（微电子学与固体电子学专业论文）白光led驱动升压型变换器的研究与设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文基于开关电源b o o s t 升压原理，采用b i c m o s 工艺，研究与设计了一款 高频、高效，驱动6 个串联方式连接的白光l e d 的电源芯片。该芯片工作在2 6 v 5 5 v 的电源电压范围内，输出电压在6 v 2 6 v 范围内，输出电流可根据需要自 由调节。内置1 m h z 的振荡器，配以简单的外部元件即能构成完整的电源解决方 案。该芯片采用电流控制模式、p w m 调制方式，外围电路简单、响应速度快、 有很高的稳定性。 论文首先阐述了b o o s t 变换器的基本工作原理，讨论了三种调制方式的优缺 点，对比了电流控制和电压控制模式，选定变换器的调制方式为p w m 调制方式， 控制模式为峰值电流控制模式。根据p w m 电流模式设计要求，构建了系统的整 体架构，定义了芯片的管脚功能，讨论了系统工作原理。利用控制理论，分析系 统稳定性和次斜坡振荡，采用斜坡补偿方法消除振荡。然后，论文详细分析和设 计了芯片内部电路模块，包括误差放大器、p w m 比较器、电流检测电路、斜坡 补偿电路、驱动电路、控制逻辑电路、基准电压和振荡器等。本文的主要创新点 在于：误差放大器设计采用o t a 结构，放大器仅有一个极点，使得系统补偿简 单；用工作在线性区的m o s 管与功率管并联来采样功率管电流的方法，克服了 功率管串接电阻的电流检测电路效率低的缺点；振荡器电路采用电流源对电容充 放电实现，只采用一个比较器和两个开关控制锯齿波上下限，较传统的振荡器电 路采用双比较器结构节省了芯片面积。另外，p w m 比较器在电路内部引入正反 馈，加快了电路的翻转，减少了延时：利用补偿电容实现软启动，使得芯片在上 电时平缓的进入正常工作状态；为了防止输出电压过高而损坏功率管，在输出处 设计了过压保护电路。 最后，借助c a d e n c e 公司s p e 斌r e 仿真软件完成仿真验证。结果表明，系统 启动时，输出电流平缓上升，实现软启动。正常工作时，无论参考输入是直流电 平还是p w m 信号，均能输出一个稳定的电流，实现两种模式的调光。仿真结果 均达到了预定指标。 关键词：开关电源、电流控制模式，斜坡补偿，自光l e d v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t h eb o o s tc o n v e r t e ro f s w i t c hm o d e p o w e rs u p p l y , t h i s t h e s i sh a sd e s i g n e dah i g hf r e q u e n c ya n dh i g he f f i c i e n c yc o n v e r t e rw i t hb i c m o s p r o c e s s ，w h i c hd r i v e su pt os i xs e r i e s - c o n n e c t e dw h i t el e d s t h ec o n v e r t e rh a sa w i d ei n p u tv o l t a g er a n g ef r o m2 6 vt o5 5 vt og e n e r a t eaw i d eo u t p u tv o l t a g er a n g e f r o m6 vt o2 6 v t h eo u t p u tc u r r e n tc a nb er e g u l a t e db ya p p l i c a t i o n t h ec o n v e r t e r p r o v i d e sa ni n t e g r a t e dp o w e rs o l u t i o n , a saf a s t1 m h zi n t e m a lo s c i l l a t o ra l l o w sf o r s m a l ls i z e e x t e r n a ld e v i c e s t h e c h i p h a sc h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l ee x t e r n a l c o m p o n e n t s ，f a s tr e s p o n s ea n dh i g hs t a b i l i t y , w h i c ha d o p t sc u r r e n t m o d ep w m t h eb a s i cp f i n d p l eo fb o o s tc o n v b q t e ri si n t r o d u c e di nt h et h e s i sf i r s t l y t h e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e em o d u l a t i