（微电子学与固体电子学专业论文）一种白光led驱动器的设计研究.pdf

摘要 摘要 当前，电源管理市场正在世界范围特别是中国国内快速成长。其中，随着便 携式设备的大量普及，用于其背光l e d 驱动的产品正成为增长最快的电源管理类 产品之一。论文正是在这种背景下，来源于与台湾某公司的横向合作项目。 论文设计了一种可用于便携式设备背光l e d 驱动的电流控制模式d c d c 单片 开关电源芯片。电路的电源输入在3 v 5 v 变化，采用b 0 0 s t 电路结构升压，在极 限情况下最多可驱动七个白光l e d ，由于l e d 串联，因此各l e d 电流完全匹配，亮 度一至。输出电流0 i i l a 2 0 1 1 1 a 可调。电路与少量的外围器件搭配之后，即可对串 联l e d 驱动供电。通过各种不同的外围应用电路能实现短路保护、软起动及四种 调光控制方式，应用非常灵活。通过精心设计和工艺支持，采用标准b j t 工艺和 典型结构器件，只用了数十个晶体管就完成了所有电路，在确保芯片体积小、成 本低的同时，保证了电路足够高的效率，效率最高可达8 4 。 在本论文中，作者首先介绍了电源管理产品、特别是白光l e d 的应用、发展 与前景，并具体介绍了开关电源技术的结构，接下来阐述电流控制模式单片开关 电源以及其斜坡补偿的基本结构、工作原理及其优缺点。根据具体使用要求进行 了电路的总体结构及应用电路设计，采用典型的电流模式p w m 控制器的结构，将 整体电路划分为七个模块。接下来在此基础上完成了各个子电路的电路结构的设 计及相关重要参数的分析、计算。 采用国外著名厂商提供的相应的标准b j t 工艺制程模型，利用h s d i c e 对各子 模块进行了仿真验证，确保其在不同电源及温度下达到各指标设计要求。对整体 应用电路也进行了仿真验证，由第四章给出的仿真结果可知，在各个不同的应用 条件及环境下整体电路功能正常，电路的各项指标均满足设计要求。 电路的最终流片将采用标准b j t 工艺，共有纵向n p n 、横向p n p 、基区扩散 电阻和结电容四种器件结构，在最后的第五章，对工艺和以上四种器件结构作了 一定介绍和分析，并结合了版图设计分析了部分设计要点。 关键词：开关电源，l e d 驱动，电流控制模式，p w m a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ec u r r e n tm a r k e to fp o w c ri m l n a g e m e n tp r o d l 姒si s 伊0 、航n g1 甲v e r yf a s ta 1 1o v e r t h c 、v o d d ，e s p e c i a l l yi nc h i n a t h e “v e ro fm ew l l i t el e d sf o rd i s p i a yb a c k l i 曲t i n g b e c o m e so n eo f t l l ef 奴e s tg r o w i n gk i n d so f p o w e rm a n a g e m e n tp m d u c t sw i t ht l l e 、v i d e u s eo fp o r t a b l ef 如i l i t i e s 1 1 1 i sd i s s e n a t i o nt l l e r e f o r ec o m e sf 如mt h ep r o j e c tc o o p e r a t e d 、i t hat h i w a l lc o m p a l l yi n “sc i r c u m s t a n c e t l l i sd i s s e n a t i o nd e s i g i l sac u r r e n tm o d es 、v i t c h m gr e g l l l a t o ru s e di 1 1 “v i n gw h j t e l e d sf o rd i s p l a yb a c k l i g h t i n go fv 耐e t yo fp o r t a b l ef k i l i 廿e s t h eo u t s i d eo ft h i sc h i p a d o p t sb o o s t s 仇l c t u r et o “v eu pt os e v e nw h i t el e d s 砌1t h ei n p u tv o l t a g er a | 1 9 i n g 丘o m3 vt o5v s e r i e sc o n n e c t i o no f t l l el e d sp r o v i d e si d e n t i c a ll e dc u n _ e n tr c s u l t i n g i n 砌f o mb 趔l 恤e s s t h e 呻u tc l l 玎e mi sa d j u s t a b l e 舶mo m at o2 0 m a c o l l l l e c t i n g w i t hd i 虢r e mp e r i p h e r a ld e v i c e s ，t h ec i r c