（微电子学与固体电子学专业论文）用于市电供电的大功率led驱动电路的设计.pdf

摘要 随着节能减排和环保意识深入人心，l e d 照明受到广泛的关注。l e d 为低 压直流驱动，且易受温度的影响，因此需要专用的驱动电路。研发适用于通用照 明l e d 驱动电路，对于l e d 的普及有深远的意义。 本文设计的l e d 驱动芯片内部集成耐压6 0 0 v 的l d m o s ，交流市电在经过 a c d c 转换后不需要降压，直接可以用于芯片的输入。该芯片可以驱动1 0 1 0 0 个l e d ，输出电流范围为2 0 0 m a 1 a 。采用峰值电流检测的p w m 控制方式，通 过采样电阻将l e d 的峰值电流转换为电压和内部的基准电压相比较，产生功率 开关管的控制信号。该驱动主要用于通用照明，支持线性调光和p w m 调光。 本文在分析和比较各种l e d 驱动电路的基础上，根据实际应用设计了驱动 电路的整体架构，其中控制芯片的主要模块包括：带隙基准源、l d o 、振荡器、 栅极驱动电路、欠压保护电路、调光电路以及比较器，同时还对高压l d m o s 的 结构和特性进行研究。 整体设计采用u m c0 6 u m 的6 0 0 vb c d 工艺，利用s p e c i e 仿真工具对整体 电路进行功能验证。结果表明：该电源芯片的输出电压纹波小于4 - o 5 ，输出电 流纹波小于1 5 ，转换效率大于9 0 ，同时静态功耗不超过0 2 w 。 关键词：大功率l e d 峰值电流检测p w m 调光恒流驱动 a b s t r a c t 一 a b s t r a c t l e dl i g h t i n gh a sr e c e i v e de x t e n s i v e a t t e n t i o nw i t h e n e r g ys a v i n g a n d e n v i r o n m e n t a la w a r e n e s sd e e p l yr o o t e d t h el e dn e e d ss p e c i a l d r i v e rf o r t h e c h a r a c t e r i s t i co fl o wv o l t a g ed cd r i v ea n dt e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t y t h ed e s i g no f l e dd r i v e rf o rg e n e r a li l l u m i n a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri t sp o p u l a r i z a t i o n t h ev o l t a g eo f2 2 0 va cw h i c hi sc o n v e r t e db ya c d ca n dw i t h o u tv o l t a g e s t e p d o w n ，c a nb ed i r e c t l yu s e da st h ei n p u to ft h ed r i v e rf o rt h ei n t e g r a t i o no ft h e 6 0 0 ve n d u r a b l el d m o s t h ep w mc o n t r o lm o d eo fp e a kc u r r e n tw a sa d o p t e df o r t h ec h i p t h ep o w e rs w i t c hc o n t r o ls i g n a lw a so b t a i n e df r o mt h ec o m p a r i s o no f i n t e r n a lr e f e r e n c ev o l t a g ew i t ht h eo n ew h i c hw a sc o n v e r t e df r o mt h ep e a kc u r r e n to f l e d b yt h es a m p l i n gr e s i s t o r t h ec h i p ，w h i c hi sm a i n l yu s e df o rg e n e r a li l l u m i n a t i o n ， s u p p o r t sb o t hl i n e a rd i m m i n ga n dp w md i m m i