（微电子学与固体电子学专业论文）大功率恒流型led驱动芯片设计.pdf

摘要 摘要 l e d 近年来在各行业应用得以快速发展，l e d 的驱动电源成了关注热点，由 于l e d 自身的正向导通电压大、电学参数离散性大、容易受温度影响等特点，需 要设计专门的电源管理芯片来驱动l e d 。电流模式具有响应时间快、稳定性高、 内在限压保护等特点，因此，近年来电流模式控制方式在l e d 驱动芯片中得到了 广泛的运用。 本文分析了几种最常用的h bl e d 驱动模式的基本原理，主要针对大功率、 h bl e d 驱动芯片的设计，根据其恒流特性，设计了一款恒流型p f m 控制的d c d c 开关转换器芯片。给出了芯片设计的系统结构框图以及芯片的具体设计方法，在 完成原理分析和电路设计的基础上，本文应用h s p i e e 对各个子电路模块和整体电 路进行了功能仿真和量化模拟，仿真结果都达到设计预期，最后进行了版图设计 以及版图仿真。 芯片的仿真、版图绘制、流片都基于c s m c0 6 t m a5 vb i c m o s 工艺。设计的 d c d c 开关控制器芯片于0 7 年7 月进行了流片，经测试分析芯片的功能和特性都 基本达到了设计的要求。 关键词：恒流驱动d c d c 转换器p f m 调制h s p i c e 基准源比较器 a b s t r a c t3 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h el e dt e c h n o l o g yd e v e l o p sq u i c k l yf o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n ，a n d l e dd r i v e r sh a sb e c o m et h eh o t d u et oc h a r a c t e r i s t i c so fl e ds u c ha s l a r g ef o r w a r d v o l t a g ea n dh i 曲t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y , s p e c i a l l yd e s i g n e dp o w e rm a n a g e m e n ti ci s n e e d e d d u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c so ff a s tr e s p o n s e ，g o o ds t a b i l i t y , i n h e r e n tc u r r e n t l i m i t i n g ，c u r r e n t - m o d ec o n t r o l l e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nl e dd r i v e ri c t h ea r t i c l eh a sa n a l y z e ds o m eb a s i cp r i n c i p l e so fs e v e r a lc o m m o n l yh bl e d a p p l i c a t i o n so nt h eh i g hp o w e r t h ep f m c u r r e n t - m o d ed c d cc o n v e r t e ri ss t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a f t e rt h a t ，ah i g he f f i c i e n c y , c u r r e n tr e g u l a t i n gd c d cc o n v e r t e rf o rl e d d r i v i n gi sd e s i g n e d i th a sg i v e nt h ec h i p ss y s t e ms t r u c t u r ea n dd e s i g nm e t h o d b a s e do n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，a l ls u b c i r c u i t sa n dt h ew h o l ec h i pc i r c u i ta r e s i m u l a t e db yh s p i e e ，w h o s er e s u l t si n d i c a t et h a t t h ei ch a sa c h i e v e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s f i n a l l yt h ew o r kh a sc o m p l e dl a y o u td e s i g na n dp o s t - l a y o u ts i m u l a t i o n c h i ps i m u l a t i o n ，d o m a i np l a n ，a n dc l a s sp i e c eb a s e d o nc s m co 6 u r n5 v b i c m o sp r o c e s s t h