l l i tc a i la l s oh a v e 也e 如l c t i o n so fs h o r tc i r c u i t p r o t e c t i o n ，s o f ts t a na 1 1 df o wk i n d so fd i 唧i n gc o n 订0 1 w i mc a r e 砌d e s i g na i l d 廿l e s u p p o r to fm ep r o c e s s ，也ec i r c u i tc a n b ea c c o m p l i s h e d 、i t h i no i l l yt e n so ft r a n s i s t o r s ， m es t a i l d a r db j t p r o c e s sa n d 恤t y p i c a ld c v i c e s 黜a v a i l a b l e t h u si t ss i z ei ss m a l l m e a n w h i l ei t se m c i e n c yg e t se n o u g hg u a r a n t e e ，u pt o8 4 a tm o s t i nt l l ed i s s e n a t i o n ，t l l em m l o rf i r s d yi i l 仃o d u c et 1 1 ea p p l i c a t i o n ，d e v e l o p m e ma n d m t t l r eo fp o w e rm a l l a g e m e mp m d u c t s ，e s p e c i a l l yw h i t eu 王d sd r i v e r ，s p e c i 母t h et 1 1 e o 吼 b i cs t n l c n h ea n da d v 眦a g e so f 也ec u r r e n tm o d es w i t c k n gr e g m a t o ra n di t ss l o p e c o m p e n s a t i o n t h ed e s i g no ft 1 1 ew h o l ec t l i pt o p o l o g ya 1 1 d 也ea p p l i c a t i o nc i r c u i ti s c a r r i e do u ta tt 1 1 er e q u e s to ft l l es p e c i f i cu s ea n dt l l ec i r c u i ti n t r o d u c e st h e 即i c a l s 仇l c t l l l eo fc u r r c mm o d ep w mc o n n d l l e rt os e v e ns u b - b l o c k s t h e nt l l et 叩o l o g yo f e v e r ys u b - b l o c ka r e 趾a l y z e da n d l er e l a t i v ei m p o r t a i l tp a m m e t e r sa r ec a l c u l a t c d e v e r ys u b - b l o c kh a sb e e ns i m u l a t e db yh s p i c ew i mas t a n d a r db j tp r o c e s sm o d e l p r o v i d e db yaf 缸o u sf o r e i g nf o u n d l yt 0e n s u r em e e t i n g 廿l er e q l l i r e m e ma td i 丘 c r e m s u p p l yv o l t a g ea n dt e m p e m t i l r e t h ew h o l ec 王l i ps i m l l l a t i o ni sa l s ot a k e n ，a ss e e ni n c h a p t e r4 ， t 1 1 ec i r c l l i tr u n sw e l ll | 1 1 d c rd i 髓r e n t a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n sa i l d c i r c 啪s t a n c e s ，m ep e r f o m a n c em e e t st l l er e q l l i r e m e n t n l ec i r c u i t 、v i l lb e 协p e do u t1 l l r o u g l lm es t 觚d a r db j t p r o c e s s ，f o l l rk i n d so f t t a b s t m c t d e v i c e sa r ea v a i l a b l e ：v e n i c a ln p n ，l a t e r a jp n p ，b a s er e s i s t o ra i l dj u n c t i