n g b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fv a r i o u st y p e so fl e d d r i v i n gc i r c u i t s ， t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h ed r i v e rw a sd e s i g n e df o rt h ea p p l i c a t i o n t h em a i n s u b - c i r c u i t si n c l u d e dt h eb a n d g a p ，l d o ，o s c i l l a t o r , t h ed r i v i n gc i r c u i t ，u n d e rv o l t a g e l o c ko u t ，t h ed i m m i n gc i r c u i ta n dc o m p a r a t o r m e a n w h i l e ，t h ea r c h i t e c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i co fh i g hv o l t a g eo fl d m o sw e r er e s e a r c h e d t h ew h o l ed e s i g na d o p t e dt h eu m c0 6 u m6 0 0 vb c dp r o c e s sa n dw a sv e r i f i e d b ys p e c t r es i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u tv o l t a g er i p p l eo ft h ep o w e r c h i pi sl e s st h a n o 5 ，t h eo u t p u tc u r r e n tr i p p l el e s st h a n 15 ，t h ee f f i c i e n c yu p t o9 0p e r c e n ta n dt h eq u i e s c e n tp o w e rn o te x c e e d i n g0 2 w k e yw o r d s ：h i i g hp o w e rl e d ，p e a kc u r r e n td e t e c t i o n ，p w md i m m i n g ，c o n s t a n t c u r r t e n td r i v i n g i i 第一章绪论 一。一 第一章绪论 白光l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 以其低功耗、寿命长、体积小、响应快和节 能环保等优点，广泛应用于照明、背光和信号指示灯等领域。随着l e d 技术的 进一步发展，l e d 将取代白炽灯和节能灯而成为通用照明和特殊照明的主流器 件 1 。 中国是能源消耗的大国，同时也是最具节能需求的国家，l e d 照明在中国 具有巨大的市场前景【2 1 。随着l e d 驱动技术的成熟，尤其是价格上的下降，l e d 照明将得到快速的普及和发展。 第一节l e d 概述 1 1 1l e d 的发光原理 l e d 本质上就是一个p n 结，在外部激励条件下，能将电能转化为光能。当 给p n 结加正向偏压时，在电场的作用下，电子和空穴分别向p 区和n 区移动， 形成少数载流子，分别与各自的多数载流子复合，多余的能量以光子的形式向外 辐射，从而实现电能转化为光能【3 】，如图1 1 所示。 图1 1l e d 的发光原理 l e d 发光的波长入与其p n 结的禁带宽度e 。直接相关，一般为入 1 2 4 0 e g ( 1 1 i n ) ，式子中e g 的单位为电子伏特( e v ) ，要生成可见光( 入= 3 8 0n m 7 8 0 n m ) ，p n 结的禁带宽度应在3 2 6 1 6 3e v 之间。 第一章绪论 。一 1 1 2l e d 的优缺点 l e d 照明为新型的照明方式，和传统的照明相比，具有以下的优点 4 ： ( 1 ) 节能 当使用高亮度、大功率的l e d 光源，采用合适的驱动芯片，可以比传统白 炽灯节电8 0 以上，节能灯节电5 0 以上。对于我国巨大的照明需求，l e d 照 明有巨大的市场前景。 ( 2 ) 寿命长 l e d 由于为固体冷光源，不存在传统光源如灯丝烧坏、热沉淀等缺点，使 用寿命高达6 万h 1 0 万h ，与普通光源相比有巨大的优势。因此，在路灯照明 等不易维护的场合，可以采用l e d 作为照明光源，来减少维护的成本。 ( 3 ) 响应快 l e d 灯只需纳秒级的时间便可响应，而白炽灯则需要毫秒级，故传统光源 在接通电源后，会延迟一段时间才亮，而l e d 灯在接通电源后，会立即点亮。 ( 4 ) 低电压驱动 单个l e d 使用低压2 0 v 3 6 v 的直流电源供电，所以即使身体接触到l e d 灯，也不会有危险，特别适合公共场合照明。 ( 5 ) 环保 l e d 作为冷光源，采用无毒的半导体材料做成，不含汞等重金属元素，既 不会对环境造成污染，还可以回收利用。 由于具备以上几个优点，l e d 照明具有巨大前景，但是要取代传统光源， 还存在以下几方面的问题 5 】： ( 1 ) 价格过高 当前l e d 灯的价格和传统灯具相比，价格相对还是较高，其中l e d 驱动的 成本占据很大比例。只有研发出价格更低，性能更好的驱动，l e d 才会得到快 速的发展和普及。 ( 2 ) 散热问题 l e d 做为绿色光源，对能量的利用率较高，能将大部分的能量转换为光能， 但还是有部分能量被转化为热量。尤其是当l e d 的驱动效率不高时，发热现象 尤为显著。当温度上升时，p n 结的温度升高，使l e d 的寿命急速下降，甚至有 可能使驱动不能正常工作。因此，寻找一种新型的封装或散热方式，对促进l e d 的发展有很大的帮助。 ( 3 ) 光衰问题 当l e d 长时间点亮时，温度会升高，此时会感觉l e d 的亮度降低，产生红 移现象，这就是常见的光衰问题。由于受光衰影响，l e d 的寿命会大大降低， 2 第一章绪论 一般当l e d 的亮度降到原来值的3 0 ，就会影响到正常使用。 ( 4 ) 光色问题 尽管l e d 能通过合成红、黄、蓝光来形成白光，但这种光和自然的白光还 是有一定的不同。在自然光中，黄色光谱会占据很大的比例，而l e d 中含有较 多的蓝色光，产生的效果也就没有自然光的柔和。 第二节l e d 驱动电路 l e d 是低压、直流供电的发光二极管，在正常工作下，其两端的压降为 1 8 v 3 6 v 。无论是市电交流供电还是蓄电池直流供电，其供电电压都是变动的， 同时输出电流也是变动的。因此，为保证l e d 可靠、亮度均匀地工作，就需要 设计恒流驱动电路。 1 2 1l e d 驱动的必要性 在l e d 两端外加偏压时，通过l e d 的电流和l e d 上的压降如图1 2 所示， 其中v a 为开启电压，v c 为反向击穿电压【6 。l e d 核心为p n 结，当正向电压小 于l e d 的阈值时，正向电流很小，此时l e d 不发光；当正向电压大于l e d 阈 值时，正向电流会迅速增加，表现在曲线很陡峭。 l 。 b v c 0 i v a ： 一1 作区l v 正向死区l 图1 2l e d 结的伏安特性曲线 当l e d 外加电压v 大于开启电压v a 时，此时l e d 的等效电阻很小，随着 正向电压增大，电流快速增加。一般红光l e d ，正向工作电压v f 约为1 8 2 2 v ； 第一章绪论 一 绿光l e d ，正向工作电压v f 约为2 8 3 2 v ；白光l e d ，正向工作电压v f n 3 3 6 v 。 由于l e d 伏安特性曲线的非线性，如果加在l e d 上得正向压降很小的波动 会引起电流很大的变化，而l e d 光通量的输出又与流经的电流直接相关，从而 引起l e d 亮度的改变，所以必须设计合适的驱动电路。 在实际生产过程中，不同批次或同一批次的不同芯片受工艺不确定性的影 响，也会有不同程度的差异。对于需要多个管子串联或并联时，差异性也是驱动 电路设计需要考虑的因素之一，尤其是在多通道的电流匹配性方面。 1 2 2l e d 驱动电路的分类 l e d 驱动电路主要作用在于将接入的电源转变为l e d 所需的电压和电流条 件。在实际应用中，根据l e d 数量的不同、连接方式的差异以及输入电源的不 同，驱动电路的结构也会有差异。l e d 驱动电路主要包括线性稳压器、电荷泵 d c d c 变换器和电感d c d c 变换器 7 1 。 ( 1 ) 线性稳压器 线性稳压电源的主体结构由参考电压、误差放大器、调整管和采样电路组成， 如图1 3 所示，同时还可能包括保护电路、启动电路等功能。 ：= _ 图1 3 线性稳压源的基本电路 线性稳压电源只适合降压使用，由于调整管承受了输入和输出电压差，当驱 动大负载时，会消耗很大的功耗。