（微电子学与固体电子学专业论文）高亮度led专用驱动芯片的研究.pdfVIP

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着大功率l e d 在灯光装饰和照明中的普遍使用，功率型l e d 驱动 电路显得越来越重要。本文从l e d 驱动芯片系统设计的角度出发，围绕几 种高亮度l e d 常用驱动芯片对l e d 专用驱动芯片q x 9 9 1 0 性能的改进进 行研究。 本文以l e d 驱动相关参数和基本概念的介绍作为理论支撑，综合分析 了几种常用高亮度l e d 驱动芯片的性能特点，在高亮度l e d 驱动芯片的 研究过程中，结合q x 9 9 1 0 芯片的自身特点进行了芯片性能的改进设计。 重点设计了q x 9 9 10 芯片改进方案的功能框图，并对改进方案芯片的引脚、 内部电路功能模块以及典型应用进行了描述。具体设计了改进芯片内部的 子模块电路，分析了各子模块电路的工作原理并通过计算机仿真的方法验 证了子模块电路的设计，通过仿真结果更直观地说明了各子模块电路实现 的功能及相互间的联系。改进芯片保留了原q x 9 9 1 0 芯片的优点，采用了 低压带隙基准电压源设计，并解决了q x 9 9 | 0 芯片在低电压情况下开关振 荡频率容易落入音频范围的问题。 关键词：l e d ，高亮度，驱动芯片，改迸 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fh i g hp o w e rl e dl i g h t i n ga n dd e c o r a t i o ni n t h el i g h t ，t h ep o w e rt y p el e dd r i v ec i r c u i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sa r t i c l ei sw r i t e df r o mt h ep o i n to fv i e wl e dd r i v e ri cd e s i g n ，a r o u n d s e v e r a lc o m m o nh i g h - b r i g h t n e s sl e dd r i v e ri c s ，s t u d yp e r f o r m a n c ei m p r o v e o fad e d i c a t e dl e dd r i v e rc h i pq x 9 910 i nt h i st e x tt h ei n t r o d u c t i o no fl e dp a r a m e t e r sa n dt h eb a s i cc o n c e p t so f l e dd r i v e ri su s e da st h et h e o r e t i c a ls u p p o r t w ec o m p r e h e n s i v ea n a l y c i st h e p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lc o m m o n l yu s e dh i g h - b r i g h t n e s sl e d d r i v e r c h i p s i nt h er e s e a r c hp r o c e s so fh i g h - b r i g h t n e s sl e dd r i v e ri c s ， c o n s i d e r i n gw i t hi t so w nc h a r a c t e r i s t i c so fq x 9 9 10 c h i p ，w ed ot h ed e s i g n a b o u ti m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo ft h i sc h i p i nt h ed e s i g n ，w ef o c u so nt h e f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo ft h ec h i p ，w h i c hi st h ei m p r o v e m e n tp r o g r a mo f q x 9 9 10 c h i p ，a n dp i n s ，i n t e r n a l c i r c u i tf u n c t i o nm o d u l e sa n d t y p i c a l a p p l i c a t i o n so ft h ei m p r o v e m e n tp r o g r a mo fq x 9 9 10c h i pa r ed e s c r i b e d w e s p e c i f i c a l l yd e s i g nt h e s u b - m o d u l ec i r c u i t so ft h ei m p r o v e m e n tc h i p ，a n d a n a l y c i st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es u b m o d u l ec i r c u i t s ，w h i c hd e s i g n n i n gi s v e r i f