o nc a p a c i t o r s o 掰e 涵岛黝礤o na b o u t 垃l ep r o c e s sa n d 也ed e v i c e s 拄羚g i v e ni nc h a p 瞬5 ，协w 蜓c h s o m en o t e s 曲o u t 也el a y o u ta r ea l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：s w i t c m n gr e g u l a t o r ，l e dd r i v e r ，o 【i r r e n tm o d e ，p w m i 猹剖性声嗣 本入声琵掰呈交的学位论文是本人在导舞攒导下遴行醵磷究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标没和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰筠过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 冬我一嗣工箨靛露恚对本研究所傲麓茌餐燹献均已在论文中锋了翡 确的说明并表承谢意。 签名：鑫逅 嗣期：年月臼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的瓶定，有权保留并向国家有关部门或税构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被套阕秘借舞。本人授权电子科技大学霹以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此撬定) 签名：差塾逢 导师签名：盈4 主量 日期：，卿f 年j 月矽日 第一章引言 第一章引言 1 1 电源管理技术的应用、发展与前景 电源管理产品广泛地应用于整个电子行业，是电子产品必不可少的组成部分 之一。电源管理市场正在世界范围特别是中国国内快速成长，赛迪顾问预测，2 0 0 6 2 0 1 0 年中国电源管理芯片市场规模复合增长率将达2 8 8 ，市场仍然将保持快 速发展的态势，电源管理产品仍将是集成电路产品中最为活跃的产品之一。 从应用领域来看，国内电源管理芯片市场主要分布在消费电子、网络通信、 计算机和工业控制等领域，而未来几年，中国半导体产业环境看好，十一五规划 已经明确要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展，未来利于集成 电路产业发展的政策还将继续推出；笔记本、l c d 显示器和数字电视等产品的正 快速增长；另外，中国3 g 牌照的颁发以及3 g 应用的推广，i p t v 和高清电视等方 面应用的普及，而且，随着国内产品结构的升级，新应用带来新需求，例如便携 产品就要求电压更低、集成度更高的产品，未来产品的结构升级还将继续，这些 因素都将刺激电源管理芯片市场的快速发展【i 】。 而目前国内电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位。其中 德州仪器( t i ) 是最大的供应商，2 0 0 5 年其电源管理芯片的销售额达到2 1 8 亿元， 其市场占有率为1 0 4 。中国本土电源管理芯片厂商起步较晚，虽然近年中小型设 计企业发展较快，但技术和市场都相对落后，中国要想在在电源管理芯片市场分 得一杯羹，任重而道远【2 】例。 而随着具备显著节能效益与技术潜力的高效率白光l e d 逐渐发展成为新时 代的照明主流1 4 j ，白光l e d 驱动器已成为电源管理产品中主要门类之一，高亮度 l e d 在2 0 0 4 年产值己达3 7 亿美元，较2 0 0 3 年成长1 4 ，已成为目前全球l e d 市场的主要成长动力。据预测，短期内白光l e d 市场将持续呈现线性增长，而2 0 l o 年后将呈现指数增长。白光l e d 驱动器的研究设计具有很高的学术和应用价值。 1 2 开关电源技术 目前市场上的白光l e d 驱动器主要可以分为并联驱动和串联驱动两种”。3 ，并 电子科技大学硕士学位论文 联驱动方式需要电荷泵控制i c ，由于并联驱动，不需要很高的输出电压，但需采 用额外的电路确保各l e d 电流误差在一定范围内。串联驱动方式需要开关电源进 行升压变换，需引入电感，串联方式保证了l e d 亮度的完全一至。本论文设计的 白光l e d 驱动器就将采用开关电源升压，驱动串联白光l e d 。 用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都 可以叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则就可 以称为开关电源。 d c d c 转换器是开关电源主要组成部分，因为它是转换的核心，涉及频率变 换，目前d c d c 变换中所用的频率提高最快。它在提高频率中碰到的开关过程、 损失机制，为提高效率而采用的方法，也可为其它转换方法。参考开关电源具有 高频率、高功率密度、高效率等优点，被称作高效节能电源。开关电源的功率器 件工作在开关状态，由于开关频率较高( 几十至几兆赫) ，利用体积很小的高频变 压器来实现电压变换及电网隔离，因此省掉了体积笨重且损耗较大的工频变压器， 从而达到减小整机体积重量、提高工作效率的目的。