在大多数情况下，其转换效率一般不会高于 5 5 ，所以用其作为l e d 照明的供电电源，整体效率会很低，不符合节能减排 的初衷。同时，由于受到调整管散热的限制，也只适合于小功率场合，在要求大 功率l e d 照明应用中，很难满足要求。 ( 2 ) 电荷泵d c d c 变换器 4 第一章绪论 电荷泵d c d c 变换器主要包括振荡器、反相器及4 个模拟开关，同时还包 括外接电容c 1 、c 2 ，典型结构如图1 4 所示。 图1 4电荷泵d c d c 变换器的典型电路 该倍压电荷泵的工作包括充电阶段，即能量储存阶段和放电阶段，即能量转 移阶段。在充电阶段，开关s 1 $ 3 闭合，$ 2 $ 4 断开，快速储能电容c 1 被充电 到输入电压v i n ，储存的电压将在放电阶段被转移；在放电阶段，开关s 1 $ 3 断 开，$ 2 $ 4 闭合，此时c 1 下极板的电位为v i n ，而由于电容上的电压不能突变， c 1 的上极板，即c 2 两端的电压变成了2 v i n ，从而实现输出的倍压。 电荷泵电路仅外接两个电容和4 个开关，电路简单，无需使用电感，缺点在 于效率低，同时输出功率较小，电压变化范围有限，不适合大功率l e d 照明的 应用。 ( 3 ) 电感d c d c 变换器 电感式d c d c 变换器相比上述两种驱动电源而言，优点在于功耗小，效率 高，转换效率一般都在9 0 以上。同时当输入电压变化较大时，可以通过调节控 制信号的占空比进行补偿，保证有较稳定的输出电压。另外，由于有多种拓扑结 构可供选择，比如降压型、升压型、降压升压型，可以满足不同的应用场合。 以降压型为例，其主要的拓扑结构如图1 5 所示： n m o s 图1 5 降压型变换器的拓扑结构 + 第一章绪论 1 2 3l e d 与驱动电路的匹配 采用l e d 照明时，需要考虑选用什么样的驱动电路才能保证l e d 的正常工 作，以及在不同的负载时，采用什么样的连接方式才能达到亮度的要求。l e d 的连接方式通常有串联方式、并联方式和混联方式 引。 ( 1 ) l e d 串联方式 l e d 串联工作方式如图1 6 所示，此时如果l e d 有较大的离散性，会导致 单个l e d 上的压降存在差异，但由于l e d 的电流都一样，因此亮度仍会保持一 致。 限崭f 申阳 图1 6 带稳压二极管的l e d 串联方式 如果有一颗l e d 发生断路，由于串联的关系，所有的l e d 将全部不亮。要 想剩余的l e d 继续工作，需要在每个l e d 两端并联一个稳压二极管，此时应确 保稳压管的导通电压大于l e d 的导通电压。 采用串联连接l e d 时，电路结构简单，但当驱动多颗l e d 时，需要的输出 电压较高，增加电源的设计难度。 ( 2 ) l e d 并联方式 l e d 的并联工作方式如图1 7 所示。该方式适合电源电压较低的应用中，比 如太阳能路灯或电池供电的灯具。 曩曩天 弋 z - 5z 5z ) 5 驱动电源 _ 图1 7l e d 的并联方式 在图1 7 的连接方式中，当某一颗l e d 断开后，如果采用恒压驱动时，驱 动电源的输出电流将相应减小，并不会对其他l e d 的正常工作造成影响；如果 6 第一章绪论 采用恒流方式驱动，流经余下的l e d 的电流则会增大，可能会超过l e d 的额定 工作电流，从而使所有的l e d 均损坏。同时，必须有过流保护电路，否则当某 一颗l e d 发生短路时，所有的l e d 都会不亮。 当多颗l e d 并联时，要求输出电流较大，此时驱动电源可能达不到所需的 要求。 ( 3 ) l e d 混联方式 在亮度要求较高的的照明产品中，需要多颗l e d 进行工作，当所有的l e d 采用串联方式连接时，要求驱动电源输出电压很高；当采用并联方式时，又要求 驱动电源的输出电流很大，此时一般采用混联的方式，如图1 8 所示。 弋 z 多s! 多 sz 多s 弋! 多! z 多 !z 多s - - 一 电源l - j ! 多sz 多 sz 多s 、 ! 多s! 多 sz 多s 图1 8l e d 混联工作方式 多 多 多 多 第三节市电供电l e d 驱动电路的发展现状 l e d 凭借其自身的优点，已大量应用于电子设备的指示灯、大屏幕显示和 显示屏的背光等领域。随着节能减排目标在各国的制定，照明光源由于耗电大而 得到广泛关注，国际主要照明厂商和第三方咨询机构都预测l e d 未来最大的应 用是普通照明 9 】。l e d 的特点是工作电压低，通常工作的直流电压不会超过4 v ， 这样对于有效值为2 2 0 v 的交流电来说，不仅需要降压，而且需要将交流电转变 成直流电，最简单的实现方法是在前级加整流滤波电路。 