（微电子学与固体电子学专业论文）带多种保护功能的脉宽调制型led驱动电路设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 大功率l e d 具有高效、节能、环保和长寿命等优点，它正逐渐取代白炽灯 和荧光灯成为2 1 世纪的新一代照明光源。伴随着l e d 产业的蓬勃发展，l e d 驱动集成电路产业作为l e d 照明系统的一部分，也开始逐渐兴起。如何设计出 一款高性能的l e d 驱动电路成为当前研究的热点。 本文结合国内外主流的l e d 驱动芯片介绍了几种常见的恒流控制模式，主 要包括线性调整型和电感式开关调整型两种。通过对各种恒流控制模式原理的分 析，指出在电压型p w m 模式的基本上增加电压前馈控制环路能够有效地提高电 路对电源的动态响应速度，并且电路易于实现，适合于作为大功率l e d 的恒流 驱动控制模式。另外，本文介绍了几种常见的保护电路，包括过温保护、过压保 护、低压锁存保护、过流保护和e s d 保护，通过加入保护电路进一步提高了芯 片的可靠性。 本文设计了一款带多种保护功能的电压前馈控制型p w m 模式大功率l e d 恒流驱动芯片。芯片内部电路主要包括电压调整器、带隙基准源、误差放大器、 积分器、p w m 比较器、保护电路、振荡器、触发器、输出驱动电路和功率开关 管等。芯片采用o 5 p m 标准c m o s 工艺制造，测试结果表明芯片工作电压范围 为4 5 v 7 5 v ，可为l wl e d 提供3 5 0 m a 的恒流驱动，其恒流精度可达到o 1 7 ， 工作效率高达9 5 。 关键词：大功率发光二极管；恒流驱动；保护电路；脉宽调制型；前馈控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a san e wg e n e r a t i o no fl i g h t i n gi nt h e21s tc e n t u r y , s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gi s g r a d u a l l yr e p l a c i n gt h ei n c a n d e s c e n ta n df l u o r e s c e n tl i g h t i n gd u et oi t sa d v a n t a g e so f h i g he f f i c i e n c y , l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o wp o l l u t i o na n dl o n gl i f e t h eb o o mo f l e dg r e a t l yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fl e dd r i v e ri c ，w h i c hi sap a r to fl e d l i g h t i n gs y s t e m n o w a d a y s ，h o wt od e s i g nah i g h - p e r f o r m a n c el e dd r i v e rc i r c u i t b e c o m e st h er e s e a r c hp o i n t i nt h i sp a p e r , s e v e r a lc o m l t l o nc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lm o d e si si n t r o d u c e db y d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp o p u l a rl e dd r i v e rc h i p s i tm a i n l yi n c l u d e sl i n e a r r e g u l a t i o nm o d ea n di n d u c t o rs w i t c h i n gm o d e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s ec o n s t a n t c u r r e n tc o n t r o lm o d e s ，i tp o i n t so u tt h a tb ya d d i n gt h ev o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o l l o o pi nt h ev o l t a g et y p ep w m m o d ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e md y n a m i c r e s p o n s es p e e do ft h ep o w e rs u p p l y , a n da l s oc a nb ec a r r i e