（微电子学与固体电子学专业论文）基于电流型pwm控制的同步白光led驱动芯片设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 白光l e d 作为小型彩色l c d 背光照明的最佳选择，已经广泛应用于手机、数码相 机、m p 3 等大多数便携式电子产品领域。近年来，手机不断更新换代，普及率越来越 高，数码相机也大有取代传统相机之势，促使白光l e d 及其驱动器的产量猛增。为满 足不同输入电压、不同输出电流及不同的l e d 数等要求，世界知名半导体器件公司纷 纷开发出各种新型白光l e d 驱动器以满足市场的需要。而白光l e d 驱动器的设计和研 究，也成为目前电源管理芯片市场的研究热点。 本文主要研究自光l e d 驱动芯片的设计问题。针对电源管理芯片的主要工作模 式，并结合l e d 本身的特点，选择合适的驱动方式。目前，电源管理控制模式已经逐 步由电压型控制过渡到电流型控制，电流模式p w m 控制采用双闭环控制，提高了系 统的瞬态响应速度、增强了系统的稳定性；同步整流技术采用功率p m o s 管替代肖特 基整流二极管，消除了二极管死区电压的功耗影响，可以提高芯片的工作效率。本设 计采用电流型p w m 控制模式，以及同步整流技术，优化了芯片的性能。 本文分析了白光l e d 驱动芯片的工作原理和电流型p w m 控制模式的电路结构， 分块设计了芯片内部各主要功能模块，包括基准电路、振荡器电路、误差放大器、比 较器电路、同步整流驱动电路、热保护电路等。设计采用b i c m o s 工艺，给出了所有 的晶体管级电路图，各功能块都经过了s y n o p s y s 的h s p i e e 仿真软件的模拟，模拟的结 果也并给出。 关键词：白光l e d 驱动，电流模式，p w m 控制，同步整流，b i c m o s s e 艺 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h i t el e d ，a st h eb e s tc h o i c eo f b a c kl i g h to f c o l o rl c d , h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o p o r t a b l ee l e c t r o n i cf i e l d s ，s u c ha sm o b i l ep h o n e , d c ，m p 3a n ds oo i l i nt h er e c e i l ty e a r s m o b i l ep h o n eh a sr e n e w c d c o n t i n u a l 【ya n db e c o m e a n dm o r ep o p u l a r , a n dd ca l s o b e c o m ep o p u l a r , a l lt h e s ei m p e lo u t p u to fw h i t el e da n di t sd r i v e ru p r u s h i no r d e rt o s a t i s f yr e q u i r e m e n t so f d i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e ，d i i f e r a n to u t p u tc u r r e n ta n dd i f f e r e n ts e r i e s n u m b e rl e df r o mt h em a r k e t ，w o r l df a m o u ss e m i c o n d u c t o rc o m p m i e sh a v ed e v e l o p e da l l s o r t so f n e wp a r e ml e dd r i v e r s s od e s i g na n dr e s e a r c ho f w h i t el e dd r i v e rh a sb e c o m e t h eh o t s p o to f p o w e r s u p p l ym a r k e t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tr e s e a r c ha n dd e s i g no f w h i t el e dd r i v e rc h i p ，a n dh o wt o c h o o s ea p p r o p r i a t ed r i v i n gm o d ea c c o r d i n gt ol e ds e l f - f e a t u r e n o wm o d eo fp o w e r m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l l i n gh a sc o n v e r t e df r o mv o l t a g ec o n t r o lt oc u r r e n tc o n t r 0 1 