1 3 1国外发展现状和趋势 国外对l e d 驱动芯片产品设计开展的时间较长，取得了较好的成就，以德 州仪器、国家半导体和美信科技等企业为代表，控制着我国l e d 驱动i c 的大部 分市场。对市场比较成功的产品进行调查，美国德州仪器公司推出的t p s 6 1 1 9 5 l e d 驱动芯片，p w m 频率最高为1 2m h z ，最多可以驱动9 6 个l e d ，但是芯 片的耐压仅为2 4 v ，在市电经过整流和滤波转换为直流后，还需专用的降压模块 7 第一章绪论 才能用于芯片供电；美国国家半导体的l m 3 4 4 5l e d 驱动芯片输入电压范围 7 0 2 7 7 v ，最大输出1 a ，采用t r i a c 调光，但是转化效率只有8 5 ；美国美信 半导体公司的m a x l 6 8 0 1l e d 驱动芯片最高输入电压4 0 0 v ，驱动1 0 0 颗l e d ， 目前市场应用较为广泛，但是在线性调光上有很大的不足，导致l e d 亮度均匀 性较差。 1 3 2 国内发展现状和趋势 目前，国内l e d 驱动j 枣片产品最高输入电压集中在6 0 v 以下，彳i 能直接应 用于市电照明。杭州士兰微电子公司推出了一款降压、恒流型l e d 驱动芯片 s d 4 2 5 2 8 ，输入电压最高达6 0 v ，输出电流1 a ，可串接1 2 个l e d ，p w m 频率 范围1 0 0 h z 2 k h z ；上海启攀微电子c p 2 1 2 2 是一款应用于白光l e d 的升压型 l e d 驱动芯片，开关管的峰值电流可高达7 0 0 m a ，并且可承受高达3 4 v 的电压， 可驱动一串多达9 个l e d ，或者三串多达2 1 个l e d ；上海龙鼎微电子p a m 2 8 4 2 l e d 驱动芯片具有从5 5 v 到4 0 v 较宽的输入电压范围，利用内置的m o s f e t 可以驱动1 0 个3 瓦的l e d ，或者3 0 个1 瓦的l e d 。 第四节本论文主要内容 本论文主要是设计用于市电供电的大功率l e d 驱动芯片，主要内容共分为 六章，各章内容介绍如下： 第一章：介绍了l e d 发光原理、优缺点，l e d 驱动电路的种类及l e d 与驱 动电路的匹配，市电供电的大功率l e d 国内外发展状况以及本文简单的结构安 排。 第二章：分析三种d c d c 拓扑结构的基本原理，并比较p w m 和p f m 调制 的优缺点以及电压反馈和峰值电流反馈的区别。 第三章：对芯片进行整体设计，包括芯片的引脚分布以及所包含的主要模块， 同时指出设计中的几个关键技术。 第四章：在对l d m o s 进行了简单研究后，对子模块电路进行设计和仿真， 主要设计的子模块为带隙基准、l d o 、振荡器、欠压保护、驱动、线性和p w m 调光及比较器。 第五章：在确定系统的性能指标下，先进行a c d c 模块的设计及选择外围 器件参数，针对不同情况下的整体电路进行仿真，并对仿真结果进行分析及与主 流芯片进行对比。 第六章：对本文所做工作的总结，指出当前工作的不足和后续研究的方向。 第二章d c d c 结构与原理分析 第二章d c d c 结构与原理分析 在实际应用中，因l e d 的数量不同、连接方式的差异，对输入电压和输入 电流的要求也不同，因此需要对供电电源进行变换。在第一章中对l e d 的三种 驱动电路做了简单的介绍，其中线性电源由于效率低，体积大，不太适合大功率 l e d 照明；电荷泵d c d c 变换器则由于效率低，电压变化范围也有限，同样不 适合大功率的l e d 照明，故本文的驱动电路采用电感式的d c d c 变换器。根据 输入输出电压大小不同，常见的拓扑结构为降压变换型、升压变换型以及升降压 变换型 1 0 】。 第一节d c d c 主要拓扑结构和原理分析 根据d c d c 的拓扑结构，共有三种常见的结构：b u c k 型、b o o s t 型和 b u c k b o o s t 型。 在拓扑结构中，通过判断电感电流在一个开关周期内是否连续，即电流值是 否会减小到零，可以将其分为电感电流连续模式( c c m ) 和电感电流断续模式 ( d c m ) 。 2 1 1 b u c k 型( 降压) 转换器原理分析 b u c k 变换器是最基本的开关电源拓扑结构之一，又称降压( s t e p d o w n ) 变换 器。它是利用电感作为储z 月4 匕r , 器件，为负载提供持续的电流，特点是输出电压低于 输入电压，其基本结构如图2 1 所示。 n m o s 图2 1b u c k 基本结构 + 在分析的过程中，为了简化分析，便于直观理解，电路中的器件均被认为理 想元件。