do u te a s i l y i t ss u i t a b l ef o r c o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lm o d eo fh i g hp o w e rl e d i na d d i t i o n ，s e v e r a lc o m m o n p r o t e c t i o nc i r c u i t s a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d et h e r m a ls h u t d o w n ， o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n ，u n d e rv o l t a g el o c k o u t ，o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o na n de s d p r o t e c t i o n i tc a ni m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec h i pb ya d d i n gt h ep r o t e c t i o nc i r c u i t s a c h i pw i t hm u l t i p r o t e c t i o nw h i c hu s e sv o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o lp w mm o d e t od r i v eh i g hp o w e rl e dw i t hc o n s t a n tc u r r e n ti sp r o p o s e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r ni s m a i n l yc o m p o s e do fv o l t a g er e g u l a t o r , b a n d g a pr e f e r e n c e e r r o ra m p l i f i e r , i n t e g r a t o r , p w mc o m p a r a t o r , p r o t e c t i o nc i r c u i t ，o s c i l l a t o r , df l i pf l o p ，o u t p u td r i v i n g c i r c u i ta n dp o w e rm o s f e t i ti sf a b r i c a t e dw i t hc s m c o 5 1 t mm i x e dc m o sp r o c e s s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h i pc a nw o r ka tp o w e rs u p p l yv o l t a g ef r o m4 5 vt o7 5 v a n di tc a np r o v i d ead r i v i n gc u r r e n to f35 0 m af o rlwl e d i t sc u r r e n ta c c u r a c yc a n r e a c ht o0 17 a n dp o w e re f f i c i e n c yc a nr e a c ht o9 5 k e y w o r d s ：h i g hp o w e rl e d ；c o n s t a n t - c u r r e n td r i v i n g ；p r o t e c t i o nc i r c u i t ；p w m m o d e ；f e e d f o r w a r dc o n t r o l 1 1 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸江盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：土且写 签字日期： ，口年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂 可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和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名：王上号 导师签名： 签字日期：h p 年；月7 日 签字日期：年月 日 a口 f 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际，回首三年的研究生求学生涯，感触万千。除了自己对课 题领域知识的学习和研究外，论文中更倾注了很多人的心血，在此向所有帮助过 我的人致以最诚挚的感谢。 首先，我要感谢我的导师朱大中教授。