o nm o d e sa r ed i s c u s s e d t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nc u r r e n t m o d ea n dv o l t a g e - m o d ei sg i v e n t h ep e a kc u r r e n t - m o d e p w mo p e r a t i o nw a sc h o s e na n dt h ea r c h i t e c t u r ea n dd i v e r s i f i e d p a r a m e t e r so f s u b - m o d u l e si nt e r m so fd e s i g n r e q u i r e m e n t sw e r ed e s i g n e d s y s t e m s t a b i l i t y , s u b h a r m o n i co s c i l l a t i o na n dc o m p e n s a t i o nr a m pa r e a n a l y z e d ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r y o fc o n t r 0 1 t h es l o p ec o m p e n s a t i o ni si n t r o d u c o dt oa v o i ds u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n t h e n ，t h ei n t e r n a lm o d u l e so ft h ec h i pa r ed e s i g n e di n c l u d i n ge r r o ra m p l i f i e r , c o m p a r a t o r , c u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i t ，c o m p e n s a t i o nr a m p ，d r i v e r , 1 0 9 i cc o n t r o lc i r c u i t , b a n d g a pv o l t a g ea n do s c i l l a t i o na n ds oo n t h eo p e r a t i o n a lt r a n s e o n d u c t a n c e a m p l i f i e ri su s e dt om a k et h ec o m p e n s a t i o ns i m p l e , w h i c ho n l yh a so n ep o l e t h e m o s f e tw h i c hi sb i a s e di nt r i o d er e g i o np a r a l l e lc o n n e c t sw i t hp o w e rm o s f e tt o s e n s et h ec u r r e n tt h r o u g ht h ep o w e rm o s f e t t h i sc a ns o l v et h el o we f f i c i e n c yo f t h ep o w e rm o s f e ts e r i e s c o n n e c t e ds e n s i n gr e s i s t o r t h eo s c i l l a t o ri si m p l e m e n t e d b yac u r r e n tc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt h ec a p a c i t o r o n l yo n ec o m p a r a t o ra n dt w o s w i t c h e sa r eu s e dt oc o n t r o lr a m ps i g n a l t h ec o m p a r a t o ri s i m p l e m e n t e db ya s o u r c e c o u p l e dd i f f e r e n t i a lp a i rw i t hp o s i t i v ef e e d b a c kt op r o v i d eah i g hg a i na n d r e d u c et h e d e l a yt i m e t h es o f t s t a r tc i r c u i tm a k e st h ec h i pg r a d u a l l ye n t e ri n t o s t a b i l i t y t op r o t e c tt h ep o w e rm o s f e fd u et ot h eh i g