ) 所以g o = 玎( 地半) ( 2 - 7 ) 1 0 f f 但是 警= 擊= 萬1 ( 2 - 8 )lo即lo 。 因此陽：旦 ( 2 9 ) d 從該方程式可以看出輸出電壓與負載電流無關( 忽略損耗) 。通常l 1 值的選擇是 要保證臨界電流低于所需要的最小負載電流。同時，l 1 在最大負載和最大導通時 間時不能飽和。 2 1 3 其它類型變換器 b u c k - b o o s t 電路，是將b u c k 電路和b o o s t 電路組合而成的，這里就不再介 紹。而其它類型的電路，也是這三種基本電路的衍生。 2 2開關穩(wěn)壓電源的基本控制方式 2 2 1 基本控制方式 1 脈寬調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，縮寫為p w m ) 。其 特點是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。因開關周期也是固定的， 這就為設計濾波電路提供了方便。其特點是受功率開關最小導通時間的限制，對 輸出電源不能做寬范圍的調(diào)節(jié)；另外輸出端一般要接假負載，以防止空載時輸出高 第二章d c d c 變換 1 3 電壓。目前，集成開關電源大多采用p w m 方式。 2 脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制( p u l s ef r o q u c n c ym o d u l a t i o n ，縮寫為 p 蹦) 。它是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比的。在電路設計上 要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓頻率轉(zhuǎn)換 器( 例如壓控振蕩器v c o ) 改變頻率。其穩(wěn)壓原理是：當輸出電壓升高時， 控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，降低。p f m 式開 關電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負載。 3 混合調(diào)制方式，指脈沖寬度與脈沖頻率均不固定，彼此都能改變的方式， 它屬于p w m 和p f m 的混合方式。由于t o n 和t 均可調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍 最寬，適合供實驗室使用的輸出電壓可以寬度范圍調(diào)節(jié)的開關電源。 2 2 2p w m 的基本控制原理及應用 在各種控制電路中，功率開關器件是控制的核心，p w m 是通過控制開關的導 通時間，以得到幅值相等，而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需 波形。而且通過對脈沖寬度的調(diào)制，可以改變輸出電路的電壓大小，也可改變輸 出頻率。 p w m 控制變換電路幾乎可以應用于所有的逆變主電路的拓撲形式，如推挽 式、半橋式、全橋式、b u c k 、b o o s t 、b u c k - b o o s t 、隔離式、非隔離式等等。 p w m 控制芯片的簡單原理可表示為圖2 5 中的原理及波形： 隊 豢童曩 i l il l i l llili 慧震囂r 門l 廠廣u 一廠廣山 戢nl 幾：幾： 曩攫 ili 1li1ii i廣 !n !r a b 圖2 5 ：p w m 集成控制器的原理及波形 此結(jié)構(gòu)分為信號采集( i ) 、脈寬調(diào)制( i i ) 、和輸出驅(qū)動( i i i ) 三個部分。 1 4 白光l e d 驅(qū)動集成電路設計 在信號采集部分，通過對電壓或電流信號的探測取樣，再與基準信號比較，將比 較結(jié)果輸出。在脈寬調(diào)制部分，首先在芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個固定頻率的三角波( 或 鋸齒波) ，一路直接送到觸發(fā)器形成方波，另一路與信號采集過來的信號相互比較， 以取代所需的正確脈沖寬度送到輸出級。最后輸出驅(qū)動可以將正確的脈沖寬度與 觸發(fā)器的輸出信號相乘，分別獲得正相和反相輸出。同時在集成控制芯片的內(nèi)部 還設計有完善的過流、過壓、過溫等保護電路。 2 3開關穩(wěn)壓電源的工作模式 0 0 圖2 - 6 工作在連續(xù)模式的電感電流波形圖2 - 7 工作在非連續(xù)模式的電感電流波形 穩(wěn)壓電源根據(jù)其電感電流的連續(xù)性可分為非連續(xù)工作模式d c m 和連續(xù)工作模 式c c m 。 由2 1 節(jié)的介紹我們可以知道，電感若處在臨界狀態(tài)以上，其電流是連續(xù)的， 故稱為連續(xù)工作模式；若處在臨界狀態(tài)以下，其電流是非連續(xù)的，故稱為非連續(xù) 工作模式，如圖2 6 ，2 7 所示。 2 4開關穩(wěn)壓電源的饋電模式 2 4 1電流模式拓撲和電壓模式拓撲 電流模式拓撲有兩個反饋環(huán)，一個是檢測輸出電壓的電壓外環(huán)，一個是檢測 開關管電流且具有逐周期限流功能的電流內(nèi)環(huán)。