从本科毕设开始就跟随朱老师做l e d 驱动领域的研究，耳濡目染朱老师严谨求是的科研精神，使我了解到作为一名科 研工作者所应该具有的责任。在研究生阶段的三年时间里，朱老师渊博的专业知 识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的 人格魅力对我影响深远。本论文从选题到完成，几经波折，要是没有朱老师耐心 的指导与高瞻远瞩的目光，一切都很可能付诸东流，更不可能有今天的研究成果。 本论文倾注了朱老师大量的心血，在此我向我的导师朱大中教授表示最崇高的谢 意与祝福! 我还要特别感谢郭维老师。从芯片的设计到流片，再到测试，每一环节都有 郭老师的关心与教导，郭老师更是平易近人的良师益友，让我受益匪浅，在此向 郭老师表示最衷心的谢意与祝福! 同时还要感谢微电子研究所的韩雁老师，董树荣老师，丁扣宝老师，何杞鑫 老师，沈相国老师，孙颖老师，韩晓霞老师，霍明旭老师，汪涛老师，郭清老师。 他们多年的指导和帮助让我积累了丰富的理论知识，使我的设计思路得到了开 阔，感谢他们对本论文完成提供的帮助和关心。 还要感谢所有微电子研究所的同学对我的关心与帮助，特别感谢和我一起奋 斗的杨幸，张艳，廉玉平，韩成功，黄大海和赵士恒同学，以及已经毕业的郑晓 东，戴春祥，董小英，施朝霞，黄小伟，周海峰等师兄师姐，我的科研细节离不 开他们的关心与交流，使我能顺利的完成毕业论文，愿他们都有辉煌的前程。 最后感谢我的父母，他们是我的坚强后盾，一直默默的关心、支持着我，让 我对未来充满希望，今后不断的努力是对他们最好的回报。 王廷字 2 0 1 0 1 2 2 于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章l e d 及其驱动电路的发展状况 第一章l e d 及其驱动电路的发展状况 1 1l e d 的发展现状 半导体照明即半导体发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e l e d ) 作为光源的固 态照明，它利用半导体的p - n 结电致发光原理制成，当两端加上正向电压时， 半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发 射，而光的波长即光的颜色则由形成p n 结的材料决定。 如今，全球性的能源危机与环境污染问题日趋严重，如何解决成为当前人们 的首要任务，而半导体照明技术以其绿色环保的理念得到了人们的瞩目，被誉为 二十一世纪新固体光源时代的革命性技术。据统计，美国2 2 的电力消耗缘于通 用照明，在中国这一数字是1 2 ，是仅次于空调和办公设备的第三大电力消耗源。 与传统照明相比，l e d 固态照明有着明显的优势【1 2 】： 1 ) 发光效率高 光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到5 0 以上。而光效差不多的 白炽灯可见光效率仅为1 0 - - 2 0 。 2 ) 节能 l e d 不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽 灯1 0 的能耗，相比萤光灯，l e d 也可以达到5 0 的节能效果。美国能源部有 一个类似的预测，到2 0 1 0 年美国一半的白炽灯如果由l e d 取代的话，仅节约的 电费就达到3 5 0 亿美元。 3 ) 使用寿命长 l e d 采用固体封装，结构牢固，寿命达1 0 万小时，是萤光灯的1 0 倍，白 炽灯的1 0 0 倍。 4 ) 环保 用l e d 代替萤光灯，避免了萤光灯管破裂外溢汞的二次污染，同时l e d 也 可以回收再利用。 5 ) 光线质量高 由于在光谱e e 很少处于紫外线和红外线波段，故产生热量很少，辐射很少， 浙江人学硕i ：学位论文第一章l e d 及其驱动 乜路的发展状况 属于典型的绿色照明光源。 6 ) 应用灵活 体积小，可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形 式的具体应用产品。 7 ) 响应快 白炽灯的响应时间为毫秒级，而照明l e d 的开关响应时间为纳秒级，适应 频繁开关以及高频运作的场合。 8 ) 可靠耐用 没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，甚至在水下也能长 时间稳定地工作，维护费用极为低廉。 随着技术的进步，这些优势还在被不断扩大，并且由于l e d 不像白炽灯那 样产生大量热量，在家庭使用环境下不存在火灾安全隐患。上述因素都促进了 l e d 通用照明的发展，而阻碍l e d 在通用照明市场普及的最大原因在于高昂的 成本。尽管单个l e d 的价格比节能灯、白炽灯都要贵，但是如果考虑到使用寿 命、能耗等综合因素，l e d 仍然具有优势。 伴随着半导体照明产业令人鼓舞的发展前景，近年日本“2 l 世纪光计划”、 美国“下一代照明计划”、欧盟“彩虹计划”、韩国“g a n 半导体发光计划”等 政府计划纷纷启动，中国在2 0 0 3 年6 月也成立国家半导体照明工程协调领导小 组，启动国家半导体照明工程【1 1 。世界三大传统照明工业巨头飞利浦、通用电气、 欧司朗也与半导体公司合作，成立半导体照明企业。