ho u t p u tv o l t a g e ，t h eo v e r v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e d f i n a l l y , a l lt h em o d u l e sa n dt h ew h o l es y s t e mh a v eb e e ns i m u l a t e db ys p e c t r e u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc a d e n c e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo u t p u tc u r r e n t v l 上海大学硕士学位论文 g r a d u a l l yi n c r e a s e sd u r i n gs t a l t u p d u r i n gt h es t a b l es t a t e , as t a b l eo u t p u tc u r r e n th a s b e e na c h i e v e dw h e t h e rt h er e f e r e n c ei n p u ti sd co rp w m t h ec h i ph a sa c h i e v e dt h e e x p e c t a t i o ns p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , c u r r e n t - m o d e ，p w m ，w h i t el e d v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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己发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：色竺乓日期： i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 手机、数码相机、笔记本电脑、m p 3 播放器、p d a 、移动硬盘等便携式产 品在人们的生活中应用越来越广泛，特别是小型彩屏从稀有物品成为便携式电子 产品的主流特性，如手机、p d a 和数字照相机，而这些产品往往具有一个或多 个液晶显示屏( l i g u i dc r y s t a ld i s p l a y ，简称l c d ) 。但l c d 是一种本身不发光 的显示器件，因而需要反射或透射外部光源的光产生图像，所以需要对l c d 背 光进行研究。 1 1 课题的背景及意义 目前最常用的背光源为冷阴极荧光灯( c c f l ) ，场致发光器( e l ) 和发光 二极管( l e d ) 。 c c f l 具有高亮度，长寿命( 约2 万小时) ，低发热量，亮白色光等特性， 成为大型显示器背光源的主流，但由于尺寸方面的限制和设计复杂性，很难在小 型显示器上应用；e l 背光源的亮度不是很高，亮度均匀，功耗小，不发热，但 寿命短( 约为5 千小时) ，需要低频交流电压驱动，不适用于电池供电的移动显 示领域。 l e d 光亮度均匀，使用寿命长( 约1 0 万小时) ，低电压直流驱动( 3 v 至4 v ) ， 不需要逆变器。与c c f l 、e l 相比，l e d 具有如下优点：1 ) 可使l c d 色彩更 逼真，采用l e d 背光源提供1 3 0 的n t s c 色阶，而c c f l 仅为7 0 。色阶的 扩充使l c d 影像色度更饱和，更逼真；可使l c d 厚度更薄，在1 8 英寸l c d 模 块中，l e d 背光厚度为4 m m 6 m m ，c c f l 为8 m m 1 2 r a m ；2 ) 寿命长，可达 1 0 万小时；3 ) 符合环保要求，l e d 不含汞，4 ) 与e l 背光相比，l e d 背光不 会产生干扰；5 ) 小型显示屏成本低【l 】o 目前，白光l e d 主要用于彩屏手机和彩屏p d a ，一个彩屏l c d 均匀背光 需要3 4 个白光l e d ，智能手机可能需要6 个白光l e d 。由于自光l e d 需求 的增多，有力地推动了白光l e d 驱动器市场的增长。据l i n e a r 公司电源事业部 上海大学硕士学位论文 产品营销经理t o n y a r m s t r o n g 估计：“2 0 0 3 年手机出货量将超过4 亿部，其中至 少有6 0 7 0 是彩屏手机，此外，还将有1 0 0 0 部彩屏p d a ，市场将有几亿块 白光l e d 驱动器的需求。”f 1 】 国外各厂商纷纷对彩色l c d 显示屏背景光源的白光l e d 给予更高的关注， 并推出了适合于小型彩色液晶显示屏的白光l e d 背光源驱动芯片，如l i n e a r t e c h n o l o g y 公司的l t l 9 3 7 、m a x i m 公司的m a x l 8 4 8 、m a x 6 8 4 、t i 公司的 t p s 6 1 0 4 3 等等。 