其中，功率n m o s 管的导通电阻为零，且可以快速进行导通和截止， 截止时漏电流忽略；同时电容的e s r 电阻和电感的等效串联电阻均忽略不计； 输出电压的纹波很小，在直流分析时也认为不变【1 1 。 9 第二章d c d c 结构与原理分析 二二一 根据功率开关管工作在导通和截止时，可以将其分为两种结构进行分析，如 图2 2 所示： v i n ( b ) 图2 2b u c k 电路电感的充放电过程 当开关管导通时，如图2 2 ( a ) ，输入和输出压差给电感l 充电，电感电流线 性增加，在该时间段的变化量为 a j l 。= 1 ：与与芒= q 乃写生 ( 2 1 ) 其中，d 1 为开关管的占空比，t s 为时钟周期，导通时间t o n = d l t s 。 当开关管关断时，如图2 2 ( b ) ，电感的电流提供负载电流和对电容进行充电， 电感电流近似线性减小，当电感电流下降到i l i o u t ，则电容进行放电，与电感 电流一起提供能量，以维持负载电流和电压不变，电感电流在该段时间内的改变 量为 鸱：。卜毕芒：一蜴竽 ( 2 2 ) t 一 。 其中d 2 为二极管导通时间的占空比，开关管关断的时间t o f f = d 2 t s 当工作在稳定状态时，二者电流的变化量应该相等，即电感电流在一个周期 内的改变量为零，有t 。= l t ：f 。 当工作在c c m 模式时，有d l + d 2 = 1 ，电流和电压波形如下： 1 0 n - l tu + ov 第二章d c d c 结构与原理分析 + j 堂生l 生e e； 图2 3 b u c k - 1 2 作在c c m 下的主要波形 由于t 。= j t ：i ，故有 b 乃毕= 吹五孚 ( 2 3 ) 化筒( 2 3 ) 得， = 志= 、 ( 2 4 ) 由于d 1 是开关管的导通时间，故d 1 o ，必须使 卜r 乌i 1 ，即d o 5 。要避免产生亚谐波振荡，可以通过增加斜坡补偿电路 实现，为了不增加电路的复杂性，本设计中没有采用斜坡补偿电路，在应用中选 择了避免出现d 0 5 的情况。 峰值电流控制的另一个缺点在于对噪声敏感，由于其原理是将电感电流的峰 值和设定的参考值相比较，当达到后者值时，便将开关管关断。当电感较大或输 入输出电压差较小时，电感电流的坡度便很小，每次开关管开启的瞬间会产生噪 声尖峰，耦合到控制电路中，可能会产生误动作。为了消除该影响，本文设计了 消隐电路，从而避免了误动作的产生。 2 1 第三章驱动芯片的整体结构设计 第三章驱动芯片的整体设计 本文设计用于市电供电的大功率l e d 驱动芯片，指的是应用于2 2 0 v 市电 输入的系统中。市电在经过a c d c 后，无需降压便可用于驱动芯片的输入。通 过第二章对d c d c 的分析，拓扑结构采用b u c k 型，控制方式为p w m 控制的 峰值电流检测。为了确保l e d 亮度的一致性，采用恒流驱动。单通道的l e d 个 数可以从1 0 到2 0 个，驱动的电流为2 0 0 m a ，最大驱动的负载电流为1 a ，故可 驱动5 通道总共1 0 0 个l e d 。 第一节驱动芯片的整体设计 3 1 1 驱动芯片的系统框图和引脚说明 芯片的内部整体的框图如图3 1 所示，一共有8 个引脚。 图3 1 芯片内部的结构框图 芯片的引脚名称和功能如下： ( 1 ) v i n 芯片的输入电压，即2 2 0 v 交流电经过整流和滤波后的电压 ( 2 ) l d ：模拟线性调光，用于改变采样电流的限制阈值 ( 3 ) c s ：l e d 灯串的采样电流输入端 ( 4 ) r t ：开关管频率控制端，通过改变阻值来调节开关管的频率 ( 5 ) p w m d p w m 低频调光引脚，同时也是芯片的使能输入脚 ( 6 ) g n d ：芯片地 2 2 第三章驱动芯片的整体结构设计 ( 7 ) g a t e ：驱动外部功率m o s f e t 的栅极 ( 8 ) v d d ：用于提供芯片内部电源( 约为7 5 v ) ，能够提供高达l m a 的电流 3 1 2 驱动芯片的主要模块 如图3 1 所示，芯片内部主要模块有电压调节器、带隙基准、振荡器、消隐 模块、比较器、驱动电路、欠压保护模块等，具体功能如下： ( 1 ) 电压调节器( r e g u l a t o r ) 内部集成耐压6 0 0 v 的功率器件l d m o s ，当2 2 0 v 交流电经过a c d c 用于 驱动芯片时，无需外挂高压器件，便能产生约为7 5 v 的电压给芯片内部供电。 由于该高压功率管是耗尽型的，阈值电压为负值，因此不需要额外的偏置电路。 受到封装散热限制，最大可提供l m a 的负载电流。 ( 2 ) 带隙基准( b a n d g 印) 和上电复位模块( p o r ) 带隙基准可以产生与电源电压和温度近似无关的恒定电压，然后通过电阻分 压产生o 2 5 v 的电压用于和检测电阻上的电压进行比较。上电复位模块提供 b a n d g a p 的启动以及检测电源是否正常上电。 ( 3 ) 振荡器( o s c i l l a t o r ) 当r t 端通过电阻接地时，产生固定周期的时钟，其振荡频率可通过外接电 阻进行调整，此时工作在恒定频率的p w m 控制模式，应确保l e d 的压降小于 一半电源电压时，否则会出现次谐波振荡。 ( 4 ) 消隐电路模块( b l a n k i n g ) 在实际应用中，由于各种寄生电容和电感的存在，在开关打开和关断的瞬间 会有一些毛刺出现，加入消隐电路的目的就是消除毛刺引起的误动作。比如当片 外功率管v f 的g a t e 变高，会带动s o u r c e 电压也升高，一旦该扰动电压高 于2 5 0 m v ，芯片内部会关断该管，这是我们不希望看到的。故在芯片内部设计 消隐电路，在可能出现毛刺而导致误关断开关的时间内强迫开关一直打开，该时 间约为2 0 0 n s 。 ( 5 ) 栅极驱动电路( d r i v i n g ) 由于芯片驱动的功率管v f 的电流高达1 a ，要求v f 的导通电阻非常小，故 该管的尺寸会非常大，因而开关管的栅极电容也很大，达到几百p f 。由于对开 关管的导通速度有要求，要求驱动开关管的电路有很强的驱动能力，需设计专门 的驱动电路满足要求。 ( 6 ) 欠压保护电路( u v l o ) 为了防止在芯片内部电压v d d 还没有建立，出现开关打开的现象。专门在 芯片内部设计欠压保护电路，在正常工作时v d d 电压是7 5 v ，但在v d d 电压 2 3 第三章驱动芯片的整体结构设计 低于6 7 v 时认为此时没有建立好，需驱动开关n m o s 的电压一直处于低电平。 为了防止在翻转点6 7 v 附近处出现振荡现象，内部u v l o 电路设计0 5 v 迟滞 电压。 3 1 3 驱动芯片的系统应用 图3 2 为基于所设计的l e d 驱动芯片的系统应用，输入电压为交流2 2 0 v ， 在经过全波整流和电容滤波后，用于驱动芯片供电。需要注意的是，芯片只用于 产生功率管v f 的控制信号，提供的电流最大为l m a ；而l e d 的负载电流为 0 2 1 a ，并不会流经芯片内部。 厂一一一一一一一一一一一一一一i 图3 2l e d 驱动芯片的系统应用 第二节设计方案的几个关键技术 多 多 3 2 1高压工艺的应用 交流市电在经过全波整流和电容滤波后，瞬时电压能高达3 1 1 v ，为了能用 于控制芯片供电，需要耐压值不低于该值的高压管将此高压转化为低压，用于芯 片内部的低压模块使用。为了将该高压管集成在芯片中，需要采用特殊的工艺， 即b c d 工艺来实现。 所谓b c d 工艺，即b i p o l a r c m o sd m o s 工艺，是一种允许在单个芯片 上同时集成b i p o l a r ( 双极型晶体管) 、c m o s ( 互补金属氧化物场效应管) 、d m o s ( ；k 叉 扩散金属氧化物场效应管) 器件的新型混合功率集成工艺。 我们知道，双极型器件具有速度快、驱动能力强的特点，但是由于其功耗较 大，集成度较低所以不便于制作规模较大的电路；c m o s 器件则有功耗低、集成 度高、抗干扰能力强的优点，但速度和驱动能力都较双极型器件差；而d m o s 2 4 第三章驱动芯片的整体结构设计 器件即所谓的双扩散器件，由于具有耐高压、低损耗、无二次击穿等特点，特别 适合用于高压的功率集成电路，在电源管理、汽车电子、显示驱动等i c 芯片中 有广泛的应用。 本文在设计中采用的是u m c0 6 u m 的b c d 工艺，其漏端的击穿电压可以 高达6 0 0 v ，而且该高压管为耗尽型，阈值电压小于零。利用该特性，可以通过 l d o 将高压转换为7 5 v 的低压，用于芯片内部低压模块供电。 3 2 2 开关频率调节 对于丌关频率的选择主要结合以下两点考虑： ( 1 ) d c d c 拓扑结构中外围器件的大小，频率越高，外围器件的尺寸越小； ( 2 ) d c d c 的开关损耗，频率越低，开关损耗越小。 开关电源必须外接适合的储能电感和滤波电容，才能进行正常工作。一般来 讲，功率管的控制芯片可以做成很小的封装，故影响开关电源系统的主要因素在 于外接的储能电感和滤波电容的大小，而电感和电容体积的大小取决于其容量， 要想减小体积，必须减小开关电源中需要的储能电感和滤波电容的最大容量值。 