目前，半导体照明发光效率 高于白炽灯，正以更快的速度拓展其多种应用范围，大尺寸液晶电视背光源、汽 车、商业和工业用照明都已逐步成为l e d 主要应用领域。预计2 0 1 0 年，l e d 将超过荧光灯，进入普通照明领域，节能效果将更加显著。 1 2l e d 驱动电路的发展现状 l e d 属于电流型器件，亮度由流过的电流控制，因此不能像普通白炽灯一 样，直接用电源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将l e d 烧毁的程度。 图1 1 所示为一组随机抽取的白光l e d 伏安特性曲线【3 1 ，从图中可知，在相同的 工作电流下，l e d 的正向导通压降受工艺离散性的影响呈现一定的差异。因此 浙江人学硕士学位论文第一章l e d 及驱动电路的发展状况 为了得到恒定的亮度，l e d 驱动电路一般采用恒流控制。图中所示虽然是小功 率l e d 的伏安特性曲线，但对于大功率照明l e d 的导通压降也存在类似的差异， 一般白光l e d 的正向导通压降在3 v 4 v 间。 ， ， j| 4 1 , 一 l 。l 1 l 1 7 ， 一 一f - 矽一 磁。，。 - - i t 胄t r t d o r al e d sf 1 o i i i 五r a n da 囊鼍 l l $ ；a 1 1 o o lnl e d f x o t a 五r a n dbr 图1 1 一组白光l e d 伏安特性曲线 目前，市场上的大功率白光l e d 恒流驱动控制模式主要有线性调整型和开。 关调整型，其中开关调整型包括电容式开关型( 电荷泵) 和电感式开关型【4 。】。 下面结合国内外近期的l e d 驱动芯片，介绍线性调整型和电感式开关型的工作： 原理，由于电荷泵属于低压升压模式，并且驱动能力较弱，一般不作为大功率 l e d 驱动芯片的控制模式，故不在此讨论之内。 1 2 1 线性调整型 线性调整型区别于开关调整型的特点是无需外接电容或电感等储能元件，其 功率管的栅端控制信号为稳定的电平，功率管可等效为压控电流源；而开关调整 型的功率管栅端为方波信号，功率管等效为开关管。另外，线性调整型电路形式 简单，封装小、成本低、外围器件少，输出噪声低，但效率低，并且只能适用于 降压应用。 1 2 1 i 全电流取样线性调整型 全电流取样线性调整型为最常见线性调整型结构，其基本原理如图1 2 所示。 通过l e d 驱动电流流过取样电阻产生反馈信号，与基准电压比较调节功率管栅 压，形成负反馈回路，以保持l e d 驱动电流的稳定。如电源电压变小时，l e d 浙江人学硕 ：学位论义第一章l e d 及其驱动i 乜路的发展状况 驱动电流变小，使取样电压相应变小，则与基准比较后输出电压变大，即功率管 栅压变大，使l e d 驱动电流变大，达到了稳定电流的目的。其中流过l e d 的电 流i l e d = v r o f r s e n s e ，从中可知流过l e d 的电流与电源电压无关。另外，线性 调整型的功耗主要由功率管漏源导通压降和大电流流过取样电阻产生。由于电路 的输出驱动电流恒定，因此减小功率管的导通压降和减小基准电压v r e f 可降低 功耗，而实际上l e d 灯上的压降加功率管的导通压降和基准电压v r e f 等于电源 电压，在电源电压不变时，功率管的导通压降和基准电压v r e f 相加基本不变， 这就使该电路的功耗只跟l e d 的电学特性和电源电压大小有关。对于该电路模 式，一般用5 v 电源电压驱动一只l w 3 5 0 m a 的l e d 灯时，电路效率仅为7 0 ， 这正是线性调整型模式效率低的原因。 图1 2 全电流取样线性调整型原理图 对于线性调整型，其功率管可选用n m o s 管或p m o s 管。由于电子的迁移 率比空穴大，在相同的电流驱动能力下，使n m o s 管的面积较p m o s 管小，因 此在同时满足设计要求的情况下一般优先考虑选用n m o s 管作为功率管。美国 m a x i m 公司的m a x l 6 8 2 3 和m a x l 6 8 2 4 m a x l 6 8 2 5 芯片是采用线性调整型驱 动控制模式的典型应用【6 7 】，其电路结构分别如图1 3 和图1 4 所示，其中 m a x l 6 8 2 3 的功率管采用p m o s 管，而m a x l 6 8 2 4 m a x l 6 8 2 5 的功率管采用 n m o s 管，管脚c s l 、c s 2 、c s 3 为外接取样电阻到地，管脚o u t l 、o u t 2 、 o u t 3 为外接l e d ，工作原理同前面分析的线性调整型，另外，芯片都是三通道 l e d 驱动电路，适合混联应用的大功率照明的l e d 驱动。 4 浙江人学硕士学位论文第一章l e d 及其驱动f i l 路的发展状况 。j 申旦 一： l 一 i 。l rh 一f 一一”卜 杪 上 r ” 乏 士l l 、 单 ，i k 一 斤i矗a 一 m t , m 翩倒 氟 i h 广 i i 王 上 i n l 已 狎 i l 嚣缌ii 图1 3m a x l 6 8 2 3 电路结构原理图 a j 他 漩 a n c 5 i 卜f a - 0 5 妒 n 口 一一 。