ed c - d cs w i t c hc o n v e r t e rc h i ph a st a p e do u ti nj u l yo f0 7 i th a s m e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa f t e rt h et e s to fc h i p sf u n c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d ：c o n s t a n t - c u r r e n td r i v i n gd c - d c c o n v e r t e r c o m p a r a t o r p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o nb a n d g a pr e f e r e n c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：二迭 日期2 坠叫 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允 许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单 位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在j 年解密后适用本授权书。 本人签名： 美j 叁、 导师签名： 日期塑坐! 辛 日期狃蓦1r j 霉 第一章前言 第一章前言 l e d 是取自l i g h te m i t t i n gd i o d e 三个字的缩写，中文译为“发光二极管”。 顾名思义，发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件，具有二极管的 特性。 1 1l e d 概述 1 1 1 半导体发光材料的发展 发光二极管具有小型、抗展、坚固、寿命长、不易发热、低耗电量且功能稳 定等特性。虽然目前l e d 发光效率还很低，但随着国内外研究机构的不断努力， 其发光效率不断的在提升。l e d 使用的材料全部都是化合物半导体，半导体发光 材料的发展大致经历了下面的三个阶段【l 】： 以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从2 0 世纪5 0 年代开始的，目前， 硅材料仍然是电子信息产业最主要的半导体器件材料，但是硅材料带隙( 禁带) 较窄 和击穿电压较低等物理属性的特点限制了其在光电子领域和高频高功率器件方面 的应用。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着无线通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高 速公路与互联网的兴起，以砷化稼( o a a s ) 和磷化锢( i n p ) 为代表的第二代半导体材 料开始崭露头角。目前，g a a s 几乎垄断了手机制造中的功放器件市场。 第三代半导体材料的兴起，是以g a n ( 氮化稼) 材料p 型掺杂的突破为起点，以 高亮度蓝光发光二极管( l e d ) 和蓝光激光器的研制成功为标志的。g a n 半导体材料 的商业应用研究开始于1 9 7 0 年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质， 从一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是g a n 的生长技术和器件制造工 艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。l e d 使用的半导体是在单晶 衬底上利用外延生长方式合成为单晶薄膜。外延生长方式因材料状态不同，可分 为液相生长法( l p e ：l i q u i dp h a s ee p i t a x y ) 、气相生长法( v p e ：v a p o u rp h a s ee p i t a x y ) 、 分子束生长法( m b e ：m o l e e u l a rp h a s ee p i t a x y ) 三大类，其中气相生长技术的进步成 为l e d 性能快速改善的主要原因之一。 图1 1 是原日本日亚公司研究员中村修二开发的g & n 系蓝色l e d 单p n 结构 【2 】。图中i n g a n 薄膜是发光层，a i g a n 薄膜是包覆层( c l a d ) ，n 型层扩散s p 型层 2大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 扩散m g ，衬底采用蓝宝石( s a p p h i r e ) 的c 面( 0 0 0 1 ) 发光层i n g a n 的厚度为3 0 a ， 两侧利用宽能带的g a n 与a i g a n 层夹住，形成单一量子阱结构。由于此结构可以 提高进入电子与空穴之间载流子的复合效率，因此可以获得很高的发光效率，所 释放出来的光线波长与能带宽度相当，而且只需要调整发光层半导体i i l 的比例就 可以控制发光层的能带宽度，发光波长由紫外( 3 3 0 e 到红色( 1 9 5 e v ) 。 p - 电极 图1 1 中村开发的蓝色l e d 结构 1 1 2 照明产业的“绿色革命” 在丰富了色彩的同时，g a n 基l e d 最诱人的发展前景是其用作普通白光照明。 