i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o nc a nm o r e d i r e c t l yi l l u s t r a t e st h ef u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o no fe a c hs u b - m o d u l ec i r c u i t a n dt h el i n k sb e t w e e nt h e m t h ei m p r o v e m e n tc h i pk e e pt h ea d v a n t a g e so ft h e t h eo r i g i n a lq x 9 910c h i pw h i c hi su s eo fl o w v o l t a g eb a n d g a pv o l t a g e r e f e r e n c ed e s i g n ，s o l v et h ei s s u ew h i c hi si nc a s eo fl o wv o l t a g e ，t h es w i t c h o s c i l l a t i o nf r e q u e n c yo fq x 9 910c h i pi se a s i l yf a l li n t ot h er a n g eo fa u d i o f r e q u e n c y k e yw o r d s ：l e d ，h i g h b r i g h t n e s s ，d r i v e ri c s ，i m p r o v e n 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高亮度l e d 发展历程 发光二极管l e d 是一种电致发光的光电器件。早在1 9 0 7 年开始，人 们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象， 但生产出有一定发光效率的红光l e d 已是l9 6 9 年了。到今天，l e d 已生 产了3 0 多年，回顾过去，它已茁壮成长。各种类型的l e d 、利用l e d 作二 次开发的产品及与l e d 配套的产品( 如白光l e d 驱动器) 发展迅速，新 产品不断上市，已发展成不少新型产业。展望将来，还期望更进一步地提 高。 早期的l e d 主要用于做指示灯。它的发光强度不高，一般小于l m c d ， 高的也仅几个m c d ；另外发光效率也不高，一般小于0 2 l m w ；其功率仅 几十m w 到上百个m w ( 属于小功率l e d ) 。 作为指示灯方面的应用，有几个m c d 的发光强度也可以了，但由l e d 组成的数码管或字符管则显得亮度不足，若要用于户外作信号或标志显 示，则其亮度太低，不能满足使用的要求。所以l e d 的主要发展方向是提 高发光强度。近3 0 年l e d 的发光强度提高了8 0 0 0 倍左右。1 9 6 9 1 9 8 7 年l e d 的发光强度是很低的，发展很慢，但1 9 9 4 2 0 1 1 年l e d 的亮度有 很大的发展。 l e d 另一个重要性能指标是发光效率，用l m w 来表达。这3 0 多年 来，l e d 的发光效率提高了2 5 0 倍以上。1 9 7 0 - - 1 9 9 0 年l e d 发光效率提 高较慢，1 9 9 0 一2 0 1 1 年则提高较快。 l e d 的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及 其工艺技术的发展。进入本世纪，高亮度l e d 行业发展迅速，无论在技术 或产品产业化方面均已有大的突破。据报道，去年美国c r e e 公司已研制出 发光效率达1 3 l l m w 的白光l e d ，为目前最亮的高亮度l e d 。 1 2 高亮度l e d 应用背景 随着高亮度高功率白光l e d 的实用化，l e d 的应用范围日益广泛， 在照明市场上的发展潜力很大。功率可达数瓦的高功率白光l e d ，与传统 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的白炽灯泡或荧光灯相比，具有体积小、耗电少、发热量低、使用寿命长 及环保等优点，成为照明灯的新秀。【z j 由于高亮度发光二极管( h b - - l e d ) 在节能、使用寿命和环保方面的巨 大潜能，使得以h b l e d 为基础的半导体照明光源进入普通照明、汽车 照明及建筑照明等领域已是大势所趋，半导体照明由于技术的先进性和产 品使用的广泛性势必形成本世纪规模最大，最活跃的高增长的高科技产业 之一，成为二十一世纪最有发展前途的产业之一，被称为本世纪节能环保 照明之星。 目前l e d 在照明方面的应用是最能体现其节能性能的。照明可分为光 色照明、特殊照明以及普通照明。现阶段，半导体照明主要集中于景观照 明、装饰照明为主的光色照明和矿灯、军用灯具、汽车车灯为主的特殊照 明中。h b l e d 在仪器仪表显示，室内外显示广告牌，小尺寸l c d 及手 机背光源、交通信号灯、装饰灯、景观照明等领域的应用日益广泛，尤其 是高亮度白光二极管更被视为“绿色照明光源 的明日之星。随着发光效 率的提高和成本的降低，特别是由于世界产油地区的局势动荡，全球能源 短缺忧虑再度升高及欧盟已明令从2 0 0 7 年开始禁用含汞制品的背景下， 白光l e d 在照明市场的前景更受到全球瞩目。