h l 一 卜、 l li 新一气l ”i 入卜j i i - 4 - 厂 ；一， r 一一器 簟辱1 器卜 唯尉s 傩r - - - t u l 月幛h 一 雌 i州l 朋 图1 4m a x l 6 8 2 4 m a x l 6 8 2 5 电路结构原理图 5 浙江人学硕十学位论文 第一章l e d 及驱动电路的发展状况 1 2 1 2 带差分检测线性调整型 另一种改进的线性调整型结构如图1 5 所示。不同于前面的是电路中增加了 差分检测放大器，可通过差分检测电路实现简单精确的l e d 电流控制，其l e d 的驱动电流i l e d = v s r s ，同样与电源电压无关。图中电路采用的是低端采样， 即取样电阻r s 接在l e d 灯下，而如果将l e d 灯接在r s 下，则可完成高端采样， 这使它的外围电路连接方式显得更为灵活。此外，相比于其他结构的线性调整型， 此电路可避免由地线环路带来的l e d 驱动电流精度变差，并能抑制低频噪声。 美国m a x i m 公司的m a x l 6 8 0 0 和m a x l 6 8 0 3 就是采用这种方案，两者均为高 压的3 5 0 m a 大功率l e d 驱动芯片，其中m a x l 6 8 0 3 的内部结构如图1 6 所示【引， 其管脚c s + 、c s 为差分检测放大器的两个输入端，外接取样电阻。 图1 5 带差分检测的线性调整型原理图 图1 6m a x l 6 8 0 3 电路结构原理图 浙江大学硕一i ：学位论文第一章l e d 及j 驱动电路的发展状况 1 2 1 3 比例取样线性调整型 前面提到的结构都是对流过l e d 的驱动电流进行直接取样，这样虽然有利 于提高驱动电流的精度，但仍存在两方面的问题：一方面，由于l e d 驱动电流 值较大，而基准电压值一般较小，这就使取样电阻值较小，以致对外接元件的要 求提高，增加了整个l e d 照明系统的成本；另一方面，全电流取样时，功率管 的导通压降等于电源电压减去l e d 和取样电阻上的压降，这使功率管的导通压 降较小，而要得到同样的驱动电流就需要提高功率管栅源电压或增大功率管面 积，这就增大了电路设计的难度和不稳定性。因此，有些l e d 驱动芯片会采用 比例取样的方式。 采用比例取样方式的一种典型应用是m a x i m 公司的m a x l 9 1 6 ，其电路结 构如图1 7 所示【9 】，这是一款三路输出的白光l e d 恒流驱动芯片。芯片的功率管 采用n m o s 管，为了使取样管与功率管能更好的匹配，使用电阻上拉取样方式。 其中v c t r l 为内部一恒定电压，流过r s e t 的电流为( v c r r l _ v r e f ) r s e t ，当r s e t 取 定时，从上式可知流过r s e r 的取样电流恒定，不随电源电压变化，通过电流镜 像，则流过l e d 的驱动电流也是恒定的，不随电源电压变化，达到恒流驱动的 目的。另外，这也会使运放输出电压( 功率管栅压) 不随电源电压变化，因此为 了使取样管和功率管更好的匹配，使流过l e d 的驱动电流在电源电压变化时保 持稳定，功率管需工作在饱和区。另外，由于取样管与功率管的漏端电压并不相 等，即使工作在饱和区，两管的匹配仍存在误差，这就使其电流精度要比全电流 取样方式的低。 图1 。7m a x l 9 1 6 电路结构原理图 浙江人学硕i ：学位论文 第一章l e d 及其驱动i 【l 路的发展状况 1 2 1 4 精密比例取样线性调整型 为了达到解决全电流取样模式问题的同时，仍能保持较好的电流精度，一般 可将功率管改用p m o s 管，采用电阻下拉的取样方式，这样可使取样管与功率 管的漏、栅、源三端电压相等，提高他们的匹配度，此即精密比例取样模式，其 电路结构如图1 8 所示。 图1 8 比例取样高精度的电路结构原理图 图中m s 、m p 分别为取样管与功率管，通过运放钳位使其漏端电压相等， 实现两个管子的良好匹配。其中流过m s 的电流大小i s = v r e f r s ，当r s 取定时， i s 为一恒定值，通过m s 与m p 的比例关系，使l e d 上的驱动电流也保持恒定。 由于取样管与功率管的匹配度提高，电流精度也会提高。另外，p m o s 管的驱动 能力较n m o s 管弱，因此在相同的驱动电流下，此结构的功率管面积较大。 1 2 2 电感式开关调整型 目前，l e d 驱动电路采用的电感式开关调整型主要是p w m ( 脉冲宽度调制) 模式，特点是功率管栅端为一周期不变而占空比可变的开关脉冲信号，通过占空 比调节实现l e d 驱动电流稳定。此结构电路形式较复杂，但工作效率高，由于 功率管上漏源压降很小( 远小于线性调整型) ，因此这部分的功耗很小，其功耗 主要来源是取样电阻，另外，电感上会存在一部分损耗，在振荡频率很高时功率 管的开关损耗也会成为影响因素【1 0 1 。电感式开关型主要有电压型p w m 、峰值电 浙江大学硕j ：学位论文第一章l e d 及其驱动电路的发展状况 流型p w m 、平均电流型p w m 和滞环电流型p w m 】，以上的控制模式均为开 关电源中的概念，但也能应用到l e d 驱动电路中，只要将原本电压反馈的电阻 取样网络改成l e d 负载与取样电阻串联就能把开关电源的恒压输出变为l e d 上 的恒流驱动。 