对于b u c k 变换器，当工作在连续电流模式下，滤波电容和开关频率的关系 如下： r = 畿杀 ( 3 ) 滤波电容的大小和开关周期成正比，即与开关频率成反比。因此，在保证纹 波输出电压纹波和电流纹波满足要求下，适当提高开关频率，可以减小滤波电容 的大小。 电感大小和开关频率的关系如下： ：毕织 ( 3 2 ) l 同理可知，储能电感的大小和开关频率成反比。由于采用峰值电流检测，在 一个周期内，输入和输出的电压差给电感进行充电，电感电流线性增加。当提高 开关频率时，给电感的充电时问会减小，如果电流纹波保持不变，则电感的取值 可以相应的减小。 从功耗角度来分析，驱动电路的功耗主要在两方面，一部分是导通损耗，另 一部分是开关损耗。导通损耗主要由开关管的导通电阻决定，导通电阻越小，会 降低开关管的导通损耗，但不可避免的需要增大开关管的面积。而对于开关损耗， 则主要由开关频率决定，提高开关频率会使单位时问内开关管的开关次数增加， 从而使开关损耗增加。 第三章驱动芯片的整体结构设计 综上所述，提高驱动电路的开关频率能有效降低对电感和电容的要求，但同 时会增加系统的功耗，因此需要折衷考虑二者的影响。 本文所设计驱动电路的输出电压和负载电流的范围比较大，设置了外接电阻 来调节开关频率，从而更灵活的选择电感和电容值，外接电阻的阻值在5 0 0 k q - 1 mq 之问变化，对应的开关管的周期为2 2 u s 4 2 u s 。 3 2 3 消隐电路的设计 由于控制电路采用峰值电流检测，需要通过检测电阻r c s 将电感电流转换为 电压，用于比较器的输入。在时钟周期的上升沿时刻，开关管闭合时，在输入输 出电压差作用下，电感电流线性增加，故c s 点的电压也线性增加。当c s 点的 电压上升到2 5 0 m v 时，会使比较器翻转，产生控制信号将开关管关断，直到下 一个时钟周期上升沿才闭合开关管。 在实际应用中，为了降低开关管的导通电阻，一般会将开关管的尺寸设计较 大，此时开关管的栅源电容会很大，达到几百皮法。而开关管的导通时问又很短， 仅为几十纳秒，故在开关管的栅极由低变高时，会将c s 点的电压瞬间拉上去， 形成一个小的毛刺，由峰值电流检测的原理可知，一旦该毛刺电压大于2 5 0 m v ， 会将开关管关断，而实际上此时电感上的电流仍然很小，从而形成误动作。如果 此种情况发生，不但会使l e d 寿命降低，人眼还可能会感觉到闪烁，如图3 3 所示： u 7 。7 c s 图3 3 消隐电路的原理 要消除c s 点电压上得毛刺可能产生的误动作，可以通过增加消隐电路实现。 具体的方法是产生一个消隐信号c l k b l a n k ，该信号为脉冲信号，必须确保 c s 毛n 日, t f n 段内为高电平，从而在高电平这段时间内屏蔽c s 电压通过比较器 产生的信号，具体的电路在4 5 3 中详细介绍。 2 6 第四章各模块设计和仿真 第四章单元电路模块设计和仿真 上章节中介绍了本文所设计的大功率l e d 驱动电路的整体架构和设计中的 几个关键技术，本章以此为基础，对控制芯片中主要的单元电路模块进行了设计 与仿真，分别是带隙基准( b a n d g a p ) 、电压调节器( l d o ) 、振荡器( o s c i l l a t o r ) 、消 隐模块、栅极驱动电路、欠压保护模块( u v l o ) 矛n 比较器模块。在设计这些单元 电路之前，由于大部分模块均为低压模块，交流市电在经过a c d c 变换后，最 高电压能达到3 1 1 v ，不能直接用于低压模块供电，故要经过l d o 转换为7 5 v 的低压。而l d o 中最关键的是耐压为6 0 0 v 的高压管，故在第一节中专门对该 高压工艺进行研究。 第一节l d m o s 工艺的应用 对于照明系统的应用，为了使用的方便，将耐高压功率器件和低压电路集成 在同一块芯片上，需采用高压b c d 工艺( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 。一般来说，耐 高压器件采用d m o s 实现，主要分为纵向结构的v d m o s 和横向结构的 l d m o s 。由于纵向结构不适合与平面结构的集成电路相结合，目前多采用横向 双扩散晶体管( l d m o s l 。 目前几大主流的f o u n d r y 场中，能提供6 0 0 vl d m o s 工艺的主要有u m c 的 0 6 u m 和t s m c 的o 5 u r n 工艺。该工艺率先被应用在美国超科( s u p e r t e x ) l 拘大功 率l e d 驱动芯片h v 9 9 1 0 中，本设计中采用的是u m c0 6 u m6 0 0 v 的i