半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。与传统的照明工具 相比，半导体照明工具，尤其是氮化镓基白光l e d 照明，在功耗及寿命方面均有 不可比拟的优越性。传统白炽灯泡采用热发光技术，浪费了9 0 的能源，而发光二 极管的效能转换率却非常高，g a n 成为半导体照明产业的“发动机”p j 。 按照目前的技术水平和发展趋势，半导体普通白光照明市场的开始启动大约 会在2 0 0 6 年前后，而某些特殊照明市场己经开始启动。除了具备发出蓝光和绿光 的本领，g a n 基高亮度l e d 在能带转换过程中不辐射热能，并且具有较长的寿命。 在节能和减少环境污染受到普遍重视的今天，g a n 基高亮度l e d 比普通l e d 和灯泡 具有更好的发展潜力。很多汽车制造商已经开始用g a n 基高亮度l e d 来装备车灯， 尤其是汽车尾灯。 由于可以激发荧光，g a n 基高亮度l e d 一个具有革命性的应用领域是普通白光 照明市场，不过要想在普通光照明市场获得市场份额和竞争能力，目前g a n 基l e d 的亮度至少要提高5 倍以上，专家认为这个革命性市场的启动至少在5 1 0 年以后。 第一章前言 不过作为手机彩色显示的白光背景，g a n 基白光l e d 目前具有很好的市场竞争力。 目前包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国大公司正积极与g a n 器件领域的顶 尖制造商合作，共同开发汽车和照明应用中的g a n 基l e d 产品【4 1 。 传统白炽灯泡采用热发光技术，浪费了9 0 的能源。而发光二极管的效能转换 率却非常高。专家指出，白光l e d 照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的1 0 2 0 ； 普通灯泡寿命只有1 0 0 0 d x 时，而白光l e d 灯寿命却可以达到1 0 万小时。 白光l e d 照明另外一个突出的优点就是环保。只用3 伏的直流电压保证其没有 电磁干扰，同时寿命长、又保证少产生废物，不像日光灯点亮后会产生汞蒸汽等 污染物。除此之外，g a n 基白光l e d 照明光源体积小、重量轻、方向性好，并可耐 各种恶劣条件，比如可以泡放在水中等。这些优点使它足以对传统光源市场造成 巨大冲击，单是我国台湾地区，如果能够用白光l e d 取代传统光源，每年就能够 省下约一座核能电厂的电力。 1 2 大功率l e d 的国内外发展概况及其应用 大功率l e d 大大扩展了l e d 在各种信号显示和照明光源领域中的应用，主要有 汽车外灯和各种交通信号灯，包括城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、安 全警示灯等。功率型白光l e d 作为专用照明光源己开始用于汽车和飞机内的阅读 灯，在便携式照明光源如钥匙灯、手电筒、背光源及矿工灯等方面也得到越来越 多的应用。功率型l e d 在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗、广告灯箱、庭 院草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品相比显示出了它独有的特点。使用超 高亮度功率型红、绿、蓝三基色l e d ，可制成结构紧凑、发光效率比传统白炽灯 光源高得多的数字式调色调光光源，配合计算机控制技术，可得到极其丰富多彩 的发光效果。超高亮度功率型l e d 所具有的低电压、低功耗、体积小、重量轻、 寿命长、高可靠等优点，在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种 固体光源。 目前，l e d 照明的应用主要集中在两个方向上：一个是低亮度应用场合，包 括手机、p d a 等小型便携式电子产品的背光照明，电子仪表的照明等。另一个是 需要高亮度照明的应用场合，包括大平面液晶的背光照明、汽车用照明、家用及 户外照明等，对于这种大功率的照明应用场合，l e d 在功耗和寿命上面的优势很 明剧5 1 。 4 大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 1 2 1 低亮度l e d 应用 随着近几年移动电话、p d a 等便携式电子产品的液晶显示屏从黑白背景换成 了彩色背景，要显示色彩丰富逼真的图像，就必须放弃有色l e d 作为液晶背光照 明的方案，而采用白光l e d 照明方案。一个完整的背光照明方案，最基本的要求 是l e d 发光亮度的稳定，以及在整个背景屏幕上亮度均匀。 但是l e d 的应用环境却给稳定的l e d 发光提出了各种各样的挑战。拿手机应用 来讲，首先，电池的电压不是固定的，在一定时段内，它是直流电源，但电池电 源供电要求在2 7 v 5 5 v 内，电路都能够正常工作，这样大的变化范围工作，电源 又是不稳定的，我们不希望使用的手机亮度会随使用时间的延长而发生很明显的 降低。其次，手机中存在各种各样的数字信号，对模拟信号的干扰太大。这些数 字信号有来自麦克风和耳机的音频信号，有来自基带部分的高频信号，又有来自 射频模块的射频信号，这些信号即便在很好屏蔽措施下，还是会对手机内模拟信 号产生很大的电磁千扰( e m i ：e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。