电感式开关型在l e d 驱动应用中有升压( b o o s t ) 、降压( b u c k ) 、降升) 匪( s e p i c ) 等拓扑结构，如图1 9 所示。对于升压型，在理想情况下，输出电压与输入电压 的关系满足v o u t = v i n ( 1 d ) ，而降压型则为v o u t = v i n x d ，其中d 为功率管上栅 压的占空比( 开关导通的时间除以振荡周期) ，从式中可知，当输入电压固定时， 不管是升压型还是降压型，其输出电压都随占空比d 的变小而变小。另外，在 l e d 驱动应用中，b o o s t 与b u c k 的拓扑结构较多，s e p i c 结构因其外接无源元件 多而只在一些高要求场合应用。 v v o t e rv v o l vv“rr 图1 9 电感式开关型的三种拓扑结构 1 2 2 1 电压型p w m 模式 图1 1 0 所示为电压型p w m 模式在l e d 恒流驱动中的应用，此为b o o s t 拓 扑结构。区别于开关电源中电压型p w m 的是将电压环路改成了l e d 的电流环 路，此时流过l e d 的电流i l e d = v r e f r s 。控制原理如下：当l e d 上的电流变大 时，r s 的反馈电压变大，误差放大器的输出v e 变小，再通过p w m 比较器与固 定频率的斜波比较，产生占空比变小的方波信号，因此功率管导通时间变小，由 前面的公式可知输出电压变小，则l e d 的电流变小，这样也就使l e d 的电流趋 于稳定。降压型电压p w m 控制原理类似于升压型，电路拓扑结构如图1 1 1 所示， 其内部电路结构和升压型一样，只是外接拓扑电路结构不同。 9 浙江大学硕i ：学位论文第一章l e d 及j e 驱动i u 路的发艘状况 v i n 图1 1 0b o o s t 电压型p w m 控制原理图 图1 1 1b u c k 电压型p w m 控制原理图 电压型p w m 模式在早期的l e d 驱动芯片中应用的比较多，如美国m a x i m 公司的m a x l 5 5 3 m a x l 5 5 4 ，这是一款升压型的l e d 恒流驱动芯片，输入电压 为2 7 v 5 5 v ，可驱动多达l o 只白光l e d ，其电路原理如图1 1 2 所利1 2 1 ，此结 构类似图1 1 0 的b o o s t 电压型p w m 模式，其中f b 端为外接取样电阻，l x 端 为上接电感。 l o 浙江大学硕i j 学位论文第一章l e d 及e 驱动电路的发展状况 图1 1 2m a x l 5 5 3 m a x l 5 5 4 电路结构原理图 电压型p w m 的优点是结构较其他类型的p w m 简单，占空比的可调范围大， 并且l e d 上的电流纹波小，精度高。缺点是对输入电压的变化动态响应慢，3 1 、 偿网络设计本来就较为复杂，而闭环增益随输入电压变化使其更为复杂。 为了改善电压型p w m 的响应速度，一般有两种方法【1 3 1 ：一是增加电压误差 放大器的带宽，保证具有一定的高频增益，但这样容易受高频开关噪声干扰。另 外一种方法是采用电压前馈控制型p w m 模式，这正是本设计的内容，将在后面 的芯片设计章节中进行分析讨论。 1 2 2 2 峰值电流型p w m 模式 峰值电流型p w m 简称电流型p w m ，由于此模式需要检测电感电流的峰值 大小，故得此名。其控制原理如图1 1 3 所示，此为b u c k 拓扑结构。此电路存在 两个控制环路，在开关电源中为电压外环和电流内环，而在l e d 驱动电路中将 浙江大学硕十学位论文 第一章l e d 及j 驱动【l 路的发展状况 电压外环变成了控制l e d 电流的电流外环，电流内环则控制开关导通时的电感 峰值电流。具体控制原理如下：流过l e d 的驱动电流由v r e f 和r s 确定， i l e d = v r e f r s ，此时误差放大器的输出v e 为一固定值，另外，功率管下的电感电 流取样电阻r s e n s e 在功率管导通时跟踪电感电流的变化，当r s e n s e 上的电流通 过电流检测放大器放大，其输出电压值超过v e 时，p w m 比较器输出翻转，触 发器清零有效，功率管被关断，即此时电感电流达到最大值，在功率管关断后电 感电流开始下降，直至下一个周期触发器置位有效，将功率管重新开启，开始下 一个循环。其中检测电感电流的电流内环波形如图1 1 4 所示。 v n v e v e v s e n s f 歼笑 图1 1 3b u c k 峰值电流型p w m 控制原理图 l e d 、 图1 1 4 b u c k 峰值电流型p w m 电流内环波形 如果l e d 上的电流因某种原因变大时，则电流外环的反馈电压变大，与基 准v r e f 比较后输出电压v e 变小，如图1 3 中v e 7 所示，这将使功率管栅压的占 空比变小，即开关的导通时间变小，输出电压变小，l e d 的电流变小，实现了 反馈控制，使l e d 电流最终保持恒定。 