p w m c u r r e n tc o n t r o la d o p t sd u a lc l o s e dl o o pc o n t r o l ，w h i c hi m p r o v e ss y s t e mi n s t a n tr e s p o n s e p a t ea n de n h a n c e ss y s t e ms t a b u i t y s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya d o p t sp m o s r e p l a c i n gs c h o t t k yr e c t i f y i n gd i o d e w h i c he l i m i n a t e sa f f e c t so fd i o d ed e a dv o l t a g ea n d i m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c y t h ed e s i g no f t h i sp a p e ra d o p t sc u r r e n tp w m e o n t r o lm o d ea n d s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n do p t i m i z e st h ep e r f o r m a n c e o f c h i p t h i sp a p e ra n a l y s e sw o r k i n gt h e o r ya b o u td r i v i n gc h i po fw h i t el e da n d c o n t r o l l i n g m o d ec i r c u i ts 虹u c t u mo fc u r r e n tp w m ；a n dd e s i g n sm a i nf u n c t i o nm o d u l e so ft h ec h i pi n b i c m o sp r o c e s s ，i n c l u d i n gb a u d g a pc i r c u i t 。o s c i l l a t o rc i r c u i t ，e r r o ra m p l i f i e rc k c u i t ， e o m p a r a t o rc i r c u i t ，s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nd r i v i n gc i r c u i lt h e r m a ls h u t d o w nc i r c u i t , e t c ； l i s t sa l lt h et r a n s i s t o r - l e v e lc i r c u i td i a g r a m s , a l lm o d u l e sa r es i m u l a t e db yh s p i c ee d a s o f t w a r ea n dt h es i m u l a t i n gr e s u l t sa r el i s t e do u ta sw e l l k e y w o r d s ：w h i t el e dd r i v e r ，c u r r e n tm o d e ，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o nc o n t r o l ， s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，b i c m o sp r o c e s s l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：储、卫涝 弘6 年r 月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：弥卫估指导教师签名 孵 驴名年f 月夕曰细6 年_ 月夕日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章首先简要介绍白光l e d 的发展和特点，以及相关集成电路产业的发展状况及 其重要性，然后阐述国内外的研究方向和现状，最后介绍本文的组织结构。 1 1 课题的背景和研究的意义 1 1 1 白光l e d 的发展历程 1 9 6 2 年，第一颗实用型的可见光l e d 出现。l e d 的发展可以分成三个阶段u j ：红 光l e d 的出现、蓝光l e d 的出现以及白光l e d 的出现，红光和绿光已经发展了数十年， 但它们都是单色的l e d 。如果让它作光源的话，被照物就会披上一层颜色，而不是物 体本身的颜色，所以l e d 的应用有一定的限制。早期传统的产品发光效率低，亮度一 般在几个到几十个m c d ，适宜使用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机 及玩具等方面应用。