与普通线性稳压电源相比， 效率提高近一倍。目前生产的小功率开关电源，仍普遍采用脉冲宽度调制器( p w m ) 或脉冲频率调制器( p f m ) 专用集成电路。这类开关电源的主要缺点是集成度低、外 围电路复杂、稳定性较差、输出纹波较大。但单片开关电源的问世使这些问题得 到较好的解决，单片开关电源可以利用很少的外围器件实现高稳定度的电压、电 流输出，这样可以极大的缩小体积、减小成本，使其使用范围更为广泛。 从7 0 年代就开始了开关电源的研究开发和生产，中国在8 0 年代初也开始了开 关电源的研究工作。开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关 变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的增长率向着轻、小、 薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源根据实现功能可分为a c d c 和 d c d c 两个大类，d c d c 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外 均已成熟和标准化，并己得到用户的认可，但a c d c 的模块化，因其自身的特性使 得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。现在开关电源已经 在各种整机产品上得到了广泛的应用，其发展速度惊人，被广泛的应用在通信、 计算机、家用电子及其它各个电力电子相关行业里。 d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 斩波器的工作基本上有三种方法：第一，保持开关工作频率不变，即开关时间周 期五= 正) + 正w 保持恒定，控制开关导通时间常称为脉宽调制型，即p w m 型； 第二，保持开关导通时间( 或关断时间) 不变，改变工作频率常称为频率调制型， 第一章引言 即p f m 型( p u l s ef r e q u e n c ym o d i l l a t i o n ) ；第三，开关频率与导通时间均改变的混 合调制型。最常见的具体电路结构有b u c k 、b 0 0 s t 、b u c k b 0 0 s t 等几种9 川， 如下图1 1 所示： ( a ) b u c k ( c ) b u c k b o o s t 图1 1常见d c ，d c 变换电路结构图 1 3 电流模式p w m 控制技术 ( b ) b 0 0 s t p w m 控制技术主要有电压型和电流型两种，电压模式控制p w m 是6 0 年代 后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的 过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好地被广泛应用。电压模式控制只 有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的变 化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到 当时的脉冲宽度，这是一种单环控制系统。它有一些明显的缺点，如对输入电压 的变化动态响应较慢、补偿网络设计复杂等一些方面较为麻烦复杂。针对上述电 压型控制的缺点，最近十几年发展起来了电流型控制技术“，目前已得到了广泛应 用。 1 3 1 原理简介 电流模式p w m 控制的系统原理图如图卜2 所示： 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 电流模式p w m 控制系统原理图 如图所示，不同于只检测输出电压的电压控制模式，电流控制型开关变换器 增加了一个内环电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流 不再是一个独立变量，从而使开关变换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶 系统。当功率开关管开启，电感逐渐充电，其上的电流逐渐增大，并转化为电压 信号v c ，输出电压和某值的基准电压进行比较，产生误差放大信号v e a ，当v c 增 大到v e a 时，功率开关管关断，电感放电。这是非常典型的峰值电流控制模式， 因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但 是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，而平均电感电流大 小才是唯一决定输出电压大小的因素，接下来会有详细的论述。电流模式相比电 压模式有如下的优点： 1 ) 对输入电压变化响应快，抗干扰性能强。电源输入电压的变化，必然会引 起变压器初级电流上升的斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变 慢。但是只要电流脉冲达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度 发生改变，保证输出电压的稳定。