浙江大学硕二t 学位论文 第一章l e d 及j 驱动电路的发展状况 升压型峰值电流p w m 控制原理类似于降压型，其电路结构如图1 1 5 所示。 图1 1 5b o o s t 峰值电流型p w m 控制原理图 当l e d 上的电流因某种原因变大时，电流外环的反馈电压变大，与基准v r e f 比较后输出电压v e 变小，这使功率管栅压的占空比变小，l e d 电流变小，实现 了反馈控制，使l e d 电流保持恒定。 美国c a t a l y s ts e m i c o n d u c t o r 公司的c a t 4 1 3 7 即采用这种控制模 式。c a t 4 1 3 7 的电路结构如图1 1 6 所示【1 4 1 ，这是一款升压型的白光l e d 驱动电 路，结构类似图1 1 5 ，输入电压范围为2 2 v 一5 5 v ，最多可驱动5 只白光l e d 。 图1 1 6c a t 4 1 3 7 电路结构原理图 r 1 1 5 0 1 3 浙江人学硕j j 学位论义 第一章l e d 及驱动f 【l 路的发腱状况 通常来说，对于峰值电流型p w m 的芯片，如果内部电路结构适当，其外接 拓扑结构即可以选择降压型，也可以选择升压型。但图1 1 3 所示的峰值电流型 p w m 模式由于采用高端电感电流采样方式，就只能用降压型，如士兰的s d 4 2 5 0 9 芯片就是采用这种电路方式。对于低端电感电流采样方式，如图1 1 5 的电路只 要适当的修改，就可以降压和升压拓扑都适用，具体电路如图1 1 7 所示，其中 图1 1 7 ( a ) 为降压型，图1 1 7 ( b ) n 升压型，不同于前面的峰值电流型p w m 电路 的是此电路对l e d 回路的取样电阻不是单端采样，而是差分检测放大，这种结 构在前面的线性调整型中已有说明。电路中流过l e d 的电流i l e d = v s r s ，其他 原理跟前面所述峰值电流型p w m 一样。由于此结构外接拓扑灵活，目前应用的 比较多，如美国p a m 公司的p a m 2 8 4 2 就是采用这种电路结构。 ( a ) b u c k 拓扑结构( b ) b o o s t 拓9 1 、结构 心 图1 1 7 改进的峰值电流型p w m 控制原理图 峰值电流型p w m 模式在l e d 驱动电路中早期的典型应用是a d d m i c r o t e c h 公司的a m c 7 1 5 0 芯片，此为降压型应用，对电感电流采用的是高 端采样，其工作原理如图1 1 8 所示【1 5 】。不同于普通峰值电流型p w m 结构的是 此电路只有一个控制环路：电感电流的电流内环，省略了l e d 电流的电流外环。 由于缺少对l e d 电流的取样反馈，使流过l e d 的电流完全由电感电流确定，这 是以牺牲l e d 的电流精度来达到单环简单控制的目的，而且无需复杂的补偿网 络，这种结构是峰值电流型p w m 的一种极端应用。当外接元器件确定时，电感 1 4 浙江人学硕上学位论文第一章l e d 及驱动l 【l 路的发展状况 电流大小是固定的，其不随负载l e d 的特性差异而波动，因此负载电流基本不 随负载变化而变化，但当输入电压变化时，电感电流的峰值是由内部电路确定， 而上升斜率却是变化的，这导致电感电流的平均值变化，因此负载电流对输入电 压的变化比较敏感。在实际应用中，一般需要对输入电压采用恒压源输出，避免 其大范围波动。 4 v - , 4 f l vr s e m e 图1 1 8 a m c 7 1 5 0 结构图 a m c 7 1 5 0 芯片内置时钟方波产生电路，波形频率通过外接电容决定，其 c o n t r o l 模块为一触发器，清零端接比较器的输出。具体工作原理如下：在功 率管导通时，电感电流逐渐变大，使取样管r s e n s e 两端的电压变大，当其大于 芯片内置比较电压3 0 0 m v 时，比较器输出翻转，触发器清零有效，功率管被关 断，电感电流开始下降，直到下一个时钟脉冲到来，将功率管开启，电感电流再 次上升，实现周期性的循环控制。其电感峰值电流大小i m a x = 3 0 0 m v r s e n s e ，当 输入电压和电感大小确定时，电感电流的纹波大小也是确定的，这时输出电流不 随负载变化，即l e d 灯性能的偏差并不会对流过它的电流大小产生影响。另外， 当l e d 电流变大时，r s e n s e 两端的电压上升变快，使比较器输出电压很快翻转， 触发器清零有效，此时功率管栅压占空比变小，即导通时间变小，l e d 电流变 小，通过反馈回路，最终建立l e d 电流的稳定。 电感电流峰值取样电路的引入，一方面克服了电压型p w m 对输入电压的变 化动态响应慢和补偿网络复杂的缺点，另一方面却带来了电感电流的平均值随输 入电压变化的问题，并且在电感电流占空比大于5 0 时，电感电流的扰动会产生 振荡【l l 】。具体情况见图1 1 9 、图1 2 0 、图1 2 1 。 浙江大学硕十学位论文第一章l e d 及l 驱动i 乜路的发展状况 m 1 m l n 图1 1 9 不同输入电压下电感电流波形 l p l a v l l a v h 图1 2 0 占空比小于5 0 时的电感电流扰动情况 j p ) 1 2 图1 2 1 占空比大于5 0 时的电感电流扰动情况 图1 1 9 中m l l 为较低的输入电压下电感电流的上升斜率，m l h 为较高的输 入电压下电感电流的上升斜率，m 2 为电感电流的下降斜率，i p 为芯片内设定的 电感电流峰值大小，i a v l 为较低的输入电压下电感电流的平均值，i a v h 为较高的 输入电压下电感电流的平均值。