面对如此宽范围变化的 电源电压和很大e m i 情况下的应用环境，再加上白光l e d 本身对正向电压( 3 6 v ) 和正向电流( 2 0 m a 左右) 的苛刻要求，很需要一个能够给白光l e d 提供稳定的输出 电压或电流的驱动电路。 1 2 2 高亮度应用 一种实现高亮度的方式是采用单个高功率大晶粒的l e d 。最有代表性的是 l u m i l e d s 的产品，最大驱动电流可以达到1 a ，一般使用的驱动电流4 0 0 m a 5 0 0 n a ， 输出光量可达1 8 1 m w ，最大可达3 0 1 m w ，晶粒制作尺寸为l m m xl m m 。这种单晶 粒l e d 结构的好处是可以得到较高的亮度，而且体积可以缩减到最小，光点集中， 有利于光学设计。但是要得到单个大颗晶粒很难，材料生长工艺要求很复杂，因 此成本很高，而且单个大晶粒使用大电流驱动使晶粒温度大幅度升高，这对l e d 亮度的提高反而不利。另一种结构是为了得到较高的光源，采用l e d 矩阵，每颗 l e d 采用较小颗粒的晶粒，单颗晶粒采用2 0 m a 电流驱动，这样既可以保证l e d 亮 度稳定，又可以保证比较高的光源亮度，但是多颗晶粒构成的矩阵使光源面积变 大，因此没有了l e d 体积小的特点。 高亮度的l e d 一般都需要大于2 0 0 m a 的驱动电流，其应用和低亮度l e d 应用 类似，都要专门的电源管理驱动芯片。 第一章前言 1 3 本文工作的意义及工作简介 近年来，白炽灯正逐步更换成l e d 灯，促使l e d 及其驱动器的产量猛增。为满 足不同输入电压、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l e d 驱动器以满足市场的需要。因此预计发光二极管驱动器的 需求量会持续增加。电流控制型l e d 驱动电路因为线性调整率和负载调整率非常 好的优点成为目前设计的热点。由于l e d 自身的正向导通电压大、电学参数离散 性大、容易受温度影响等特点，需要设计专门的电源管理芯片来驱动l e d 。电流 模式具有响应时间快、稳定性高、内在限流保护等特点，因此，近年来电流模式 控制方式在l e d 驱动芯片中得到了广泛的运用。 需要说明的是，l e d 驱动电路除可驱动白光l e d 夕i ，它也可驱动蓝色l e d 或其 他颜色l e d 。另外，由于它具有稳定输出的特点，也可用作稳压电源或可编程恒 流源。 本文主要从大信号特性、稳定性、电压和负载调整率等方面对电流模式d c d c 变换技术作了分析，设计了一款具有环路的电流控制模式l e d 驱动电路芯片，该 驱动电路适用于多种h bl e d 的应用场合。本论文在研究了p f m 调制方式的电流 模式d c d c 变换器的实现技术的前提下，设计了一款高效率、输出电流可调的 d c d c 变换器控制i c ，应用于l e d 驱动。本文针对驱动l e d 需要电流稳定的特 点，采用电流反馈环路，即电感电流环路，这样就能对负载l e d 电流做出快速响 应，通过反馈环路达到稳定l e d 电流的目的。 2 0 0 7 年以来，随着l e d 灯取代传统白炽灯的“绿色照明革命”，尤其欧洲、美 国已经安排出了具体的时间表，所以l e d 驱动芯片都已经成为电源芯片的不可或 缺的一部分。l e d 近年来在各行业应用得以快速发展，l e d 的驱动电源成了关注 热点，根据l e d 的电压、电流变化特性，对驱动电源的设计提出严格要求。 本文的主要内容为： 第章是绪论，目的在于介绍研制l e d 控制芯片的意义。首先对l e d 的发展、 特点及应用进行了简介，然后阐述了相关集成电路产业的发展状况及其重要性， 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。 分析了其中p f m 控制器的工作原理，对两种控制方式进行比较，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。 第三章是本文的重点，l e d 驱动芯片的设计过程，因为内容较多，所以分成 了几个模块详细说明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、p f m 比较器、上电复位电路、限过压保护电路的设计过程，并给出晶体 6 大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 管级电路图和相应的模拟结果。 第四章是该芯片的系统结构框图、应用和后端的版图设计。 第五章是结论，对全文进行总结。 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式 7 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式 2 1 1l e d 发光机理 2 1l e d 原理与特性 g a n 系白光l e d 属于异质结注入发光【6 】。采用异质结的目的就是为了提高载流 子注入效率，图2 1 ( a ) 表示未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高 度的势垒；图2 1 ( b ) 表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空穴的势垒小得多， 而且空穴不断从p 区向n 区扩散，得到高的注入效率。