一直至u 1 9 9 3 年，日本科学家中村秀二用稼合物制造出蓝色l e d 【2 】。 这个突破对l e d 的发展起到决定性的作用，基于这种蓝光l e d 的作用，白光l e d 很快 就在1 9 9 7 年被发明出来，从此白光l e d 产品被广泛应用于各个领域，并且被认为是未 来的照明光源 3 1 。现在l e d 的发展已经达到了一个很高的程度，具有成本低、发光强 度大、发光效率高、寿命长等特点，白光l e d 已经被广泛用作灯泡、霓虹灯和光管的 最理想的代替物，特别是小型彩色l c d 的背光照明，白光l e d 成为最佳选择。人们预 想随着它的进一步发展，l e d 将完全代替上述的光源，人类的未来将更加光n t 4 1 。 1 1 2l e d 的特点及其应用 l e d 发光二极管，是一种固定的半导体器件，它可以直接把电转化光，l e d 的 心脏是一个半导体的晶片，晶片一端附在一个支架上，一端是负极，一端是正极，使 整个晶片被环氧树脂封装起来，半导体晶片由二部分组成，一部分是p 型半导体，在 它里面空穴占主导地位，另一端是n 型半导体，在这边主要是电子。当这两种半导体 连接起来的时候，它们之间就形成一个p - n 结。当电流通过导线作用于这个晶片的时 候，电子就会被推向p 区。在p 区，电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能 华中科技大学硕士学位论文 量，这就是l e d 发光的原理，而光的波长也就是光的颜色，是由形成p - n 结的材料 决定的。l e d 的内在特征决定了它是最理想的光源，可以代替传统的光源，有着广泛 的用途。其优点有： 体积小：l e d 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小、非 常轻。 耗电量低：l e d 耗电非常低，一般来说l e d 的工作电压是2 - - - 3 6v ，工作电流是 0 0 2 - - 0 0 3a 。这就是说，它消耗的电不超过o 1w 。 使用寿命长：在恰当的电流和电压下，l e d 的使用寿命可达1 0 万小时【5 j 。 高亮度低热量：因为l e d 特别的构成材料在电子转移的过程中l e d 释放的能量主 要集中在可见光的范围内，不像其他的钨丝灯泡，它发出的电磁能 很多集中在红外线区，这些令人感觉到非常的热，也就是说l e d 几乎把所有的电能都转化为光能，所以l e d 是高效能、低热量的 产品。现在市面上最好的l e d 的每瓦3 2 流明，这几乎是钨丝灯泡 的两倍，现在人们预测每瓦发出6 0 流明，像荧光灯一样亮的l e d 将会在2 0 0 8 年出现。 环保：l e d 是由无毒的材料做成，不像荧光灯含水会造成污染，同时l e d 也可以 回收再利用。 坚固耐用：l e d 是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都耐用。灯 体内也没有松动的部分，这些特点使得l e d 可以说是不易损坏的。 主要应用有：交通讯号显示光源的应用，具有抗震耐冲击，光响应速度快，省电 寿命长等特点；其次是汽车工业上的应用；第三是l e d 背光源，特别是高效侧部发光 的背光源最为引人注目，l e d 作为l c d 背光源应用，具有寿命长，出光效率高，无干 扰和性价比高等特点。本课题正是着眼于市场的研究热点，设计一种白光l e d 驱动芯 片，作为l c d 的背光源，应用于各种便携式电子产品t 6 1 。 1 1 3 白光l e d 驱动芯片研究的意义 近年来，手机不断更新换代，普及率越来越高，数码相机大有取代传统相机之势， 促使白光l e d 及其驱动器的产量猛增。面对市场对l e d 产品的巨大需求，为满足不同 2 华中科技大学硕士学位论文 输入电压、不同的输出电流及不同的l e d 数等要求，各半导体器件公司纷纷开发出各 种新型白光l e d 驱动器以满足市场的需要。由于便携式产品中的白光l e d 系统是非常 有个性的系统，没有特别通用的产品，所以我们配合厂家开发集成型白光l e d 驱动芯 片，同时加上国内公司的成本优势，市场还是相当乐观的。手机的闪光灯白光l e d 驱 动芯片则需要考虑闪光灯白光l e d 的类型和特性，也是相对个性化的需求，也有不错 的市场空间。 1 2 国内外研究动态 白光l e d 驱动器除可驱动白光l e d 外，它也可驱动蓝光l e d 或其他颜色l e d 。另 外，由于它具有稳定输出或可编程恒流输出的特点，也可用作稳压电源或可编程恒流 源。目前，用小功率白光l e d 做l c d 背光照明的驱动器在数量上是占首位的，产量极 大。作为照明灯、闪光灯的中功率或大功率白光l e d 驱动器由于应用时间不长，还有 很大的发展空间。本文就是希望以此作为突破口，设计一种高效的用于l c d 背光照明 的小功率白光l e d 驱动芯片。 其次，从发展来看，车内的照明灯、倒车灯及前车灯都有可能用大功率l e d 来代 替。虽然其中有不少是红光l e d 或黄光l e d ，但目前超高亮度白光l e d 的光强最大， 用这种超亮度白光l e d 配上红光或黄光u m 透明塑料罩代替红光l e d 或黄光l e d ，可 能会有更好的效果。 