国内集成电路业起步晚，与国外差距也比较大，至今仍没有自主设计和生产 的白光l e d 背光驱动器，所以对白光l e d 背光驱动进行设计研究，不仅在学术 上意义重大，在市场上也有极其重要的意义。 1 2 白光l e d 及驱动方式 1 2 1 白光l e d 特性 白光l e d 的伏安特性如图1 1 所示，一般正向电压为3 o - 4 0 v ，典型电压为 3 5 v ，电流为2 0 m a 。当加在l e d 两端的正向电压超过3 6 v 后，正向电压很小 的增加，l e d 的正向电流成倍增长，使l e d 发光体温升过快，从而加速l e d 光 衰减，使l e d 的寿命缩短，严重时甚至烧坏l e d ，所以对驱动电源的设计提出 严格要求【2 1 。 ， ， ， ， ， r f m - c e , r , dv a 忡竹一v 。【t i 图1 1 白光l e d i - v 特性 2 鼍v-h苫1凸tl，ik 上海大学硕士学位论文 1 2 2 驱动电路方案 白光l e d 的正向压降高于其它普通l e d ，其它l e d 可用电池供电，而白光 l e d 大多需要独立的供电电源，原因在于单节“+ 电池的典型电压为3 6 v ，最高 电压为4 2 v 。而大多数情况下电池电压较低，特别是电池部分放电后，无法直 接驱动l e d ，需要一个升压型d c d c 转换器来解决白光l e d 的正向电压问题。 目前升压有两种解决方案：一是电荷泵( c h a r g ep u m p ) 方式；二是电感升 压方式。这两种方案之间的主要区别在于是否需要电感以及l e d 是串联还是并 联。l e d 背光驱动器的最佳方案取决于应用的具体需求和限制条件f 3 1 。 白光l e d 的亮度由流过管子的电流控制，随着电流的降低亮度逐渐变暗。 采用并联方式驱动多只l e d 所需电压较低，即一只l e d 的正向压降，见图1 2 ， 但每只l e d 的正向压降略有不同，两端所加电压相同的情况下电流不同，使得 每只l e d 的亮度不同。为了保证电流分配的平均，通常外接电阻或在芯片内部 采用电流镜方式；并联驱动电路通常转换效率较低，一般不超过7 0 ：绝大多 数电荷泵输出电压不可能高于输入电压的1 5 倍或2 倍，电压范围小。电感d c - d c 升压转换器串联驱动l e d 能够保证流过每只l e d 的电流相同，得到均匀的亮度， 转换效率一般在8 0 0 以上，但需要较高的驱动电压，且串联驱动电路使用电感 和高速的开关，对系统中的其他电路干扰大。 c l也 图1 2 电荷泵驱动l e d 综上分析，选择电感型d c - d c 升压转换器为研究对象。 电感型d c d c 升压转换器如图1 3 所示，其工作原理是：电阻r s 的反馈电 压控制开关管m i 的导通和关断，在m 1 导通的时间内，肖特基二极管d 反向截 止，电感l 的电流持续增加，储存能量，电容c o 放电为发光二极管供电；在 m 1 关断的时间，电源、电感l 通过d 向、b 端的电容c o 充电，并为发光二极 上海大学硕士学位论文 管供电。通过这样的反复开关以及反馈控制，被驱动的l e d 电流维持在设定值。 p w m 控制芯片来实现开关控制。 l 叫 d m 1 + 一，、甲 c o i ， ， r s ： 图1 3 电感型升压驱动l e d 1 3 主要工作及创新点 本文设计一款白光l e d 驱动电源管理芯片，该芯片外围电路简单，具有较 宽的输入电压范围和输出电压范围，根据应用需要设定白光l e d 的数目和驱动 电流。当负载l e d 数目不同时具有不同的工作模式以使工作效率最大。本文的 主要工作表现在以下几个方面： 1 ) 详细分析电流型b o o s t 变换器的工作原理，根据设计要求，构建系统构 架，定义芯片的管脚功能。分析与讨论系统稳定性，确定系统补偿措施； 2 ) 完成芯片内部各个功能模块的电路设计，包括误差放大器、p w m 比较 器、电流检测电路等，在各功能模块设计的基础上完成系统电路设计； 3 ) 采用b i c m o s 工艺和c a d e n c e 公司的s p e c t r e 仿真工具对设计电路进行 仿真，分析结果。 创新点： 1 ) 误差放大器采用o t a 结构，使得放大器仅有一个极点，放大器的负载容 性即补偿电容及其寄生电阻引进一个零点，使其与变换器的输出极点对消，则放 大器的输出极点成为控制环路的主极点，在特征频率前仅有一个极点，保证系统 稳定性和环路的动态响应； 2 ) 电流检测电路通常在功率管或电感的支路加入一个小电阻，通过检测电 阻上的压降来实现功率管或电感电流的检测。此种方法检测精度高，但会增加额 4 上海大学硕士学位论文 外的功率损耗，导致效率低，且增加了片外器件。本文设计了一种无额外功率损 耗的电流检测电路，克服了传统电流检测技术的缺点； 3 ) 振荡器采用电流源对电容充放电来实现。传统的振荡器电路采用双比较 器结构控制锯齿波上下限，本文设计的电路只采用一个比较器和两个开关即可实 现，从而节省了芯片面积。 