在电压型控制电路中，检测电路对输入电压的变 化没有直接反应，要到输出电压发生一定变化后，一般要在数个周期后才能响应 输入电压的变化。 2 ) 逐脉冲控制，保护机制简化，控制环易于设计：如果需要实现过载或短路 等保护，电压型控制系统需要附加复杂的保护电路，这样电路的可靠性就得不到 保障；而电流型控制系统则具有天生的电流保护功能。在电流型开关电源中，由 于电流反馈环采用了直接的电感电流峰值检测技术，可以及时、灵敏地检测出输 出变压器或功率开关中的瞬态电流值，自然形成了逐个电流脉冲检测电路，可以 4 第一章；l 言 准确地限制流过功率管和变压器中的最大电流，从而在发生意外导致输出过载或 鬣潞对，能保护功率管藕变压器。西此，设计电流整开笑电源可不必给变匿器和 功率管留较大的余量，从而降低了开关电源成本。 3 ) 交惩器静磁通平衡；在半辑、全耩郛箍挽交换器牵，电疆整控制不能完全 克服偏磁现象，功率管的饱和压降和存储时间不可能完全相同，而且电路中还可 能存在其铯静不辩称因素，这穗不对称造成了葙邻开关确期静不平衡茯秒值，使 开关变压器产生偏磁。铁心饱和，并产生过大的开关管电流，降低了变流器效率， 蒸至烧毁开关警。电流羹控裁戳鑫动解决磁逶不平鬻静润蘧。这是霞为它翡内 部电流环能使电流脉冲宽度虽不同，但幅德肯定相同。 4 ) 强薅稳定豫好、受载嚷应块：毫滚型控翻露鞋看雩# 是一令爱输出藏蓬控麓 的电流源，而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为电感中 电流脉；串款堰蓬是与壹滚竣出毫浚熬平稳壤残毙壤夔，毽嚣毫惑瓣延迟终臻裁浚 有了。电流控制型和电压撩制型的开关电源相比肖许多优点，但冀本身也有缺点， 翅魄感峰馕电流与平均电流有误蓑；壹滚汗丽受羧谖整率较差。这些淘瑟缝大黧 分可以采取适当措施后得剿满意地解决，这就为电流型开关电源的普及和发展创 造了条件， 1 3 2 电流模式中的斜坡补偿 电流模式也脊一些缺点“，如图卜3 所示： 丫 ( b ) 匿l 一3( a ) 占空眈小于5 ；( b ) 占空陵夫予5 辨 由图可知，当占空比小于5 0 时，电感电流的扰动在一定的周期后可以减小 5 瓤子科技大学磺士学位论文 到零，而当占空比大于5 0 时，则电感电流的扰动会引起振荡。再如图1 4 所示； ，慕鼍 巨 竹 一乒 j i l a v l ? 1 、 图1 0 不同峰值电流下的平均电流 平均电感魄流楚唯一决定输出电压大小的因素。丽蜂僮电感电流的丈小不熊 与平均电感电流大小一一对威，因为在不同占空比的情况下，相同的峰值电感电 流的大小可以对艨不同的平均电感电流大小。 这些蠲题鄂瓣疆遂：蓬鼹坡李 褛豹方式激解决。絮圈l & l 。6 掰承，逶过在误 差信号上加上一个负的斜坡俯号( 或是给电流信号上加一个正的斜坡信号) ，可以 很容易的解决上述两个问题： 图l - 5 用斜坡补偿解决5 0 以上占空比时的振荡问题 图l - 6 用斜坡孙偿解决平均电流不等冉g 问题 舅绛，逶避辩坡 偿，逐胃戳静裁次谐波振荡、掷镪振铃电感滚滚、探裁毫 感缎波电流对电路的影响以及去除输出轻裁或空载时电源失控现象。 6 第一章引言 1 4 本文工作 随着近年来各种便携设备的广泛应用，各应用系统对电源的要求也越来越高。 特别是在当前构建节约社会的前提下，要求能尽量提高电池的使用时间，即提高 电源效率，同时要减小电源体积，以提高便携性等。 本文所设计电路就是在这种背景下的和公司的横向合作项目，要求设计一种 以恒定电流驱动白光l e d 的升压型d c d c 变换器，能应用在如蜂窝电话、数码 相机、m p 3 播放器等各种便携设备的背光l e d 驱动上。要求能在3 v 5 v 的电源电 压下以恒定电流驱动最多达7 个的串联白光l e d ，输出电流o i i l a 2 0 【f i a 可调；具 有结构简单，体积小、应用灵活和效率高等特点。 本文从系统的角度出发选择本电路所需的电路结构及应用环境，确定所需模 块功能及其参数指标，然后根据提出要求，详细分析设计各子电路并进行仿真验 证，再对整个系统电路进行功能验证和性能仿真，确定电路能满足设计要求。最 后，还对版图及器件结构中的一些问题进行了介绍和分析。 本文主要由以下几部分构成： 第一章：引言 第二章：电路总体结构及应用设计 第三章：子电路设计与仿真 第四章：整体电路仿真验证 第五章：工艺及版图设计简介 第六章：结论 电子科技大学硕士学位论文 第二章电路总体结构及应用设计 为了达到在上一章中提出的功能要求，本电路将采用电流模式p w m 控制的 b o o s t 结构。如上章介绍，电流控制模式与电压控制模式相比具有更高的效率、更 好的负载调整率及线性调整率，而且由于是一阶闭环系统，具有更好的稳定性及 更简单的设计方法，是目前在单片开关电源系统中常见的控制方式，广泛的应用 于各种电源管理系统中。而采用b o o s t 结构的d c d c 升压变换可以将l e d 串联使 用，自然可使流过每个l e d 的电流相等，从而使各个l e d 的亮度完全匹配，比起 另一种常见的l e d 驱动方式：电荷泵并联驱动方式，串联驱动的电流匹配度更高， 另外也不需要使用外接整流电阻。 