按固体发光物理学原理， l e d 的发光效率能接近1 0 0 ，因此，白光l e d 作为照明光源必将成为继 白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。 l e d 光源以其节能、寿命长等显著优点，在户内外广告中充当越来越 重要的角色l e d 。采用低电压运行，安全可靠，在使用寿命和维护成本方 面，相对于霓虹灯等其它光源来说具有无可比拟的优势。因此，节能、长 寿、低维护成本的l e d 显示屏正被广泛应用于商业广告、体育场馆、闹市 广场、营业大厅、证券交易等方面，是目前比较先进、流行的显示媒体之 一。1 3 l 1 3 高亮度l e d 技术背景 高亮度l e d ( h b l e d ) 技术的飞速发展使高亮度l e d 成为普通照明光 源的时日越来越近。高亮度l e d 发光效率、寿命以及光输出的明显改善激 活了高亮度l e d 照明应用的早期专用市场，看好高亮度l e d 照明的人士 深受鼓舞，并相信其将对未来十年照明市场产生重要影响。1 4 】 ( 1 ) l e d 光源芯片技术 与传统照明光源相比，l e d 光源具有以下优点： 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗( 单管 o 0 3 0 0 6 瓦) 电光功率转换接近1 0 0 ，相同照明效果比传统光源节能8 0 以上。 寿命长：l e d 光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光 源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热 沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6 万到1 0 万小时，比传统光源寿命长 1 0 倍以上。这是其应用看好的主要原因，尤其是在可靠性要求高以及维护 成本也较高的场合。 多变幻：l e d 光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制 下使三种颜色具有2 5 6 级灰度并任意混合，即可产生2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 = 16 7 7 7 2 16 种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变 化效果及各种图像。 利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量， 也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源， 可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，l e d 光源是低压微电子产 品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制 技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具 有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。 高亮度l e d 光源的主要缺点是成本高、光输出低，这是高亮度l e d 技术攻关要解决的主要问题，最近几年已取得较大进展。对商业白光高亮 度l e d 来说，利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提 高1 0 0 倍，并使每流明光输出的成本下降8 0 。 ( 2 ) l e d 封装技术 l e d 封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的， 但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内， 封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而l e d 封装则是完成输出电 信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参 数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于l e d 。 l e d 的核心发光部分是由p 型和1 1 型半导体构成的p n 结管芯，当注 入p n 结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或 近红外光。但p n 结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同 的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于 半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。一般 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 情况下，l e d 的发光波长随温度变化为o 2 0 3 n m ，光谱宽度随之增加， 影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经p n 结，发热性损耗使结区产生 温升，在室温附近，温度每升高l ，l e d 的发光强度会相应地减少1 左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其 驱动电流的办法，降低结温，多数l e d 的驱动电流限制在2 0 m a 左右。