1 4 本文的结构 本文的章节安排如下： 第一章绪论。介绍白光l e d 特性和驱动方式以及本文的结构。在查阅文献 资料的基础上对白光l e d 的相关知识进行介绍，并且从技术层面和市场需求层 面阐明了本课题的现实意义，最后介绍了本文设计中的主要工作、创新点以及论 文结构的安排。 第二章系统电路原理与设计。首先阐述了b o o s t 变换器工作原理、调制方 式和控制模式以及总体设计，并对电流模式开关电源电路的稳定性和频率特性进 行分析。 第三章主体电路设计与仿真。对课题中的主要模块进行分析设计，包括误 差放大器、p w m 比较器、电流检测电路和斜坡补偿电路等，对这些模块的工作 原理及参数进行分析，给出仿真结果。 第四章辅助电路设计。对课题中的辅助模块进行分析设计，包括偏置电路、 振荡器等，并对这些模块的工作原理及参数进行分析，给出仿真结果。 第五章系统电路仿真。运用e d a 软件对应用电路进行整体仿真，分析仿真 结果。 第六章总结与展望。总结本文所做的工作，并对课题的发展进行展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章系统电路原理与设计 白光l e d 驱动电路采用电感升压型开关电源转换电路结构，开关电源控制 芯片以体积小、效率高、成本低等优点广泛地应用于电源系统，而p w m 开关电 源控制芯片在整个开关电源控制芯片中占有非常重要的地位。本章针对d c d c 升压转换电路工作原理进行系统设计和芯片整体电路的设计。 开关电源按照主电路拓扑分为四种：b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k b o o s t 变换器和c u k 变换器r 4 1 。b u c k 变换器是降压变换器，b u c k - b o o s t 变换器和 c u k 变换器的输出电压与输入电压反向，不符合白光l e d 同向升压的要求。所 以本文选用b o o s t 变换器作为芯片的主电路拓扑结构。 2 1b o o s t 变换器基本原理 b o o s t 变换器又称为升压器，如图2 1 所示【4 】。主电路由开关s 、电感l 、电 容c 组成，完成把电压v s 升压到v o 的功能。 v s o 图2 1b o o s t 变换器原理图 其工作过程为：当开关s 导通时，如图2 2 ( a ) 所示，f ，流过电感线圈l ， 电流增加，电能以磁能形式储在电感线圈l 中。此时电容c 放电，r 上流过电 流1 0 ，r 两端为输出电压v b ，极性上正下负。由于开关s 导通，二极管阳极接 v s 负极，二极管承受反向电压，电容不能通过开关管放电。开关s 关闭时，如 图2 , 2 ( b ) 所示，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持f ， 不变。这样线圈l 中磁能转化的电压v l 与电源v s 串联，以高于v o 电压向电容 6 上海大学硕士学位论文 c 、负载r 供电。高于v o 时，电容有充电电流；等于v o 时，充电电流为零；当 v o 有降低趋势时，电容向负载放电，维持v b 不变。 由于v l + v s 向负载供电时，v r o 高于v s ，故称为升压变换器。工作中输入 电流= 乇是连续的。但流经二极管电流却是脉动的。由于c 的存在，负载上仍 有稳定、连续的负载电流1 0 。 v s 一 器 【a )( b ) 图2 2b o o s t 变换器电路工作过程 按t 在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态和不连续工作状态两 种模式。在周期开始时t 不为零，则为连续工作状态；在周期开始时乇为零，则 为不连续工作状态。在连续工作模式下，输出电压与输入电压的关系： 郴，= 告= 吉= 击， 旺， 其中，占空比d = 亍t ，f 为开关管导通时间，r 为开关周期。在不连续工作 模式下输出电压与输入电压的关系： 呻) = 琶= 扛。2 争 晓化， 根据式( 2 1 1 ) ，在连续工作模式下，输出电压v 和负载无关，和输入电压 v s 有关，因此稳态时负载调整率世a m v o 1 。较好，开环线性调整率 a v _ 。x 1 0 0 很差。根据式( 2 l 2 ) ，在不连续工作模式下输出电压和输入电压、 负载都有关系，因此在d c m 工作模式下负载调整率和线性调整率都较差。 7 上海大学硕士学位论文 2 2 调制方式选择 开关电源的调制方式有p f m 、p s m 、p w m 三种调制方式。时钟频率调制 ( p f m ) 方式为时钟宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，实现对电路控制 的调制方式称为定宽调频；时钟垮周期( p s m ) 方式为时钟宽度恒定，选择性地 跳过某些工作周期调节电路的调制方式；时钟宽度调制( p w m ) 方式为开关频 率恒定，通过调节导通时钟宽度来改变占空比，实现对电路控制的调制方式称为 定频调宽。 2 2 1p f m 调制方式 p f m 调制方式是开关电源变换器中常用的调制方式，多与p w m 结合达到 最佳控制效果。