這種方式可以解決推挽電路的偏 磁問題，因而它得到了更廣泛的應用。此外，由于開關管的電流波形峰值恒定， 也簡化了反饋環(huán)路的設計。 而電壓型拓撲的輸出電壓都是被單獨檢測和直接控制的。在這些電路中，對 負載電流變化的調(diào)整過程是：電流變化引起輸出電壓的微小變化，而誤差放大器 會檢測這些變化并且調(diào)節(jié)開關管的導通時間以保持輸出電壓恒定，但電壓型拓撲 并不直接檢測輸出電流。 第二章d c d c 變換 2 4 2電壓饋電拓撲和電流饋電拓撲 1 5 電壓饋電拓撲是指使用內(nèi)阻很小的電壓源向拓撲供電。在開關管不正?；蚱?它器件不正常的情況下，該類輸入電源是無法限制電流的。 電流饋電拓撲經(jīng)過一個輸入電感來注入能量。電路的輸入是一個高內(nèi)阻的電 流源( 輸入電感) ，而不是低內(nèi)阻的整流濾波電容或電池。這種通過輸入電感形成 的高內(nèi)阻電流源可有效解決推挽變換器的偏磁問題。 2 5小結(jié) 本章簡要概述了基本的d c d c 變換器以及詳細敘述了開關穩(wěn)壓電源中的升壓 變換器b o o s t 、降壓變換器b u c k ；然后介紹了開關穩(wěn)壓電源的基本控制方式， 敘述了p w m 控制方式的控制原理，以及開關穩(wěn)壓電源的工作模式和饋電模式，讓 我們對開關穩(wěn)壓電源有一個大體的了解。 第三章功能模塊的設計 第三章功能模塊的設計 3 1電路的整體設計基本要求 1 7 本電路是專為以恒定電流來驅(qū)動白光l e d 而設計的升壓型d c d c 變換器。該 器件能利用一節(jié)鋰電池來驅(qū)動兩個到七個串聯(lián)的l e d 。采用l e d 串聯(lián)連接的方法可 以提供相等的l e d 電流，從而能獲得均勻的亮度而無需鎮(zhèn)流電阻器。 電路采用p 咖控制方式，其開關頻率為1 2 m h z ，因而允許采用小巧的外部組 件。由于可使用數(shù)值為0 2 2uf 的輸出電容器，因此，與其它的解決方案相比， 外圍組件在占用p c b 空間和成本上均有所節(jié)省。 電路的輸入電壓為2 5 v 5 5 v ，最大占空比高達9 0 ，可以驅(qū)動1 0 顆w l e d 串聯(lián)( 3 3 v ) 。電路工作電壓饋電拓撲中的電流模式，其電感電流工作在連續(xù)狀態(tài)。 9 5 m v 反饋電壓最大限度地降低了電流調(diào)節(jié)電阻器的功耗，從而提高了效率， 其工作效率高達8 5 以上。 3 2電路的典型應用 圖3 - i ，電路的典型應用 電路中l(wèi) e d 的電流是受反饋電阻r 1 的大小決定的，其具體算法如下公式： r 1 = 9 5 m v i l e d( 3 1 ) 表i - i ，典型l e d 的電流與反饋電阻對應圖 i l e d ( m a )r 1 ( q ) 51 9 0 1 09 5 0 1 27 9 1 1 56 3 3 2 04 7 5 白光l e d 驅(qū)動集成電路設計 3 3模塊結(jié)構(gòu) 結(jié)合電路的設計要求，采用p w m 控制的升壓型開關穩(wěn)壓電源。于是電路主要 由以下幾部分組成：使能控制，基準參考源，振蕩器，斜波產(chǎn)生器，誤差放大器， p w m 比較器，過壓過流過沖保護模塊，以及最后的驅(qū)動模塊。 其整體結(jié)構(gòu)圖如圖3 - 2 所示： 圖3 2 ，電路整體結(jié)構(gòu)圖 該電源管理芯片采用s o t 2 3 6 封裝，有6 個外部引腳，分別是t 輸入電源電 壓引腳v i n ，使能控制引腳s h d n ，過壓保護引腳o v p ，電壓反饋引腳f b ，功率 管輸出引腳s w 和地引腳g n d 。通過這幾個引腳把i c 接入電路中，便可以實現(xiàn)電 路對輸出w l e d 上的電流的控制。 3 4 模塊簡述 1 基準參考源( r e f e 砒烈c eb l o c k ) 基準參考源模塊用于產(chǎn)生參考電壓9 5 m v 、1 2 7 m v 、1 1 8 v ，這些電壓是隨溫 度、電源電壓變化很小的電壓，用于其它模塊作為參考。同時基準參考源模塊也 產(chǎn)生p t a t 電流作為其它模塊工作的偏置電流。 第三章功能模塊的設計 1 9 2 使能控制( s h d nb l o c k ) 使能控制模塊用于產(chǎn)生使能控制信號e n ，當$ h d n 為低時，i c 關閉，不正 作，靜態(tài)消耗電流極低。當s h d n 為高時，i c 正常工作。s h d n 內(nèi)置下拉電阻1 5 0 k ， 因此當s h d n 懸空時，i c 處于關閉狀態(tài)。 3 振蕩器( o s cb l o c k ) 振蕩器模塊用于產(chǎn)生時鐘信號c l k 及復位信號r e s e t ，信號振蕩頻率典型值 1 2 m h z ，c l k 藥d u t yc y c l e 略小于0 5 ，而r e s e t 信號的d u t yc y c l e 則力0 0 8 左右，可以使功率管的導通d u t yc y c l e 達到9 0 以上。 4 。斜波