由于l e d 机械强度大，抗震能力强、寿命长、耗电省，可组成节电的免维修的汽 车灯( 因为它的寿命比汽车本身的寿命还长) 。 汽车的电瓶电压目前是1 2v ，由于汽车的用电量越来越大，将来的标准电压是 4 2v ，则开发4 2v 供电的汽车用驱动器将是一种发展的新产品。汽车照明灯是白光 l e d 的一个大用户，大功率驱动器有很大的发展空间。 还有，近年来逐步推广节能荧光灯有较好的节电效果。从国外资料看，采用市电 ( 11 0v a c 或2 2 0v a c ) 供电的白光l e d 灯( 螺扣灯泡) 已上市。有一种l e d 的功率为2 2w ， 而亮度却相当于2 5 3 0w 的白炽灯，驱动器电路做在灯头里，使用十分方便，省电效 果比节能的荧光灯更好，并且寿命长达1 00 0 0 - 5 0o o o d x 时。 华中科技大学硕士学位论文 n 2 0 0 5 年为止，全球差不多有3 0 家厂家生产白光l e d 驱动i c 。主要厂商包括美信、 凌特、国半、意法、德州仪器等国际知名企业，以及立镝、安茂、易亨等台湾公司。 巨大的市场需求给国内i c 设计公司提供了发展的机遇，利用国内的成本优势，市场空 间还是相当大。 1 3 论文结构和主要内容 第一章是绪论，目的在于介绍研制白光l e d 控制芯片的意义。首先对白光l e d 的 发展和特点进行了简介，然后阐述了相关集成电路产业的发展状况及其重要性，接着 简要介绍了l e d 驱动芯片的国内外研究动态，最后介绍本文的组织结构。 第二章讨论了l e d 驱动芯片的分类以及基本原理，介绍几种主要的驱动方式。针 对本文用于背光照明的白光l e d 驱动芯片这一设计课题，提出l e d 驱动器设计的要 求。 第三章是驱动芯片的系统结构和技术要点。分析了其中p w m 控制器的工作原理， 对两种p w m 控制方式进行比较，得出电流型控制优于电压型控制的结论。然后提出 同步整流技术的概念，采用同步整流技术，可以大大提高升压芯片的效率。接着对 b i c m o s 工艺进行简要介绍，说明了b i c m o s 工艺相对双极工艺和c m o s 工艺的优点。 最后，提出了本设计的基本原理和系统结构框图。 第四章是本文的重点，因为内容较多，所以分成了八节详细说明了第三章讨论的 l e d 驱动芯片的设计过程，分节讨论了芯片内部各个功能块的设计。详细叙述了基准 电路、振荡器电路、误差放大器、斜坡补偿发生器、p w m 比较器、同步整流驱动电 路、热保护电路的设计过程，并给出晶体管级电路图和相应的模拟结果。 第五章是该芯片的应用，主要用该芯片构成了一个d c d c 升压电路。系统仿真 方法以及主要功能和主要参数的仿真结果。 第六章是结论，对全文进行总结。 4 华中科技大学硕士学位论文 2l e d 驱动芯片的分类和基本方式 2 1l e d 驱动器的分类 从供电电压的高低可以将驱动器分成三类：由电池供电，电压一般低于5v ，主 要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光l e d ，它主要采用升压式d c d c 转 换器或升压式( 或升降压式) 电荷泵转换器，少数采用l d o 电路的驱动器；大于5v 供电， 如6v 、9v 、1 2 v 、2 4v ( 或更高) ，由稳压电源或电瓶供电，它主要用降压式或升降 式d c d c 转换器，主要驱动l e d 灯；直接由市电供电( 1 10v a c 或2 2 0v a e ) 或相应的高压 直流电，如4 0 - - - 4 0 0v ，主要用于驱动大功率白光l e d 灯，采用降压式d c d c 转换器 驱动电路。 目前，便携式电子产品大多改用正向电压为主3 6v ( 2 0m a ) 的白光l e d 当作背光 照明单元【7 1 。以移动电话为例大约使用3 - - 4 个白光l e d ，然而一般锂离子电池放电时 的电压经常低于3 6v ，为了符合l e d3 6v 顺向电压的需求，因此必需借助升压电路 才能获得预期的效果，也就是说白光l e d 驱动器必需具备以下特性： 即使电池的输出电压下降，驱动器也能够提供充沛的白光l e d 顺向电压v f 。可以 同时驱动复数个白光l e d 。 过去认为有电感的升压式d c d c 转换器可输出较大的电流。近年来，电荷泵式驱 动器可输出的电流已从几百毫安上升到1 2 安培，并且两者在转换效率上也不相上下， 因此，这两种类型的驱动器的产量也差不多。 采用l d o 式的驱动器是极少的，但它无须外围元件及价位低是它的优点，其缺点 是转换效率略低，并且电池往往不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要用 于1 节锂离子电池的场合，并需用v f 低的白光l e d 。 2 2l e d 的基本驱动方式 驱动白光l e d 常用的四种电源电路【8 】： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 使用电压r e g u l a c o r 的驱动方式 图2 1 的电路分别使用可以控制l e d 电流的电压r e g u l a t o r 与b a l l a s t 电阻，这种 电路的优点是电压r e g u l a t o r 种类非常丰富，设计者可以选择的自由度较大，而且与 电压r e g u l a t o r 、l e d 的接点只有一点：反面缺点是b a l l a s t 造成的电量损失会导致效 率恶化，此外l e d 的正向电流也无法获得精密控制。 