1 1 区的电子注入p 区的速率却 较小。这样，1 3 区的电子就跃迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n 型半导体 能隙所决定的辐射，由于p 区的能隙大，光辐射无法把电子激发到导带，因此不发 生光的吸收，从而可直接透射出发光二极管外，减少了光能的损失。 ( a ) 不加偏置时的异质结能带图 加正相偏置时的异质界能带图 图2 1l e d 发光原理 发光二极管与半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注 入的载流子转变成光子，辐射出光。一般半导体二极管注入的载流子构成正向电 流，在同质结界面结构中，电子在半导体的导带内流动很顺利，同样空穴在价带 中流动也很顺畅，两者之间因为没有较大的能带差，使得电子与空穴相遇、复合 产生光子的概率很低。在图2 1 的l e d 结构中，采用了双异质结结构，中间发光层 的能隙高度小于两边束缚层的能隙高度，大大改善了发光层的电子与空穴的局限 效果，提高了发光效率。 大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 2 1 2l e d 离散的电学特性 现在市场上广泛使用的白光l e d 基本上是以单晶型白光l e d 为主，单晶型白光 l e d 采用发光晶粒为蓝色、紫色或近紫外光发光晶粒，晶粒材料都是宽带隙化合 物半导体材料，这样白光l e d 的正向压降比一般的有色l e d 要高。红光一黄光的 l e d 驱动电压只要1 v 2 v 左右，而白光l e d 的正向电流为2 0 m a 的情况下，正向电 压一般为3 v 4 v 之间。不仅如此，在同一正向电压下，流过白光l e d 的电流也有很 大的离散性，对于不同白光l e d 生产商的产品，即使是同一个生产商的产品之间， 在采用相同电压驱动时，正向电流也会有偏差。白光l e d 在正向导通后其正向电 压的微小变化将引起l e d 电流的很大变化，并且环境温度、l e d 老化时间等因素也 将影响l e d 的电气性能。而l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，所以l e d 驱动电路 在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控帛i j l e d 电流的大小，否 则，l e d 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。 图2 2 是从两个白光l e d 生产商产品中各取三个样品进行测试的i n 曲线，从图 可知，若采用单一电压驱动这样的六颗l e d ，造成正向电流从1 0 m a 至l j 4 3 n a 的差异。 茎三 茎： 饰 fl ， ￥ ， jl l 一一。一 |，f l_ 厂 。 ，f 一一 ， 。一一。： ，# 。， 一l 。i 多一 一：一一一一一r i ，：；甜：二- + 。 t l 一一一一 k - 一。譬只，= 一。t 貅纛曩撼” _ _ _ 一辅_ 吩 图2 2 不同l e d 的正向i v 曲线 2 1 3l e d 的光学特性( 丰要包括光通量，出射光的峰值波长等) 光 逢 量 i r a 一 图2 3 ( a ) 光通量与时间关系 ( b ) 光通量与电流关系 光源的光通量是指单位时间内通过4 万立体角的可见光能量，它的单位是流明 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式9 ( 1 m ) 。上面两张图分别是光通量与时间以及电流的关系图 7 1 。首先关于时间特性， 由图2 3 ( a ) 知，随着时间的增长，大功率l e d 的光通量下降较快，之后逐渐趋于平 稳，最后光通量下降了1 0 。其次，在电流与光通量关系图2 3 ( b ) 上，可以看出， 随着电流的增加，大功率l e d 的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。其原因主 要是因为随着电流及时间的增大，大功率照明l e d 芯片内部将温度上升，发生在 p n 结结区的载流子复合几率下降，造成l e d 发光效率降低。 图2 5l e d 峰值波长与驱动电流关系 图2 5 显示的是大功率l e d 峰值波长与驱动电流的关系。为了避免时间因素的 影响，采用瞬时的恒定电流来驱动大功率l e d 。可见，随着电流的增加，峰值波 长向短波方向偏移。在2 0 0 m a 以下的电流点亮时，峰值波长偏移比较大，而在更 大的电流点亮时，峰值波长趋于稳定。 h w 图2 6 发光效率与功率之间的关系 图2 6 给出大功率l e d 功率与发光效率的关系，从图中可以看出，当大功率 l e d 功率大于o 1 1w 时，发光效率随功率增加开始缓慢减小，随着功率继续增加， 发光效率降低的速度也越来越快，在功率为1 w 时，l e d 的发光效率为1 3 1 m w 。 一这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一，即发光效率与功率不能同时达 到最大，但是可以通过分析这种现象产生的原因来尽量克服和减小这一矛盾。主 要原因由于在相同的热阻下，功率的增加必然导致芯片温度升高，增加载流子非 辐射复合几率，导致辐射复合几率下降，造成发光效率随着功率增加而下降。