但 是，l e d 的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型l e d 的驱 动电流可以达到7 0 m a 、1 0 0 m a 甚至1 a 级，需要改进封装结构，全新的 l e d 封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。 、 进入2 1 世纪后，l e d 的高效化、超高亮度化、全色化不断发展攻关， 红、橙l e d 光效已达到1 0 0 1 m w ，绿l e d 为5 0 1 m w ，单只l e d 的光通 量也达到数十l m 。l e d 芯片和封装不再沿袭传统的设计理念与制造生产 模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量， 晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构， 增强l e d 内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优 化设计，改进光学性能，加速表面贴装化s m d 进程更是产业界研发的主 流方向。 ( 3 ) l e d 驱动技术 l e d 驱动电源的要求在不断提高。p i 公司高级产品经理b i l lw e i s s 认 为，l e d 驱动器i c 的技术发展趋势及特性表现为：高可靠性、高效率、 高功率因数、可调光以及体积小。 目前许多厂商的重点是：1 l e d 发光效率的增进：2 l e d 模组的散热管 理：良好的散热处理，无论对于l e d 的寿命或演色性皆能提供较佳的状 态：3 转换效率：基于节能减碳的目的，是否能有效高度利用公用电厂所提 供的电力一提升功率因素的转换亦为重点方向之一：4 产品可靠性：在物料 选件及电路设计上多所著墨：5 l e d 背光：在技术上，使用l e d 做背光主 要面临的挑战有：电流匹配在多颗l e d 串中的应用，包括功耗、保护电路、 调光时的杂讯等。 纵观d cl e d 光源的驱动技术，有三类驱动i c 将是发展趋势：一类 是高压工艺生产的d c d cb u c k ，v i n 宽至d c 6 0 1 0 0 v ，恒流精度达1 ， 将能满足所有直流l e d 灯具驱动的需要，可满足l e d 光源多串少并技术 的需要：第二类是a c d c 的l e d 灯具需要的应用电路简洁、应用成本低、 能过e m i 、c e 、u l 的高效率谐振半桥( l l c ) + p f c 拓扑结构驱动i c ：第三 种是功率因数校正( p f c ) + 脉宽调控( p w m ) 两种平均电流模式控制器组成 新的a c d c 驱动i c 。它们将在新一代l e d 灯具显现其强大生命力，以充 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 分发挥零电压开关拓扑结构( z v s ) 的优势，和满足l e d 灯具对p f c ( 功率 因素较正) 日益提高的要求，并要求在较低的功率等级时能提高效率 9 0 。 宽电压输入、短路和过功率保护、开路保护、较低的总谐波失真( t h d ) 是 基本的要求。 1 4 研究高亮度l e d 驱动的必要性 近年来随着大功率高亮度l e d 在灯光装饰和照明中的普遍使用，高亮 度l e d 驱动电路显得越来越重要，我们对其的技术要求也越来越高。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。然而高亮度l e d 的 电学特性具有很大的离散性，其电学参数的温度特性也很不稳定。由于高 亮度l e d 的发光亮度由驱动电流决定，当l e d 两端的电压发生波动，驱动 电流就等比的产生波动从而影响l e d 的发光亮度，造成其发光质量下降。 同时在面对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 高亮度l e d 本身对正向电压和正向电流的苛刻要求，很需要一个能够给高 亮度l e d 提供稳定输出电压或电流的驱动电路。1 5 】 1 5 论文结构 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章通过介绍当前高亮度l e d 驱动芯片的背景技术，引出研究高 亮度l e d 驱动芯片的必要性。阐明了研究高亮度l e d 驱动芯片有十分重 要的理论价值。 第二章介绍了l e d 的相关参数：极限参数，电参数；高亮度l e d 驱 动电路以及高亮度l e d 驱动设计中需要考虑的因素：高亮度l e d 驱动的 设计指标，高亮度l e d 驱动设计中需要注意盼一些问题；具体介绍了几种 常用l e d 专用驱动芯片的工作原理及应用，并对几种芯片进行了优缺点的 对比。 第三章重点设计了q x 9 9 1 0 芯片改进方案的功能框图并对改进方案 芯片的引脚，内部电路功能模块以及典型应用进行了描述。在设计中，综 合考虑了几种常用高亮度l e d 驱动芯片的性能特点并结合了q x 9 9 1 0 芯片 的自身特点进行了芯片性能的改善。 第四章具体设计了改进芯片内部的子模块电路，分析了各子模块电 路的工作原理并通过计算机仿真的方法来验证子模块电路的设计。