图2 1 电压r e g u l a t o r 与b a l l a s t 电阻 ( 2 ) 使用定电流输出的电压r e g u l a t o r 驱动方式 图2 2 的电路虽然可以使流入l e d 的所有电流稳定化，不过为了匹配( m a t c h i n g ) 各 l e d 的电气特性，因此电路中特别设置一组b a l l a s t 电阻。 图中的m a x l 9 1 0 属于定电流输出型的电压r e g u l a t o r ，虽然本电路使用同厂商、同 批号( 1 0 t ) 的白光l e d ，获得极佳的匹配性，不过若使用不同厂商与批号的l e d 时，就 会出现很大的特性差异分布。本电流r e g u l a t o r 使用类似于图2 1 的方式控制驱动电流， 不过它却可以使b a l l a s t 电阻的消耗电量降低一半左右。 一 图2 2 电流r e g u l a t o r 与b a l l a s t 电阻 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 使用输出型的m u l t ip u l l 流r e g l l l a c o r 驱动方式 图2 3 的电路可以使流入l e d 的电流各自稳定化，因此不需要使用b a l l a s t 电阻，电 流的精度与匹配性，则由各自的电流r e g u l a t o r 支配。 图2 3 单输出m u l t ip u l l 电流r e g u l a t o r 图中的m a x l 5 7 3i c 可以使上述电流r e g u l a t i o n 达至1 2 左右的电流精度，与0 3 左右的电流匹配性等目标。由1 5 7 3i c 构成的电流r e g u l a t o r 为l d o 型，因此它的 动作效率非常高。虽然r e g u i a t o r 与l e d 之间需要四个连接端子，不过本电路不需要 b a l l a s t 电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的 小型液晶面板等领域，此外它的电路特性可以媲美接着要介绍的电路。 不过，要驱动正向压降为3 0 - - 一4 3v 的白光l e d ，在低电源电压应用时，l d o 型 r e g u l a t o r 受到了很大的限制。 ( 4 ) 使用升压型电流r e g u l a t o r 驱动方式1 9 图2 4 的电路是利用可以使电流稳定化的电感( i n d u c t o r ) ，构成所谓的高效率s t e pu p = 图2 4 升压型电流r e g u l a t o r 7 华中科技大学硕士学位论文 c o n v e r t e r 。本电路的最大特色是低f e e db a c kt h r e s h o l d 电压，可以降低电流检测用电阻 的电力损失，此外l e d 采用串联方式连接，所以流入白光l e d 的电流即使是在各种要 求下，都能够与l e d 完全取得匹配。 有关电流的精度，基本上取决于r e g u l a t o r 的f e e db a c kt h r e s h o l d 精度，因此不会受 到l e d 正向电压的影响。由m a x l 8 4 8i c 构成的电流r e g u l a t o r ，它的效率( p l e r c p n n ) 是： 三个l e d ，m a x l 8 4 8 - - - - 8 7 。 s t e pu pc o n v e r t e r 的另一优点是r e g u l a t o r 与l e d 之间需要二个连接端子，而且l e d 的使用数量不会受至i j s t e pu pc o n v e r t e r 利h 类的影响，这意味着设计者拥有更大的选择空 间，因此s t e pu pc o n v e r t e r 广泛应用在各种尺寸液晶面板；电感外形高度、组件成本偏 高，以及e m i 辐射干扰则是电路的反面缺点。 2 3l e d 驱动芯片的设计要求 驱动器可以看作是向l e d 供电的特殊电源，可以驱动正向压降3 0 - 4 3v 的白光 l e d ，保证各个l e d 亮度、色度的一致，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个 白光l e d ，满足驱动电流的要求。本设计驱动芯片的主要要求如下： ( 1 ) 为满足便携式产品的低电压供电，驱动器有升压功能，以满足2 3 节充电电 池或1 节锂离子电池供电的要求，输入电压范围为2 5v 至i j 7v ： ( 2 ) 驱动器有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的时间间隔； 要求效率达n 8 0 9 0 ； ( 3 ) 在多个l e d 并联使用时，要求各l e d 的电流相匹配，使亮度均匀； ( 4 ) 低功耗，静态电流小，并且有关闭控制，在关闭状态时耗电小于1 衅： ( 5 ) l e d 的最大电流 l e d 可设定； ( 6 ) 有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保 护； ( 7 ) 可以驱动多达3 个( 或4 个低v f ) 串联的白光发光二极管( l e d ) ； ( 8 ) 小尺寸封装，并要求外围元件少而小，使占印制板体积小。 