此 外，随着功率和电流密度的增加，会出现所谓“电流泄露”现象，即发生在p n 结区的 m，蛳懈懈讯搬撇 r - m l o大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 载流子复合几率下降，造成l e d 发光效率降低。通过设计新型发光层结构，如优 化量子阱结构、增加电子反射层、采用量子隧穿结构等，都有可能减小电流泄露 对发光效率的降低。 2 2l e d 的连接方式及驱动方式概述 图2 7 是l e d 的伏安特性曲线，可以看出，l e d 在正向导通后其正向电压的细 小变动将引起电流的很大变化，并且，环境温度、老化状况等因素也影响l e d 的 电气性能。因为l e d 的发光亮度与正向电流呈比例关系，所以这就要求其驱动电 路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下能有效控带f j l e d 电流的大小。 否则，l e d 的发光亮度将会不稳定，并且，若其电流失控，使它长期工作在大电 流下，将影响其可靠性和寿命，甚至使其失效。 2 2 1l e d 连接方式介绍 i ( 1 ) l e d 采用全部串联的方式【9 】 v mv 图2 7l e d 伏安特性曲线【8 】 ， 、， 、 、， 、 、 图2 8 采用串联方式的l e d 这种连接方式要求l e d 驱动器输出较高的电压。当l e d 的一致性差别较大时， 分配在不同的l e d 两端电压不同，通过每颗l e d 的电流相同，l e d 的亮度一致。当 某一颗l e d 品质不良短路时，如果采用稳压式驱动，由于驱动器输出电压不变， 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式 11 那么分配在剩余的l e d 两端电压将升高，驱动器输出电流将增大，导致容易损坏 余下所有l e d ；如采用恒流式l e d 驱动，当某一颗l e d 品质不良短路时。由于驱动 器输出电流保持不变，不影响余下所有l e d 正常工作。当某一颗l e d 品质不良断开 后，串联在一起的l e d 将全部不亮，解决的办法是在每个l e d 两端并联一个齐纳管， 当然齐纳管的导通电压需要比l e d 的导通电压高，否则l e d 就不亮。 ( 2 ) l e d 采用全部并联的方式 v + 图2 9 采用并联方式的l e d 这种连接方式要求l e d 驱动器输出较大的电流，负载电压较低，分配在所有 l e d 两端电压相同。当l e d 的一致性差别较大时，而通过每颗l e d 的电流不一致， l e d 的亮度也不同。当某一个颗l e d 品质不良断开时，如果采用稳压式l e d 驱动( 例 如稳压式开关电源) ，驱动器输出电流将减小而不影响余下所有l e d 正常工作。如 果是采用恒流式l e d 驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下l e d 电流将 增大，导致容易损坏所有l e d ，解决办法是尽量多并联l e d ，当断开某一颗l e d 时，分配在余下l e d 电流不大，不至于影响余下l e d 正常工作。所以功率型l e d 做并联负载时，不宜选用恒流式驱动器；当某一颗l e d 品质不良短路时，那么所有 的l e d 将亮，但如果并联l e d 数量较多，通过短路的l e d 电流较大，足以将短路的 l e d 烧成断路。 3 ) l e d 采用混联的方式 、， 、， 。、， 。、_ 图2 1 0 采用混联方式的l e d 在需要使用比较多l e d 的产品中，如果将所有l e d 串联，将需要l e d 驱动器输 出较高的电压，如果将所有l e d 并联，则需要l e d 驱动器输出较大的电流，将所有 1 2大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 l e d 串联或并联，不但限制着l e d 的使用量，而且并联l e d 负载电流较大，驱动器 的成本也会大增，解决办法是采用混联方式如图2 1 0 所示：串并联的l e d 数量平均 分配，分配在一串l e d 上的电压相同，通过同一串每颗l e d 上的电流也基本相同， l e d 亮度一致，同时通过每串l e d 的电流也相近。当某一串联l e d 上有一颗品质不 良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串l e d 相当于少了一颗l e d 。 通过这串l e d 的电流将大增，很容易就会损坏这争l e d 大电流通过损坏的这串l e d 后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开- - 串l e d 后，如果采用稳压式驱 动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有l e d 正常工作。如果是采用恒流 式l e d 驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下l e d 电流将增大，导致容 易损坏所有l e d 。解决办法是尽量多并联l e d ，当断开某一颗l e d 时。分配在余下 l e d 电流不大，不至于影响余下l e d 的正常工作。 2 2 2 两种常用的驱动方法 l e d 是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。对于便携式应用， 有两种常用的方法可以控制正向电流【l 们。