从图中可以看到，当输入电压升高时，在稳定状 态下( 电感电流的上升值与下降值相等) ，电感电流的最小值变小，最大值不变 仍为i p ，因此电感电流平均值变小，这就是峰值电流型p w m 只保持电感的峰值 电流恒定，而不控制电感平均电流的表现。 图1 2 0 和图1 2 1 分别显示了电感电流在占空比小于和大于5 0 时受到扰动 浙江大学顾十学位论文 第一章l e d 及j 驱动电路的发展状况 后的波形。当占空比小于5 0 时，即电感电流的上升斜率m l 大于下降斜率m 2 的绝对值，经过一个周期后，电感电流的输出扰动a 1 2 小于输入扰动1 1 ，因此， 经过数个周期可最终消除扰动。而当占空比大于5 0 时，电感电流的输出扰动 1 2 大于输入扰动a 1 1 ，最终会形成振荡。 解决上述峰值电流型p w m 模式两个问题的方法是加入斜率补偿电路。根据 前面电感电流波形的变化特征，斜率补偿电路一般有两种加入方式【1 3 】：一种是 在误差放大器的输出v e 上叠加一个负斜率的电压；另一种是在电感电流的采样 输出信号上叠加一个正斜率电压。第一种方法如图1 2 2 和图1 2 3 所示，图中为 了方便说明电感电流的变化情况，将v e 及其上叠加的负斜率电压转换为电流i p 表示，其中m 表示所叠加的负斜率大小，其他参数同前。从图1 2 2 中可知，只 要选取合适的斜率r n 就可使在不同输入电压下的电感平均电流相等，其中输入 电压变大时，电感电流的最大值变大，最小值变小。另外，从图1 2 3 中可知， 1 在占空比大于5 0 时，只要i m l 去i 朋2 i ，电感电流的输出扰动a 1 2 将小于输入扰 二 动a 1 1 ，最终可消除扰动。 图1 2 2 v e 上加负斜率补偿后的不同输入电压下电感电流波形 i lf l l p ) 1 2 图1 2 3 v r e 上加负斜率补偿后的占空比大于5 0 时的电感电流扰动情况 浙江人学硕：i j 学位论文第一章l e d 及其驱动i u 路的发腱状况 以上的分析表明在误差放大器的输出v e 上叠加一个负斜率的电压可以解决 峰值电流型p w m 模式的两个问题，至于第二种方法，在电感电流的采样输出信 号上叠加一个正斜率电压而不改变误差放大器的输出电压，也能达到同样的目 的。其电感电流的变化波形与图1 2 2 、图1 2 3 类似，只要选取合适的所叠加信 号的正斜率，就可使在不同输入电压下的电感平均电流相等，并在占空比大于 5 0 时消除扰动。对比于在误差放大器的输出上叠加一个负斜率电压，在电感电 流的采样输出信号上叠加一个正斜率电压显得更为简单，电路也更容易实现。目 前大部分峰值电流型p w m 模式的斜率补偿方式都是采用在电感电流的采样输 出信号上叠加一个正斜率电压，如士兰的s d 4 2 5 0 9 、美国p a m 公司的p a m 2 8 4 2 等。 士兰的s d 4 2 5 0 9 芯片内部结构如图1 2 4 所示【16 1 。这是一款降压型的l e d 驱 动应用，输入电压可达2 5 v ，可以驱动串联的6 只l e d 灯。基本工作原理类似 图1 1 3 ，其跨导放大器将l e d 驱动电流与电流阈值相比较( 电流闽值由内部设 定) ， - 3l e d 驱动电流高于闽值电流时，c o m p 管脚的电压变低，通过电流比较 器后，r s 触发器提前清零有效，相应的使开关管截止时间增大，l e d 驱动电流 减小，通过环路的调节作用，l e d 驱动电流稳定在设定的电流值。另外，从图 中可以看到斜率补偿是叠加在电感电流的采样输出信号上。s d 4 2 5 0 9 的工作电路 如图1 2 5 所示。 图1 2 4s d 4 2 5 0 9 的内部框图 浙江火学硕士学位论文第一章l e d 及j e 驱动i 乜路的发展状况 cs n 尘 1 0 uf 工 c e p 1 扯f 41n c v i n 3 】c o m p c b 搴 1 0 n f l 1 2 2 “h r s o ，2 4 q c o ： 淹4 7 u f 。 遵l e d 遵 图1 2 5s d 4 2 5 0 9 的工作电路 美国p a m 公司的p a m 2 8 4 2 芯片内部结构如图1 2 6 所示【1 7 1 。电路支持降压 升压升降压等多种拓扑结构，输入电压可达4 0 v ，最多可以驱动串联的l o 个大 功率l e d 灯。其降压型应用原理类似图1 1 7 ( a ) ，升压型应用原理类似图1 1 7 ( b ) ， 根据不同的需求，电路可实现高端或低端驱动电流采样。另外，从图中可以看到 斜率补偿也是叠加在电感电流的采样输出信号上。p a m 2 8 4 2 的降压应用工作电 路如图1 2 7 所示。 v d d 5 vc o m po v r t 图1 2 6p a m 2 8 4 2 的内部框图 1 9 浙江人学硕i ：学位论文第一章l e d 及其驱动i 乜路的发展状况 p g n ds w p