华中科技大学硕士学位论文 3l e d 驱动电路的系统结构和技术要点 3 1 设计概述 根据设计要求，拟采用d c d cb o o s t 升压转换电路来实现l e d 驱动。采用电流型 p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制模式，以及同步整流技术，改善系统的线性调整 率和负载调整率，提高系统的响应速度和效率。在制程上，选择b i c m o s i 艺将c m o s 和b i p o l a r 两种工艺的优势互补，在实现高速度高集成度的同时，降低芯片的功耗。 3 2p w m 控制模式的基本原理 p w m 控制的基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化 的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调整主电路开 关器件的导通脉冲宽度，使得d c d c 电路的输出电压或电流等被控制信号稳定【l o 】。 p w m 的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、 开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳 流及恒定功率的目的。通常有两类控制方法：电压控制模式和电流控制模式【1 1 1 。 3 2 1p w m 电压控制模式 电压控制模式是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，至今仍然在工业界广泛的应用。电 压模式控制只有一个电压反馈闭环，输出电压v o t r r 经过分压后送入误差放大器的反 相输入端，比较器的同向输入端为精密温度补偿基准v r e f 电压，两者之差被放大后 作为比较器的门限，与控制器内部的振荡器产生的锯齿波电压进行比较，用比较器的 输出来驱动开关晶体管。电压模式p w m 控制器的误差电压越大比较器的门限值就越 高，开关保持导通的时间也越大，电感的峰值电流也就越大，从而可以保证电感可以 存储足够的能量以维持负载电压的稳赳1 2 】。 电压模式p w m 控制只响应负载电压的变化，这就意味着变换器为了响应负载电 9 华中科技大学硕士学位论文 流或输入线电压的变化，它必须“等待”负载电压调整的相应变化。因为开关电源的电 流均流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生9 0 度的延迟，这种“等待” 是一个或多个开关周期，会大大影响变换器的稳压特性。基本结构如图3 1 所示，波形 图如图3 2 所示【1 3 】。 v i n o 图3 1 电压型p w m 控制原理 3 2 2p w m 电流控制模式 v 黜萨饿螽液 图3 2 电压型p w m 控制的实际波形 电流控制模式的概念来源于6 0 年代后期具有原边电流保护功能的单端自激式反 激开关电源，8 0 年代初期才真正广泛应用。电流控制模式是一种固定时钟开启、峰值 l o 华中科技大学硕士学位论文 电流关断的控制方法，电流控制模式把变换器分成电流、电压两条控制环路。输出电 压v o t r r 经过分压后送入误差放大器的反相输入端，比较器的同相输入端为精密温度 补偿基准v r e f 电压，两者之差被放大后，并不像电压模式那样与振荡电路产生的锯齿 波电压进行比较，而是与一个变化的的三角波形或梯形尖角状合成波形信号u k 比较， u 的峰值代表输出电感电流峰值，然后得到每个周期p w m 控制的开关管关断时刻， 基本结构如图3 3 所示。 电压控制环路设置阈值，而在阈值内电流环路调整开关或初级电路中的峰值电 流，由于输出电流正比于开关电流，所以在逐个脉冲上控制输出电流，从而电流模式 控制具有比电压模式控制更优越的电源电压和负载调整特性，不需要专门的限流电路， 简化了补偿电路。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压 外环仅需控制输出电容，不必控制l c 储能电路。所以电流控制模式具有l te g 压, 控制 模式大得多的带宽。 总之，峰值电流控制方式显著提高了电源的性能：( 1 ) 具有良好的线性调整率和 快速的输入输出动态响应。( 2 ) 固有的逐个脉冲电流限制，简化了过载和短路保护。 ( 3 ) 消除了输出滤波电感带来的极点，使电源系统由二阶降为一阶，系统不存在有条件 的环路稳定性问题。( 4 ) 对并联工作的多组负载能够实现自动均流等。同时，由于反 馈电流的变化不能全面地反映负载电流变化，当占空比d 5 0 ，电源不能稳定工作， 限制了峰值电流控制方式的应用，必须加以斜坡补偿改善【l 。 图3 3 电流型p w m 原理图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 同步整流技术 现今电力电子技术在电源模块中发展的趋势是低电压、大电流，在传统的次级整 流电路中，肖特基二极管是低电压、大电流应用的首选【1 4 1 ，如图3 4 所示，其导通压 降大于0 4v 。