第一种方法是采用带镇流电阻器的恒压 电源；其电路如图2 1 1 所示。这种方法存在两个缺点：第一，由于温度和工艺的原 因，难以保证每个l e d 的正向压降阵绝对相同，因此尽管可以保证v 的稳定和r b 的一致性，v f 的微小变化仍会带来较大的i 。变化；第二，镇流电阻的压降和功耗 使系统效率降低。 = 一 图2 1 1 带镇流电阻器的恒压电源驱动电路 第二种方法，也是首选的l e d 电流调整方法，是利用升压式d c d c 转换器来 实现l e d 的恒流驱动，其电路如图2 1 2 所示。整个驱动电路相当于恒流源，可消除 因温度和工艺引起的正向电压变化所导致的电流变化。参考电压v r e f 和电流检测 电阻器r s e n s e 的值决定了l e d 电流。在驱动多个l e d 时，只需把它们串联就可以在 每个l e d 中实现恒定电流。驱动并联l e d 需要在每个l e d 串中放置一个镇流电阻。 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式1 3 图2 1 2 利用升压式d c d c 转换器实现l e d 的恒流驱动 该方法有以下优点： 高精度恒流：整个驱动电路相当于恒流源，可消除因温度和工艺引起的正向 电压变化所导致的电流变化。l e d 电流的精度，基本上取决于转换器的反馈闭环 电压的精度和控制环的环路增益，因此不会受到l e d 正向电压的影响； 高效率：使用低的反馈闭环电压，可以降低电流检测电阻的功率损失，驱动 电路效率可以达到8 0 以上； 高匹配度：l e d 采用串联方式连接，所以流过它们的电流完全匹配；令转换 器与l e d 之间需要二个连接端子，而且l e d 的使用数量不会受到转换器种类的影 响，这意味着设计者拥有更大的选择空间； 体积小：转换芯片及其外围器件可以采用小体积的表贴式封装。基于这种考 虑，设计了用于驱动h bl e d 的升压式d c d c 开关转换器芯片。 2 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，如图2 1 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5 v 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 ，应用己不 现实。 u 哪 。 r 1 - c o u t 弋 = c 。n t o m e rb e= l 南c c i n = 图2 1 3 非整流升压模式 u t 刃 o 臣 1 4大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 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【1 1 1 。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。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 k h z 以 上，门极驱动可以采用交叉藕合( 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，如图2 1 4 所示。 u t 力 - _ o 厶 = 图2 1 4 同步整流升压模式 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。 2 4d c d c 开关电源的介绍 d c d c 电源就是利用一个或多个开关器件的切换，把某一等级直流输入电压 变换成另一等级直流输出电压。 d c d c 电源可以分成三类：那就是传统的线性电源( l d o ) 、电荷泵和新型 的开关电源。l d o 具有低成本、封装小、外围器件少和噪音小的特点。超低的输 出噪声电压是l d o 最大的优势，从而非常适用做对噪声敏感的r f 和音频电路的 供电电路。同时由于l d o 采用线性调节方案，因此没有开关时大电流所引起的电 磁干扰( e m i ) ，所以便于设计。但是l d o 的缺点是效率低，且只能用于降压的 场合。电荷泵主要用于提供比v d d 还要高或者比v s s 还要低的电压；开关电源 被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为d c d c 稳压电源 的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很 低，电源效率可达8 0 以上，比普通线性电源高出近一倍。 2 4 1d c d c 开关电源的分类 d c d c 开关电源的结构有很多种，分类方法也很多，按不同的分类方法可以 分成如下几种【1 2 1 ： 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式 1 5 1 按驱动式分类：自激式或它激式； 2 按d c d c 变换器的工作方式分：隔离型有通通方式、通断方式、中心抽 头方式半桥方式和全桥方式、谐振方式；非隔离型有降压型( b u c k ) 、升压型 ( b o o s t ) 、极性反转型( b u c k - b o o s t ) 、开关电容以及谐振型； 3 按控制方式分：脉冲宽度控制方式( p w m ) 和脉冲频率控制方式( p f m ) 。 4 按过流保护方式划分：输出电流检测方式和开关电流检测方式。 2 4 。