通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作 频率进行调节，然后输出一个恒宽变频的方波信号对功率管进行控制，依据负载 状况实时调节开关管的导通时间，稳定输出电压。工作波形图如2 3 所示。 v n t 图2 3 p f m 工作原理图 p f m 调制方式具有以下优点：在负载较轻情况下效率很高，工作频率高， 频率特性好，电压调整率高，适用于电流或电压控制模式。缺点：负载调整范围 窄，滤波成本高。 2 2 2p s m 调制方式 p s m 调制方式是开关电源变换器中一种新的控制方式，称为时钟跨周期调 上海大学硕士学位论文 制。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平，决 定是否在该时钟周期内工作，调节功率管的导通时间，稳定输出电压。其工作波 形图如图2 4 所示1 5 】o p s m 控制方式的优点：在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特 性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理i c 。缺点：输出纹波大，输 入电压调整能力弱。 v e n c l o c k d m a x | d r a i n liiii ：tt ii9iil 10 il iiiillii 厂 厂 r 厂 厂 厂 r r r r 2 2 3p w m 调制方式 v v 图2 4 p s m 工作原理图 t 图2 5 p w m 工作原理图 p w m 调制方式是开关电源变换器最普遍的调制方式。通过负载端反馈信号 与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一路恒定频率占空比变化的时钟控制信 号对功率管进行控制，并且依据负载状况实时调整开关管的导通时间，稳定输出 电压。波形如图2 5 所示。 9 上海大学硕士学位论文 p w m 调制方式的优点：在负载较重的情况下效率较高，电压调整率高，线 性度高，输出纹波小，适用于电压或电流控制模式。缺点：轻负载时效率下降。 p w m 调制方式凭借自身的优点，在开关电源中得到最广泛的应用，所以本文也 采取此种调制方式。 2 3 控制模式选择 开关电源按控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模式6 1 。 2 3 1 电压控制模式 图2 6 是电压控制模式的拓扑结构图，基本原理是：对输出电压检测得到反 馈信号。与参考电压。，比较放大，得到误差信号，珞和锯齿波信号比较后， p w m 比较器输出一系列时钟，这些时钟的宽度随误差信号圪的变化而变化。而 输出时钟宽度取决于输出能量的大小，当负载消耗能量增大时，时钟宽度增大， 而输出能量减少时，输出时钟宽度减小，从而维持输出电压恒定。这种电压控制 开关电源只需要一个反馈信号，用于实现整个电路的负反馈而维持输出恒定。由 于在整个控制电路中只有一个反馈回路，所以是一种单环控制系统。 图2 6 电压型控制原理图 电压控制模式开关电源是一个二阶系统，系统存在两个状态变量：输出滤波 电容器上的电压和输出滤波电感中的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统，只 有对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，闭环系统才能稳定工作。开关 电源的电流都要通过电感，对于电压信号有9 0 。的相位延迟。而对整个稳压电源 1 0 上海大学硕士学位论文 系统来说，通过初级的励磁电流改变高频变压器中的磁通，以适应输入电压和负 载的变化而保持输出电压恒定的要求。这种检测输出电压的方法在调节过程中存 在一定滞后，结果必然是响应速度慢、稳定性差，大信号变动时甚至产生振荡。 电压控制模式的优点： ( 1 ) p w m 锯齿波幅值较大，时钟宽度调节时具有较好的抗干扰裕量； ( 2 ) 占空比调节不受限制； ( 3 ) 对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好； ( 4 ) 单一反馈电压控制设计，调试比较容易； ( 5 ) 对于输出负载的变化有较好的响应调节。 电压控制模式的缺点： ( 1 ) 对输入电压变化的动态响应较慢； ( 2 ) 闭环增益随输入电压的变化而变化，使补偿网络的设计复杂； ( 3 ) 输出l c 滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计e a 时需要对主极 点进行低频衰减或增加一个零点补偿。 2 3 2 电流控制模式 针对电压控制的缺点，最近十几年发展起来了电流控制技术。电流控制型开 关变换器正是在传统电压控制型的基础上，增加电流内环，使其成为双环控制系 统，让电感上的电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器的二阶模型去掉了 电感电流而成为一阶系统。