但是当通信电源模块的输出电压随着通信技术发展而逐步降低时，采 用肖特基二极管的电源模块效率损失惊人，在输出电压为5v 时，效率可达8 5 左右， 在输出电压为3 3v 时，效率降为8 0 ，1 5v 输出时只有6 5 ，应用已不现实。 图3 4 非同步升压模式 正因为上述原因，使得在次级整流电路中选用同步整流技术成为一种高效、低损 耗的方法。同步整流技术是采用通态电阻极低的功率m o s f e t 来取代整流二极管， 并通过控制功率m o s f e t 的驱动电路，实现整流功能的技术【l s 】。由于功率m o s f e t 的导通电阻很低，能提高电源效率。一般驱动频率固定，可达2 0 0 kh z 以上，门极驱 动可以采用交叉耦合( c r o s s c o u p l e d ) 或外加驱动信号配合死区时间控制实现【1 4 】，如图 3 5 所示。 图3 5同步整流升压模式 1 2 华中科技大学硕士学位论文 同步整流技术出现较早，但早期的技术很难转换为产品，这是由于当时驱动技术 不成熟，可靠性不高：专用配套的低导通电阻功率m o s f e t 还未投放市场。经过这 几年的发展，同步整流技术已经成熟。 3 4采用b i c m o s 工艺制程的原因 b i c m o s 工艺是种将c m o s 管和双极晶体管制作在同一块芯片上的技术。用双 极型工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度好的器件，但双极器件在功耗和 集成度方面却无法满足集成规模越来越大的系统集成的要求；而c m o s t 艺可以制造 出功耗低、集成度高和抗干扰能力强的c m o s 器件，但其速度低驱动能力差；b i c m o s 工艺则兼有c m o s 工艺功耗低、集成度高和双极型工艺速度快、驱动能力强、模拟精 度高、跨导高的优点【1 6 】，因而被本设计所采用。在深亚微米领域中，v l s i 肘l s i 低功 耗的要求促使b i c m o s 技术趋向以c m o s 工艺为基础，将双极器件并入c m o s 核心工 艺的方向发展。 本设计采用以c m o s 器件为主、适当添j j h b j t 器件的设计思路，在需要高速比较 输出以及带隙基准中采用b j t 器件，可以提高电路的性能。采用的工艺模型是s a n y o 公司的1 6 岬b d 2 2b i c m o sp r o c e s s 。 3 5 芯片的系统结构 l e d 驱动芯片采用升压型p w md c d c 转换器电路【1 7 】。d c d c 转换器电路采用 电流控制模式，拥有两个反馈回路，一个是通过外接的分压电阻采样得到l e d 负载 通路上的电流大小，从芯片的f b 端输入，与参考电压通过误差放大器进行比较；另 一个是功率开关管的电流检测回路环路，从功率开关晶体管源极上的串联电阻上取 样，并经过斜坡补偿电路的进行信号叠加，最后与误差放大器输出的控制电压比较， 得到p w m 比较器的结果，来决定开关功率管的关断时刻。开关功率管的开启时刻由 o s c 振荡器电路产生的脉冲信号决定。当电路正常工作时，芯片内部的基准电压设 定为1 2 8v 。由于采用同步整流技术，驱动部分必须考虑功率整流管的衬底偏置效应， 因此设计体效应控制模块；而串联l e d 会使输出电压比较高，约l ov 以上，为保证 华中科技大学硕士学位论文 功率整流管的正常开关和开关速度，高低驱动电平通过d r i v e p 模块给出。功率器件 集成在芯片内部，增加了芯片过热的可能性，通过t h e r m a ls h u t d o w n 电路， 在芯片温度过高时关断芯片的主电路，保护芯片【墙】。本设计的系统框图如图3 6 所示。 系统的主体模块包括输入基准电路f b a n d o a i ) 、振荡器( o s c i l l a t o r ) 、误差放大器 f e a m p ) 、斜坡补偿发生器( s l o pc o m p e n s a t i o n ) 、p w m 比较器( p w mc o m p ) 、输出 驱动模块( d r i v e p 、d r i v e n 、b o d yd i o d ec o n t r 0 1 ) 以及热保护电路( t h e n t a l s h u t d o w m 等。相关逻辑电路、使能电路和其它保护电路，在此不再熬述。 图3 6白光l e d 驱动芯片的系统框图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 4 主要子模块电路设计 在进行子模块设计之前，先给出一些计算时常用的常数和m o s 管参数，见下表： 表4 1 常数表 符号说明值单位 v g o 硅带隙 1 2 0 5v k 波尔兹曼常数1 3 8 1 x 1 0 - 2 3 j k 码 本征载流子浓度1 4 5 x 1 0 1 7 c 岖。 岛 真空介电常数- 8 8 5 4 x 1 0 。