通过仿 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 真结果更直观地说明各子模块电路实现的功能及相互间的联系。 第五章最后对全文进行了总结并对高亮度l e d 驱动芯片的未来发展 进行了展望。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章l e d 驱动相关介绍 第二章l e d 驱动相关介绍 2 1l e d 相关参数 要了解l e d 的特性，必须了解l e d 相关参数的意义，l e d 的相关参 数包括：极限参数，电参数。 2 1 1 极限参数 极限参数的意义： ( 1 ) 允许功耗p m ：允许加于l e d 两端正向直流电压与流过它的电流之积 的最大值。超过此值，l e d 发热、损坏。 ( 2 ) 最大正向直流电流i f mg 允许加的最大的正向直流电流。超过此值可 损坏二极管。 ( 3 ) 最大反向电压v r m ：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二 极管可能被击穿损坏。 ( 4 ) 工作环境t o p m ：发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于 此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2 1 2 电参数 ( 1 ) 光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波 长，该发光管所发之光中某一波长九。的光强最大，该波长为峰值波长。 ( 2 ) 发光强度i v ：发光二极管的发光强度通常是指法线( 对圆柱形 发光管是指其轴线) 方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为( 1 6 8 3 ) w s r 时，则发光l 坎德拉( 符号为c d ) 。由于一般l e d 的发光二强度小， 所以发光强度常用坎德拉( m c d ) 作单位。 ( 3 ) 光谱半宽度a 入：它表示发光管的光谱纯度是指1 2 峰值光强 所对应两波长之间隔。 ( 4 ) 半值角0 1 2 和视角：0 1 ，2 是指发光强度值为轴向强度值一半的方 向与发光轴向( 法向) 的夹角。半值角的2 倍为视角( 或称半功率角) 。 ( 5 ) 正向工作电流i f ：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章l e d 驱动相关介绍 在实际使用中应根据需要选择i f 在0 6 i f m 以下。 ( 6 ) 正向工作电压v f ：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电 流下得到的。一般是在i f = 2 0 m a 时测得的。发光二极管正向工作电压v f 在1 4 3 v 。在外界温度升高时，v f 将下降。 ( 7 ) v i 特性：发光二极管的电压与电流的关系：在正向电压正小于 某一值( 叫阈值) 时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电 流随电压迅速增加，发光。由v i 曲线可以得出发光管的正向电压，反向 电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流i r 1 0 9 t a 以下。 2 2 高亮度l e d 驱动电路 l e d 驱动电路的连接方式有并联、串联和串并联三种，并联驱动和串 联驱动都有相应的专用芯片。驱动器电路一般都由d c d c 变换器和恒流 源两部分组成，如图2 1 所示。 图2 1l e d 驱动器等效电路 其中d c d c 变换器依据输入输出电压的要求，有升压、降压与降升 压变换器三种，电路有电感储能型和开关电容储能电荷泵两种。i l e d 可以 是镇流电阻或集成电路的电流镜像电阻。1 6 j 串联驱动的优点在于保证了多个l e d 间的亮度匹配，l e d 电流控制 特性好，只使用一个镇流电阻，效率高，它易于用电感型变换器实现。并 联驱动的优点是适于用开关电容升压器实现，但效率比串联方式低，图 2 2 是串联、并联驱动原理框图。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l e d 驱动相关介绍 ( a ) 并联驱动 ( b ) 串联驱动 图2 2 串联、并联驱动原理框图 2 3 高亮度l e d 驱动设计中需要考虑的因素 # 赫 赫 为了提高l e d 最大电流利用空间和可靠性，l e d 推荐工作在额定电 流的7 0 8 0 ，并且使用恒流驱动。在使用恒流驱动或者p w m 脉冲电流 调光的应用中，电流最大值不宜超过最小值的3 倍，否则冲击电流会大大 减少l e d 的使用寿命，同时必须降低l e d 的工作温度以提高使用寿命。 1 7 1 2 3 1 几个高亮度l e d 驱动的设计指标 在l e d 驱动器的设计中必须考虑以下几个设计指标： ( 1 ) 提高转换效率，减少功耗，特别是在电池和电瓶供电的场合，这 样不但可以延长一次充电的使用时间，而且可以减少系统的发热量，降低 工作温度。 ( 2 ) 提高电路的可靠性，电路必须有过压，欠压，过流等保护电路， 不能因为电路故障而造成l e d 的损坏。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章l e d 驱动相关介绍 ( 3 ) 必须尽量减小变换器体积，降低成本。