2 1 单片开关电源基本结构 电路采用典型的电流模式p w m 控制器的结构，其典型应用图1 1 4 1 及其内部结 构框图【1 3 】分别如图2 1 、图2 2 所示： v i n 3 v 丁os v l 1 图2 1 典型应用图 c 2 o 2 2 虾 第二章电路总体结构及应用设计 转 图2 - 2 系统结构方框图 如图2 1 、2 - 2 所示，在典型应用中，将l e d 与外接电阻串联，电阻的压降引 入f b 反馈端，基准电压约为1 2 5 v ，经电阻分压得到9 5 m v ，反馈电压与其之差 输入误差放大器a l ，产生e a 误差放大信号，系统的环路补偿位于a 1 输出端的 r c 串联网络，误差放大信号馈入p w m 比较器a 2 的负端。由0 s c l l a t i o r 模块 产生时钟振荡信号，在每个振荡周期的低电平，s r 闭锁被设定，使得功率开关管 o l 导通。开关管到地串接了一个0 2 q 的电阻，开关电流经过该电阻产生一个电 压，该电压经过斜坡补偿后馈入p w m 比较器a 2 的正端。当该电压高于a 2 的负 输入的电平时，即系统的误差放大信号时，a 2 产生p w m 信号高电平，s r 闭锁被 复位，并关断功率开关管q 1 。a 2 的负输入电平由误差放大器a 1 决定，简单地说 就是将反馈电压与9 5 m v 的基准电压之差的放大信号。误差放大器以此来决定正 确的峰值电流电平，以保持输出稳定，如果误差放大器的输出增加，则有更多的 电流被传递至输出端，反之，如果误差放大器的输出减少，则传至输出端的电流 变少。 由于反馈电压为9 5 m v ，在图2 1 所示的典型应用中，l e d 电流可以通过设 定图2 1 中的外接电阻r 1 来决定，l e d 电流应为9 5 m v 瓜1 ，在2 2 2 节中还将介 绍其它四种调光方式。 实际的电路结构如图2 3 所示： 电子科技大学硕士学位论文 图2 3 实际电路结构框图 为方便分析，芯片可分为七个模块，以下对这七个模块作一个简单的介绍： ( 1 ) s h d n 模块：该模块为使能模块，当s h d n 为高电平时，输出信号为v 强 模块提供偏置电压，从而使整个芯片工作；当s h d n 为低电平时，输出高电平， 关闭v 砌弭模块，从而关断整个芯片。 ( 2 ) v 褂强模块：产生基准电压1 2 5 v 和给a 1 、a 2 、o s c s l o p e 提供偏置电压。 ( 3 ) o s c s l o p e 模块：产生时钟c l k 信号，低电平触发开启功率开关管。并在功 率开关管开启后产生斜坡补偿的s l o p e 信号。 ( 4 ) a 1 模块：将f b 端反馈电压与v r 】强分压得到的9 5 m v 进行比较放大，产生 系统的e a 信号a lo u t ，影响系统占空比。 ( 5 ) a 2 模块：将系统的e a 误差放大信号a l o u t 和经过斜坡补偿的电流检测 信号进行比较，比较的结果a 2o u t 输出到r s f f 模块，从而产生p w m 信号， 实现对开关b j t 的控制。 ( 6 ) r s f f 模块：该模块为r s 触发器，a 20 u t 信号输入r s 触发器r 端，c l k 信号输入r s 触发器s 端，r s 触发器q 端输出p w m 信号，c l k 信号为低电平时 开启功率管，当p w m 信号变为高电平时关断功率管。 ( 7 ) d i u v e r 模块：实现功能是驱动开关b j t 工作。当c l k 信号变为低电 平时，开关b j t 开启；当c l k 信号为高电平或c l k 信号为低电平且p w m 信号 为高电平时，开关b j t 关断。 具体的工作过程为：当s h d 咐信号为高电平时，s h d n 模块产生偏置信号v b ， 1 0 第二章电路总体结构及应用设计 使v r e f 模块产生基准电压1 2 5 v ，给a 1 、a 2 、o s c s l o p e 模块提供偏置电聪。 蹩个芯片开始工作。f b 反馈电聪与基准电压经魄阻分聪得到的9 5 m v 之差，由误 差放大器a l 产嫩e a 误差放大信号，馁入p w m 比较器a 2 的负端，在每个振荡 周期的c l k 低电平，s r 闭锁被设定，使得电源开关q l 导通。开关电流经过o 2 q 的电黻产生一个电压，该电压经过斜坡辛 偿屠馈入p w m 魄较器a 2 的正端。警 该电压高于a 2 的负输入的电平时，a 2 产生p w m 信号商电平，s r 闭锁被复位， 并关断电源开关。当s 猢n 信号为低电平潜，s 瑚) n 模块产生窬电平信譬v b ，往 v r e f 模块关闭，进而关闭整个芯片。 2 2 系统的应用电路 芯片内部并没有专门的开路保护电路、调光电路及软启动电路，通过灵活搭 建雏圈惫踌可以方便豹实凌上述凌戆。 2 2 。1 汗路保护 在输出开路的情况下，当l e d 与电路关断戚l e d 发生故障断路时，反馈电压 将变为零茯。芯冀蘧嚣终潋毫蠢空毙遴行并关攥偌，从嚣产生鬻竣基毫嚣，有碍 能导致s w 引脚电压过高击毁电路。为解决这一问题，如图2 4 所示，可以输出端 采用一个蹇纳二壤譬以黢制s w 弓| 脚上蜘电压。赛纳二级管电压就枣于l 秘串豹最 大正向电压。 