2d c d c 开关电源的基本拓扑结构 1 b u c k 型拓扑结构 v s 图2 1 5b u c k 型拓扑结构图 由m o s f e t 开关q ，储能电感l ，滤波电容c 以及续流二极管组成；m o s f e t 开关由一组占空比为d 的信号控制，当q 闭合时，输入电压珞通过l 对c 进行充 电，此时二极管截止；当开关断开后，由于电感l 的存在，使的，短时间内可以 维持，但逐渐变小，起到续流的作用。开关闭合时，负载电流和电容电流都由电 感电流提供；开关断开时，负载电流是电感电流和电容电流之和。 此时，输出电压v o ：v sx d 。 2 b o o s t 型拓扑结构 d i l v s v o u t r 图2 1 6b o o s t 型拓扑结构 由m o s f e t 作开关管，开关受一组占空比为d 的方波信号控制，当开关导通 时，二极管d 反偏，l 的电流线性上升；开关断开时，由于电感电流的存在，二 极管d 正偏，此时电容c 两端电压高于输入电压珞。 1 6 大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 开关闭合时，开关闭合时，负载电流仅由电容提供；开关断开时，负载电流和 电容电流都由电源和电感电流提供。 此时，v o ：旦。 l d 3 b u c l 江b o o s t 型拓扑结构 开关受一组占空比为d 的方波信号控制：开关导通时，电感电流线性上升， 二极管d 反偏，电感两端电压为坎；开关断开时，d 正偏，电感电流线性下降， 此时，l 上两端电压等于圪。开关闭合时，负载电流仅由电容提供；开关断开时， 负载电流和电容电流由电感电流提供。此时，v o = 殆主岩。 s w i t c hd 刃 o c l 图2 1 7 升降压拓扑结构 当o ( 。( 互1 时，lv 。l ( v s ，降压；当三2 。1 时，i v 0 1 ) v s ，升压。 2 5 控制方法简介 有了上述的拓扑结构，只要加入控制电路，构建一个完整的d c d c 变换电 源。从本质上讲，控制电路的作用就是控制开关管的开启和关断，使输出达到使 用者的要求。对开关管的基本控制方法主要有如下几种： 2 5 1p f m 控制 p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ，脉冲频率调制，在占空比一定的情况下 ( 通常为0 5 ) ，调整脉冲频率【18 1 。 图2 1 8 为p f m 调制信号产生图。p f m 可以采取两种工作方式：固定每个周 期的开启脉冲宽度( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i a o ) ，这种情况下，电感电流会随着 输入电压的变化而变化，不利于选择电感；峰值电流控制( c u r r e n tl i m i t e dp u l s e 第二章l e d 驱动芯片的分类和基本驱动方式1 7 f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 检测开关器件的电流，在达到一定的值时将开关器件关断， 关断一段时间后( 一般为u s 级的时间常数) ，再检测v o v t ，看是否需要重新开启 开关器件，电路比前者复杂。如果开启脉冲宽度或者峰值电流过大，则会加大损 耗；反之，工作频率很高( 频率高的好处是可以减小功率器件和电感的尺寸) ， 则会增加开关损耗。 图2 1 8p f m 调制信号产生图 p f m 调制模式兴起于2 0 世纪7 0 年代，它基于恒宽变频c w v f 的调制脉冲去控制 功率管的导通，从而实现调节输出电压的目的。脉冲频率调制模式p f m 则可有效 克服p w m 调制模式这一不足。图2 1 8 为b u c k 变换器的p f m 调制信号产生电路框 图，利用对外部流过电感电流的采样，然后通过与基准电压比较得到p f m 方波控 制信号，当负载变轻时控制脉冲相对稀疏，理想情况下，当仅考虑开关变换器中 功率管的开关损耗而忽略其它损耗；且认为每开通关断一次，功率管的开关损耗 恒定，在轻载时输入功率小，功率管开关损耗也小；重载时，输入功率大，开关 损耗也大，因此对于p f m 变换器而言，其重载时效率与p w m 变换器相差无几，轻 载时，效率则比p w m 变换器高得多。 2 。5 2p w m 控制 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a f i o n ) ，脉冲宽度调制。功率开关管的开关频率是 常数，且脉冲宽度随负载及输入电压值而变动脉冲波所控制，来调节占空比。因 开关的周期是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关最 小导通时间的限制，对输出电源不能做宽范围的调节。 根据反馈环路种类可以分为电压控制模式和电流控制模式。电压控制模式只 反应输出电压的变化，这意味着d c d c 变换器为了响应负载电流或输入电压的变 化，必须这些变化被输出电压所体现，这样会影响变换器稳压特性，负载会随输 入电压的扰动产庄相应的输出电压波动。为了弥补电压控制模式的这个缺点可采 用电流控制模式，这种模式把变换器分成两条控制环路电流控制通过内部控 制环路，电压控制通过外部控制环路，结果在逐个开关脉冲上不仅可以响应负载 大功率恒流型l e d 驱动芯片设计 电压的变化，而且也可以响应电流的变化。 1 电压型p w m 控制 图2 1 9 电压型p w m 控制模式 图中，