l e d 驱动器在各种应用场 合中还有各自的要求。例如电池供电的l e d 驱动器需有升压功能，并要求 工作到电池放电终止。在显示屏背光照明中要求l e d 亮度均匀，并可多级 调节亮度。汽车照明的l e d 驱动器必须能够适应条件相当苛刻的汽车电源 总线。【8 】 2 3 2 高亮度l e d 驱动的设计需要注意的一些问题 同时在l e d 驱动器设计过程中，需要注意以下几个问题： ( 1 ) l e d 并联驱动均流l e d 采用串联驱动容易实现恒流控制，但是 要求的驱动电压也高，在驱动多个l e d 时，有时候必须采用并联驱动。现 在l e d 并联驱动均流主要有：各路用功率开关独立调节，调节电源输出电 压，调节流过一路l e d 的电流三种解决方案。 ( 2 ) 浪涌电压的限制电源的浪涌电压及接通电路时电容充放电瞬间 电流的冲击波形对l e d 芯片损伤严重，在设计时，特别是大功率l e d 驱 动器，应该引起足够的重视。 ( 3 ) 大功率l e d 的散热l e d 照明系统的热源基本就是l e d 灯本身。 建议l e d 灯采用铝基板散热，功率器件均匀排布，尽可能避免将l e d 驱 动电路与散热部分贴近设计；减少封装至印制电路基板的热阻抗；提高 l e d 芯片的散热的畅顺性以降低系统工作温度。【9 】 2 4 几种常用高亮度l e d 专用驱动芯片 应用到实际中的l e d 驱动电路总的分起来有两个方向，隔离型和非隔 离型，非隔离型是指整流后的电压直接驱动负载l e d ，而隔离型是指整流 后的电压先经过一次变压器绕组的变换，利用其次级绕组来驱动负载 l e d ，两种驱动方案的设计适合应用于不同的场合。 目前，普遍使用的市电供电( 2 2 0 v 、1l o v 交流供电) 的l e d 驱动方 法有两种，一是用r c 降压的方式，这种方式的电源驱动效率和功率因素 都很低，不仅对电网的污染很大，而且还会严重地缩短l e d 的寿命。另一 种方法是利用l e d 专用控制芯片h v 9 9 1 0 q x 9 9 1 0 或开关电源通用控制芯 片( 如t o ps w i t c h t i n ys w i t c h l i n ks w i t c h ) 等来驱动l e d 。 1 0 j 2 4 1h v 9 9 1 0 的芯片结构功能原理及其应用 h v 9 9 1 0 是脉宽调制( p w m ) 高效率l e d 驱动i c 。它允许电压从 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章l e d 驱动相关介绍 8 v d c 一直到4 5 0 v d c 而对高亮度l e d 有效控制。如图2 3 所示h v 9 9 1 0 通过一个可升至3 0 0 k h z 的频率来控制外部的m o s f e t ，该频率可用一个 电阻调整。l e d 串是受到恒定电流的控制而不是电压，如此可提供持续稳 定的光输出和提高可靠度。输出电流调整范围可从m a 级到1 0 a 。h v 9 9 1 0 使用了一种高压隔离连接工艺，可经受高达4 5 0 v 的浪涌输入电压的冲击。 对一个l e d 串的输出电流能被编程设定在0 和它的最大值之间的任何值， 它由输入到h v 9 9 1 0 的线性调光器的外部控制电压所控制。另外，h v 9 9 1 0 也提供一个低频的p w m 调光功能，能接受一个外部达几k h z 的控制信号 在0 1 0 0 的占空比下进行调光。j v 图2 3h v 9 9 1 0 芯片结构框图 h v 9 9 10 芯片的优点有功耗低，效率较高，输入电压范围较大，对其 驱动电流的选择范围也比较广，所以可调光的亮度范围也更大。最大优势 和特色在于它的内部限流设计，也就是调光方式，芯片可以有两种调光， 其一是通过改变比较器的比较区间来改变导通时间达到目的，其二是通过 改变r o s c 的振荡频率来完成。前者是调整l d 端的电压阈值获得，后者是 改变r o s e 的外接电阻获得。巧妙的是h v 9 9 1 0 芯片将这两种调整方法结合 在一起，只利用了一个简单的r s 触发器实现。该芯片缺点在于过高的电 压在没有及时反馈的情况下，m o s 管容易被击穿，l e d 会过流损坏，没 用采用抖频设计方式，使得e m i 的调试很不方便。 利用h v 9 9 1 0 设计的典型l e d 驱动电路如下图2 4 所示： 重庆邮电大学硕士论文第二章l e d 驱动相关介绍 图2 4h v 9 9 1 0 芯片驱动l e d 电路原理图 2 4 2q x 9 9 1 0 的芯片结构功能原理及其应用 q x 9 9 1 0 是由深圳泉芯电子技术公司生产的一款高效率，稳定可靠 的高亮度l e d 灯恒流驱动控制i c ，如图2 5 所示内置高精度比较器， o f f - t i m e 控制电路，恒流驱动等电路，特别适合大功率，多个高亮度 l e d 灯串恒流驱动。q x 9 9 1 0 采用固定o f f - t i m e 控制工作方式，它具有 宽电压输入范围为2 5 v - 4 0 0 v 。其工作频率可高达2 5 m h z ，可调范围 为1 0 k h z 一2 5m h z 。可使外部电感和滤波电容、体积减少，效率提高， 其效率优于9 0 。o f f - t i m e 最小时间，可通过外部电阻和电容进行设 置，工作频率可根据用户要求而改变。在e n 端加p w m 信号，可调 节l e d 灯的亮度。通过调节外置的电阻，能控制高亮度l e d 灯的驱 动电流，使l e d 灯亮度达到预期恒定亮度，流过高亮度l e d 灯的电流 可从几毫安到1 安培变化。