l 圈2 4 具谢开路保护功能的媳型应用电路 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 调光控制 固定的外接r 1 电阻带来了固定的l e d 电流，为实现灵活的调光控制，可采用 以下四种方法： a 采用一个p w m 信号至删引脚 可利用加至删引脚的p w m 信号来接通和关断芯片，如图2 5 所示。 l v 瓣 3 ，了05 v p w m m c 融2 2 i i f 图2 5 采用圈丑) 端p w m 调光的典型应用图 l e d 可在零电流或满电流条件下工作。平均l e d 电流随p w m 信号的占空比 成正比例地增加。o 的占空比将关断芯片，与零l e d 电流相对应；1 0 0 的占空 比则对应于满电流。p w m 信号的典型频率范围为1 k h z 至1 0 k h z 。p w m 信号的幅 度应高于m 电压高时的最小值。 b 采用一个d c 电压 对于某些应用而言，亮度控制的优选方法是利用一个可变的d c 电压来调节 l e d 电流。如图2 6 所示用一个d c 电压进行的调光控制。 图2 6 利用d c 电压实现调光控制 随着d c 电压的升高，r 2 上的压降增加，而r 1 的压降减小。于是，l e d 电流 变小。r 2 和r 3 的选择将使来自可变d c 电源的电流远远小于l e d 电流，而又远远 大于f b 端的引脚偏置电流。对于o v 至2 v 的d c 电压范围，图2 6 中的电阻选择 1 2 第二章电路总体结构及应用设计 能够在0 1 i l a 至1 5 i i l a 的范围内调节l e d 电流来进行调光控制。l e d 电流与d c 电压的 对应公式为： 9 5 肌矿一丝! 垡二墅! 塑 k “1 卜剃 ( 2 c 采用一个滤波p w m 信号 滤波p w m 信号可被视为一个可调的d c 电压。在调光控制中，它能够被用来替 换可变d c 电压源。如图2 7 所示： 可得： 图2 - 8 采用逻辑信号进行调光控制 n m o s 关断时，可得到l e d 电流为9 5 m v r 1 ，n m o s 导通时，忽略其导通电阻， ，：兰三业堡! 墨丝2 蒯 屯m2 i 两面f 一删 2 2 3 软起动电路 ( 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论义 为了囊现最短的起勰延迟，芯片浓采用内部软起动电路。遗在没有采用外部 软超魂电路的惰猿下首次渡通，会涌入较大电流，可采矮懿图2 9 所示的较起动 电路： r 。 | -! 引 2 篁彝f ： i 门举| 餮 i1 融i ；胡 - - 一 ： 图2 - 9 软起动应用电路 第三章子电路设计与仿真 第三章子电路设计与仿真 以上分析确定了系统架构和各功能子电路，接下来对各个子电路进行详细的 分析设计以及仿真验证。由上章可知，本电路由如下功能模块构成：s h d n 、v r e f 、 o s cs l o p e 、a l 、a 2 、r s f f 和d r e r 等七个模块，以下分别给出相应的设计 过程。 3 ，1s h d n 模块 3 1 1 电路分析设计 s h d n 模块为控制模块，控制整个芯片工作与否。当田z w 为高电平时，输 出电压信号v b ，为v r 】强模块提供偏罱电压，使强f 模块正常工作，从而开启 整个芯片；当口m 为低电平时，输出v b 高电平，可关闭v r e f 模块，从而关 断整个芯片。设计电路结构如图3 1 所示： 图3 1s d n 模块电路图 图3 1s 如n 模块电路图 1 5 电子科技大学硕士学位论文 由图3 1 可以看出，肼圮w 为低电平时，图中所有晶体管处于关断状态，输 出信号v b 为电源电压。掰扛l 为高电平时，v b 可为v r e f 模块提供偏置电压， 使芯片正常工作，如下图所示： _ 1 ， ! 3 2 6 拿 24 s h d n r v b 。“ t mn 1 0 m 】 一 “ 图3 - 2s h 研q 模块输入、输出信号时序图 以圪、k 、k 和分别表示图3 1 中a 、b 、c 和d 四点的电压。 当丽历丽信号为高电平时，q n 2 8 、q n 2 9 、q n 3 0 和q p 2 5 导通： k ：一墨厶e x p 华 ( 3 - 1 1 ) 矿一矿 圪= 喙丽一马e x p 宁 ( 3 1 - 2 ) 厶唧半+ 厶唧警= 彘 协， 厶唧半= 岳 4 ， 圪、k 、k 和屹可由式( 3 1 1 ) 、( 3 一l - 2 ) 、( 3 1 3 ) 、( 3 1 _ 4 ) 求得。此时该 模块为v 砌蛋模块提供偏置电压v b 为： 凇= 删一l ，9 2 。马= 阳删一马e 印堡；生 ( 3 1 5 ) q p 2 5 的电流约为： b ：，咖坤半一孚 ( 3 - “) 3 1 2 仿真分析 由给v i 也f 模块产生的偏置电流约等于q p 2 5 的电流值，故s h d n 模块 仿真的主要对象是q p 2 5 的电流值在不同温度不同电压下随爵历而信号的变化。如 1 6 下图如 3 0 u 2 5 u 12 0 u 一 廿 看1 5 。 