1 4 f c m 6 s i 硅介电常数 1 1 7 6 0 f c m s “ s i 0 2 介电常数 3 9 6 0 f c m t o x栅氧厚度 3 4 e 8m 表4 2m o s 器件参数表 参数参数说明n 沟道p 沟道单位 v t 0 阂值电压( v s s ) 0 8 3 0 4 4 0 1 50 9 0 8 5 4 0 1 5 v k ， 饱和区跨导1 1 0 0 1 0 5 0 o 1 0 州z y 衬底阈值参数 0 4o 5 7v 1 厂2 入沟道长度调制参数 0 0 40 0 5 v 。1 2 i 痧f i 强反型表面势 0 7o 8v 4 1 基准及偏置电路部分 带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用 z v b e 的正温度系数与双极型晶体管v a e 的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精 度的基准电压。双极型晶体管提供发射极偏压v b e ；由两个晶体管之间的z x v b e 产生 l n n * v t ( n 是两个晶体管的倍数关系和集电极电流比率的积) ，通过电阻网络将v t 放大a 倍；最后将两个电压相加，即v r e f = v b e + i 【( v t * l n n ) ，适当选择放大倍数仅，使 两个电压的温度漂移相互抵消，从而可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基 准。常温下，v b e 的负温系数为2m v ，v t 的正温系数是0 0 8 7m v * o 2 0 1 。因此， 华中科技大学硕士学位论文 我们要得到常温下的零温系数，就是使得a * l n n * 0 0 8 7m v = 21 1 1 v 。 4 1 1p t a t 电流的产生( 与电源无关的偏置) 我们希望先产生一个p t a t 电流，提供给r c f 产生电路。这样设计的原因是，带 隙电路一般具有良好的温度特性，但p s r r 并不理想，这是我们不希望看到的【2 1 1 。所 以希望利用带隙特性，先产生一个电流源，如图4 1 所示。 图4 1电流偏置i b l a s 产生电路 通过热电压产生与电源电压无关而与温度有关的偏置，得到微电流偏置。其主体 电路由p 1 、p 、q 1 、q 2 、r 1 、r 2 、r 3 、r 4 组成。由于q 2 的发射极面积为q 1 的两 倍，当流过它们的电流相等时产生v b e ，该电压加在电阻r 1 的两端，产生电流i r l ： r 5 、p 3 和r 6 、p 4 组成镜像电流镜，它们与微电流源产生的电流i r l 成比例关系，i r e f 提供给r c f 产生电路，预计r e f 产生电路需要6 0p a 左右的电流，而对于微电流源我们 有： v b e = v t 1 宅) 一v t 1 n ( 等) = v t l l l 2 b i a s = i r l = a r v j _ 1 _ l e = 1 v tl 广n 2 ( 4 1 ) ( 4 。2 ) i r e f = 8 i b i a s = 1 8 v t r i n 2 ( 4 3 ) 而室温下，v t = 0 0 2 6v ，可得r 1 - - 2 8 殴。r 2 电阻主要是为摆脱简并偏置点而 1 6 华中科技大学硕士学位论文 设置的，后面将会谈到。 4 1 2 带隙基准电路的产生 首先，r 7 、r 8 、q 5 、q 3 和q 4 组成核心电路，产生基准电压所需的正负温度系 数，实现与温度无关的r e f 。射极耦合的三极管q 3 和q 4 ( 其中q 3 由1 0 个n p n 管 并联组成) 产生a v b e ：有源电流镜q x l 、q x 2 用来保证流过q 3 和q 4 的电流相等； r - 7 、r 8 和二极管连接的q 5 组成分压网络，将q 3 、q 4 产生的a v b e 放大( r 7 + r s ) r 8 倍后与v b e 5 相加，产生基准电压v r e f ；放大管q x 3 、q 7 和负载管q 6 组成复合 放大电路，将1 0 3 和i q 4 的差值放大，反馈到分压网路中的r 8 ，从而调整q 1 2 、q 1 9 的工作点，保证1 0 3 等于i q 4 ；电容c 2 和r 2 3 是密勒补偿，保证系统的稳定性瞄】。实 现电路如下图4 2 所示： v r e f 为 图4 2 带隙基准电压r e f 产生电路 ，= v b 踯，+ v r ，+ v r 。= v b 啦，+ ( 墅志等) v tl i l ( n ) ( 4 4 ) 1 7 华中科技大学硕士学位论文 4 1 3 基准电路的启动 在与电源无关的偏置电路中，有一个很重要的问题是“简并 偏置点的存在。即 当电源上电时，所有的晶体管均传输零电流，环路允许这样的状态存在。因此，必须 加入启动电路，该电路在电源上电时能驱使电路摆脱简并偏置点口3 1 。电路结构如图 4 3 所示。 p 5 、n 1 、n 3 、n 4 、r l l 组成启动电路。启动原理是：e n b 为高电平时，n 1 、n 3 导通，p 5 、n 4 截止，p 1 的漏极电压为0 ，电路全部关断；e n b 变成低电平时，p 1 和 p 2 两条支路的电流仍为0 ，n 4 截止，但p 5 导通，n 2 的栅极电压升高，n 2 管导通， 形成从电源到地的通路r 4