i l l j _ l 图2 5q x 9 9 1 0 芯片结构框图 1 2 丧 重庆邮电大学硕士论文 第二章l e d 驱动相关介绍 q x 9 9 1 0 芯片优点在于q x 9 9 l o 的设计思路和h v 9 9 1 0 很像，但电路 的结构有所不同，其最大的不同在于，q x 9 9 10 引入了一个o f f - t i m e 即关 断时间装置实现了关断时间固定，在恒流的过程当中，导通时间在变化， 开关频率在抖动，让其e m i ( 电磁干扰) 设计变得容易。但是如果输入电 压过低，这个振荡频率会落入音频范围之内，从而产生令人烦恼的电源噪 音；同时，芯片没有过压和过流保护电路，容易过流损坏。 利用q x 9 9 1 0 设计的典型l e d 驱动电路如下图2 6 所示： 图2 6q x 9 9 1 0 芯片驱动l e d 电路原理图 2 4 3t n y 的芯片结构功能原理及其应用 t n y 通用控制芯片是p o w e ri n t e g r a t i o n s 公司的产品。如图2 7 所示 t i n ys w i t c hi i 内部集成了一个耐压为7 0 0 v 的功率m o s f e t 和一个开关 控制器。与传统的p w m 控制器不同，它采用一个简单的开关控制器来调 节输出电压。其功能框图如图2 7 所示，主要包括振荡器，5 8 v 稳压器， 旁路端钳位用的6 3 v 稳压管，使能检测与逻辑电路，极限电流状态机， 欠压、过流及过热保护电路，自动重启动计数器。此外，e n u v 的内部 电路中还增加了一个源极跟随器。由图2 7 可见，能够控制m o s f e t 关断 的电路有以下几种：b p 端欠压比较器，过流比较器，过热保护电路，前 沿闭锁电路，最大占空比信号d m a x ，e n u v 控制端。它们之间呈“逻 辑或 的关系，任何一路均可单独将m o s f e t 关断。【1 2 】 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章l e d 驱动相关介绍 t i n ys w i t c hi i 一般工作在极限电流的模式下。启动时，在每个时钟周 期开始时刻，t i n ys w i t c hi i 对e n u v 端进行取样，再根据取样结果来决 定是否跳过周期以及跳过多少个周期，同时确定适当的极限电流阈值。当 漏极电流i d 逐渐升高并达到i l i m i t 值或者占空比达到最大值d m a x 时，使 m o s f e t 关断。满载时t i n ys w i t c hi i 在大部分周期内导通；中等负载时 则要跳过一部分周期并开始降低i l i m i t 值，以维持输出电压稳定。轻载或 空载时，则几乎要跳过所有周期，并且进一步降低i l i m i t 值，使功率 m o s f e t 仅在很少时间内导通，以维持电源正常工作所必须的能量。 图2 7t i n ys w i t c hi i 芯片功能框图 t i n ys w i t c hi i 芯片优点在于在增加输出功率的同时，降低了芯片的功 耗，使电源效率得到进一步提高。增加了自动重启动计数器、极限电流状 态机和输入欠压检测电路。采用了双功能引出端“使能欠压端( e n u v ) 。正常工作时由此端控制内部功率m o s f e t 的通断，该端还可用于输 入欠压检测信号。新增加了开关频率抖动( f r e q u e n c yj i t t e r i n g ) 功能，能 滤除浸过清漆的普通高频变压器产生的音频噪声，并防止电源的开关噪 声，还能快速上电而无过冲现象。但是此类通用控制芯片主要通过内部的 m o s f e t 开关来进行开关频率的控制，有较大的开关损耗。 利用t i n ys w i t c hi i 设计的典型l e d 驱动电路如下图2 8 所示： 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章l e d 驱动相关介绍 翻哥黼m 朋屹飘禹黼a r y _ i 1 n 5 8 挖2 a 一一 i c q 一一 j 一一- - _ 。 2 d a1k v 事 ls 。 i 1 1 c 6 i c 8 i c 弓 1 0 0 0 旷丰4 7 0 i | f 丰 0 0 1 i l f i o v l 1 0 v 1 1k v d 一 1 n 舢 4 u 1 ! r 2 l 2 rv r l n y 聊 0 2 弋r j 2 1b z x 7 9 8 3 v 9 仆h 1 4 8 1 ：r 3 ：r 4 2 m n u 2 2- 。q e n 1 0 i qs f h 6 l s 2 _ d k j i ：r 5 正。i i b p t h ，v & q r i h j1 5 0 q v ；= c 3 s l l f v 图芯片驱动电路原理图 t o p l i n k s w i t c h 的芯片结构功能原理及其应用 t 0通用控制芯片都是公司的产品，其 内置管在具备其下三个条件之一就关断：达到最大限流电流i l i i i i i 。 达到最大占空比芯片超过最大限制温升t m a x 。通常芯片正常工作 时，开关管都是达到i l i i i i i 。后自行关断，也就是说管导通的时间t o n 是固定的，在每个周期开始前通过检测b p 引脚的电压来确定管是否需 跳过该周期，管一旦导通，导通时间内不会响应反馈端的信号。因 此它与通常的( 脉宽调制) 控制器不同，它使用简单的开关控制方式 来稳定输出电压。