点l o u 5 u + 0 0l234s v 0 1 t exn i n ) h h d n ) 图3 - 3t e 咿= 2 5 ，v d d a = 3 v 、3 6 v 、5 v 时， ，妒z s 随面面i 变化仿真图 表3 1在t e 枷p = 一4 0 、2 5 、8 5 ，v d d a = 3 v 、3 6 v 、5 v 和 刷程) 卸4 v 、1 5 v 、3 v 时口p 2 5 数据表 单位：州 v d d a 3 v3 6 v5 v s h d n t = 一4 0 ot = 一4 0 0t = 一4 0 o 0 4 v 1 宅5 01 磁5 0 t = 2 5 0 t 8 5 0t = 8 5 0t = 8 5 0 r = 一4 0 o 4 7 6t = 一4 0 0 4 7 9t = 一4 0 0 4 8 6 1 5 vt ；2 5 2 6 7t = 2 5 2 6 7t = 2 5 26 8 r 士8 5 4 5 2r - 8 5 4 5 3 t = 8 5 4 5 4 1 k 一柏1 2 9t = 一4 0 1 2 9t = 一4 0 1 3 0 3 v t = 2 5 1 4 5t = 2 5 1 4 5 t = 2 5 1 45 t = 8 5 1 5 3t = 8 5 1 53t _ 8 5 1 5 3 3 2v r e f 模块 3 2 1 电路分析设计 v r e f 模块产生基准电压信号v 砌强1 2 5 v 并给a 1 、a 2 、0 s cs l o p e 提供 偏置信号。f b 端的反馈信号也是与1 2 5 v 的电阻分压信号进行比较，v r e f 模块 的性能影响整个电路的性能。肼为高时s 玎9 n 模块产生的v b 偏置信号使 v r e f 模块正常工作。 电子科技大学硕士学位论文 v r e f 模块是一个比较典型的带隙基准源电路1 1 5 l ，希望达到输出电压滋鏖系 数为零。国予鑫俸警豹嚣e 结莲醛v 豫静溢浚系数为受( 室滏下一般菇 雩争“一2 州) ，而热电压v r 的温度系数为正( 黛温下一般为 等。e 鸯s s 掰，炙瑟佼辕窭邀攫必v 矿褂x ，爱：罢磐，裁蕤褥妻t 零瀣 a r 度系数的基准电压，如圈3 4 所示： 所示 照3 4 带敷蒸瀵滚毫路骧鬓瀑意醒 参考了部分带隙基礁源电路f 1 6 _ 1 8 懈设计毪f 模块的基本电路结构如图3 5 图3 1 5w 蠛f 模块原理樵圈 在电路进入稳态工作的时候，运放正负两端的电压基本相等，即：流过r 2 3 l s 第三章子电路设计与仿真 和r 2 2 的电流相等，也就是q n 3 4 、q n 3 3 流过的电流相等。由于q n 3 4 和q n 3 3 的发射极面积为4 ：1 。那么流过r 2 1 的电流为： 郴2 1 ) ：! 弩警 ( 3 - 2 - 1 )、 r 2 1 可以得到： ，( r 2 1 ) ：，( r 2 3 ) ：，( r 2 2 ) ：! ! ：! ! 二竺 ( 3 2 2 ) 凇砑：助卧2 乏掣一1 0 ( 3 - 2 _ 3 ) 胄2 1 一 。7 合理设置电阻比例，可以得到带隙基准电压v 砌强1 2 5 v 。 此处要注意电阻r 2 2 和r 2 3 的取值，为保证q n 3 3 和q n 3 4 工作在线性区， b c 结不能导通，留有一定余量，取： 。，口v 3 3 r 2 2 j 。q v 3 4 r 2 3 2 0 0 朋y ( 3 2 4 ) v r e f 模块实际电路图如图3 6 所示： 图3 - 6v r e f 实际电路图 如图3 - 6 所示，左框为图3 中的运放a o ，右框中的电阻和p 管是为0 s c l s l o p e 1 9 电子科技大学硕士学位论文 部分提供了一个偏置电流i b l 。运放第一级为有源负载差分对，第二级为电平转移 v o l t a g ef o l l o w c r 。运放的增益约为： 一，占肌中 ，d ( o p 3 5 ) l ，d ( 。4 1 ) l ( 3 _ 2 _ 5 ) 另外，v 砌强模块提供给o s c s l o p e 模块的电流i b l 及a l 模块的v b 2 的 大小为： 丑7 阳2 = 瑚叩+ t 洲：，2 t 刨：，+ c 洲聊铊! 警姗- 。 3 2 2 仿真分析 ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) v 强模块给系统提供基准电压v r e f 及o s c s l o p e 模块和a l 模块的偏置 i b l 和v b 2 ，这几个量随温度和电源电压的变化会影响系统的性能，以下给出这三 个量随温度和电源电压变化的波形图和数据表。 善一 曼 i i ” 1i 苦i 3 j 宴 l 翱i i3 删 l 夕；，l 卜* 够等磊 ，x ， 图3 7 在t e m p = 叫5 、2 5 、8 5 ，v d d a = o 5 v 时 地f 的电压变化曲线 卜卜产- 卜 一一h 一 - - l卜8 5 r 平 f _ 4 5 ： 笙三雯王蹩墅望盐皇笪塞 表3 2v d d a q 5 v 之间变化时，基准v r e f 电压变化蹙 ( v 鬟e f = v 滋事糟轴v l 连f 攘i 巍) t e m p4 5 2 5 8 5 v r e f m a x1 3 0 0 l v1 3 0 6 4 v1 3 0 2 4 v v r e 融i n1 2 9 8 5 vl 。3 戮8 vl ，3 0 泓v v r e f1 6 2 8 7 m vi 6 2 1 9 m v1 9 3 8 8 m v 殴上傍冀结募可以番照，v 魁强在魄源电捱3 v - 5 v 变化时变化缀小，在8 5 瞬最高接近2 臻￥