该系列控制芯片采用了抖频技术，这样其设计变得 更容易。另外，该芯片还具有欠压、过温保护功能。【1 2 】 如下图2 9 所示是芯片的功能结构框图，如下图2 1 0 所示是 芯片的功能结构框图： 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章l e d 驱动相关介绍 图2 9t o p 芯片功能框图 啊啊啊 p 啪嘶啪嘲柏姗旺 渤 图2 1 0l i n ks w i t c h 芯片功能框图 利用t o p l i n ks w i t c h 通用控制芯片设计的l e d 驱动芯片的优点是输入 电压范围宽( 达到最大占空比d c m a x 后内置m o s 管自动关断) 、e m i 设计简 单( 开关频率是抖频的) 和具有欠压和过热保护功能，并且在增加输出功 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章l e d 驱动相关介绍 率的同时，降低了芯片的功耗，使电源效率得到进一步的提高。 其缺点是由于i l i m i 。是由芯片的内部结构决定的，这样就会导致驱动 l e d 的并联支路数n 也是固定的( n = l l i m i t i d ，i d 是流过l e d 的额定电流) ， 给具体的设计应用带来很大的不便。另外此类通用控制芯片主要通过内部 的m o s f e t 开关来进行开关频率的控制，有较大的开关损耗，芯片的成本也 相对较高。 利用t o p l i n ks w i t c h 设计的典型l e d 驱动电路如下图2 11 ，图2 12 所示： k 砑- q | ，口1 碲 c 1 4h 1 5 嘶5 0 m v 吖 tn f1 5 0 q r 1 一i 1 3 1 c 3 =：昭 jl 3 3 l i h 4 7 n f 。髓 丰 一n fc ，2 1 w2 钳 d o 叫f 十5 p f c 1 旷t l 引矿 l t m f l l 0 ； vi 篱v d 2 夥k u 2 l l o涠小 蔷 m 2 ： 舢伯 1 1 8 ： “玛 控w - 5 0 n o r 8 _ 一i c ：! 三r 学1 r 1 5 0 n ： o 皿f ) 多： ，； u 2 c x i i f ； _ l ：l t v 8 1 7 a h 5 l 唧撇 o o n f 叫卜 4 0 0 v d 珏眦 1 产等i c 御洲 一l i _l ， 0 ，xj f盈； 【飘o c 盐93 5 荡器 、 图4 1 7 振荡器设计过程示意图 首先我们需要设计传统振荡器，振荡器的作用是在芯片每一个工作周 期开始的时候产生一个高频窄脉冲用来提供开启功率m o s 管的信号，它 的频率由系统要求来定。然后引入电流控制振荡器实现调频功能，电流控 制振荡器的原理如图4 18 所示。【2 3 j 4 1 重庆邮电大学硕士论文 第四章改进芯片子模块电路设计 图4 1 8 电流控制振荡器原理图 在简单的c m o s 接地电容中，一个定时电容c 交替连接来充放电。假 设最初电流控制电路使电容充电，在此过程中比较器1 2 导通因此器件1 4 的输出o u t l 为低电平，当o u t l 的输出电压为低电平时电流控制电路将 会使电容c 持续充电直到电容的电压超过电压上限v t n ，与此同时比较器 1 2 关断，比较器1 1 导通，电流控制电路使得电容c 放电，器件1 4 的输出 o u t l 为高电平，然后持续放电直到电容电压下降到电压下限v t l ，此时 整个循环重复。 最后需要设计整个抖频振荡器的结构，在整个抖频振荡器结构中带隙 基准电压源和数字计数器对个电路功能的实现也有重要的作用，带隙基准 电压源为振荡器的偏置网络和电流控制电路提供基准偏置电压，数字电路 的作用是给振荡器提供周期性的充电电流。抖频振荡器的整体结构如下图 4 1 9 所示。 2 4 1 图4 1 9 抖频振荡器结构图 4 2 重庆邮电大学硕士论文第四章改进芯片子模块电路设计 4 5 2 数字计数器 能统计输入脉冲个数的电路称为计数器。也就是说，不管实际应用中 对什么进行统计，都要将其转换成脉冲信号。按计数进制的不同分为二进 制、十进制、任意进制计数器。二进制计数器是指计数过程中有2 n 种状 态，包含了n 位二进制数的所有状态；十进制计数器是指计数状态只有 1 0 种，对应十进制数的0 - 9 十个数码；既不是二进制，也不是十进制的， 即为任意进制计数器。按触发器的翻转次序分为同步计数器和异步计数 器。同步计数器是指电路中各触发器的c p 脉冲完全相同，各触发器状态 同时，变化；异步计数器是指电路中各触发器c p 脉冲不完全相同，各触 发器状态变化有先有后。按计数增减分为加法和减法计数器。计数过程中 逐渐递增的是加法计数器，逐渐递减的是减法计数器。在抖频振荡器的结 构中采用的数字计数电路是四位同步二进制加法计数电路。 计数器是由触发器构成的所以要正确分析电路功能，实际上就是要 能正确分析各触发器的状态转换过程。分析触发器必须要抓住两个方面： 输入信号和c p 时钟脉冲。c p 脉冲决定触发器什么时刻状态可以转换，而 输入信号则决定触发器在该时刻状态怎样转换。1 25 】用j k 触发器构成的四 位同步二进制加法计数器电路如图4 1 6 所示，4 个j k 触发器均接成了t 触发器。当t = 0 时，触发器状态保持，当t = i 时，触发器状态翻转。如图 4 2 0 所示是同步二进制加法计数器的结构图。 计数t 巾 一 叫c ii xr ， t i 厂 o 仁 1 l 一i 厂一 硝咻i 1f ir 一 g i 抒 呻ili 1 l ij l r 3 i 。 目 图4 2