图2 7 所示为电流型控制的原理图，电流信号v s 和 斜坡补偿信号v c 叠加后跟误差放大器的输出电平v e 进行比较，输出时钟与o s c 信号得到l o g i c ，驱动功率管导通，电源回路中的电流时钟逐渐增大。当v s + 、，c 的幅值达到v e 时，比较器状态翻转，功率管截止，逐个地检测和调节电流时钟 达到控制电源输出的目的。 电流控制模式的优点 ( 1 ) 对输入电压变化响应速度快，抗干扰性能强 电源输入电压的变化，必然会引起变压器初级电流上升斜率的变化，如电压 升高，则电流增长变快，反之则变慢。但只要电流时钟达到了预定的幅度，电流 控制回路动作，使得时钟宽度发生改变，保证输出电压稳定。在电压型控制电路 上海大学硕士学位论文 中，检测电路对输入电压的变化没有直接反应，要到输出电压发生一定变化后才 能响应输入电压的变化，一般5 1 0 个周期后。 ( 2 ) 过流保护 在电流控制型变换器中，由于内环采用电流峰值控制技术，能及时、准确地 检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流，自然形成逐个电流时钟检测电路。 只要给定或限制参考电流，就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电 流，从而在输出过载或短路时保护开关管和变压器，也能有效地克服由输入电压 的浪涌所产生的大尖峰电流而损坏功率开关管。 ( 3 ) 回路稳定性好，负载响应快 电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电流源，而电流源的电流大小 反映电源输出电压的大小。这是因为电感中电流时钟的幅值是与直流输出电流的 平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。 ( 4 ) 电压调整率显著减小 当输入电压波动时，图2 7 中的电流检测电阻r s 会立即检测到峰值电流的 变化，快速调整占空比，使输出电压稳定。 图2 7 电流型控制原理图 缺点：b o o s t 结构电感峰值电流和平均电流有误差：直流开环负载调整率较 差；占空比大于0 5 时系统不稳定，需要加补偿电路。 为了达到电路设计要求，依据上述分析，本电路选用是电流型p w m 控制方 式。 上海大学硕士学位论文 2 4 芯片设计要求 本文的白光l e d 驱动升压型变换器采用电流模式p w m 控制方式，以恒定 电流方式驱动2 , - 6 个串联的白光l e d ，为蜂窝电话和其他手持设备提供背光驱 动。该芯片l e d 亮度可以通过直流电平输入和p w m 信号输入两种方式进行调 节；软启动电路使得启动阶段无浪涌电流；过压保护防止功率管漏端电压过高而 击穿功率管，并具有欠压锁定及关断功能。 芯片的设计指标为： 1 ) 输入电压范围：2 6 v v 5 5 v ( 典型值3 v ) ； 2 ) 输出电压范围：2 6 v 2 6 v ； 3 ) 转换效率：8 4 ； 4 ) l e d 输出电流：由c t r l 控制。c t r l 大于1 6 2 v 时，流过l e d 的电流 恒定为1 6 2 ( 1 0 x 胄m ) ；c t r l 大于1 6 2 4 时，流过l e d 的电流为 l e d = ( 1 0 姗) ； 5 ) 开关频率：典型值1 m i - i z ； 6 ) 工作温度范围：- 4 0 8 5 。 2 5 芯片的整体设计 根据电路设计要求，本文设计的控制电路主要由跨导放大器c a n 、p w m 比 较器、电流检测电路、斜坡补偿电路、振荡器o s c 、基准电路b a n d g a p 、驱动电 路d r i v e r 、欠压锁定电路u v 及过压保护电路o v 等组成。芯片系统框图如图2 8 所示【7 】f 8 】。 芯片管脚说明： i n ：电源输入端。在i n 和低端接一个大的电容，目的是滤除高频信号； o u t ：过压保护的输入端，当o u t 电压大于2 7 v 时，内部功率管将自动关 断，直到o u t 电压降到2 5 v 时才再次启动； c t r l ：亮度控制信号和关断信号的复用端。亮度控制支持两种模式：直流 电平模式和p w m 信号模式。在直流电平控制模式下，c t r l 端电压的大小控制 流经l e d 的电流，当v m l _ 1 6 2 v 时，l e d 的电流达到最大值，由于箝位电路 上海大学硕士学位论文 的作用，即使c t r l 端电压继续升高，l e d 不再增加亮度；在p w m 信号控制 模式下，p w m 信号的占空比控制流经l e d 的电流，占空比为1 0 0 时l e d 的 电流达到最大值。当c t r l 端电压持续低于1 7 0 m v 达8 2 m s 时，整个芯片关断； c s ：l e d 电流检测反馈端。通过一个电阻接地，设定稳定时流经l e d 的电 流，在芯片内部c s 信号连接到误差放大器的输入端，通过反馈控制来稳定l e d 的电流； c o m p ：输入补偿，外接一定大小的电容稳定整个转换器，并用于软启动； l x ：内部功率m o s 的漏端，外接电感和肖特基二极管，关断时此引脚具有 很高的阻抗。 输入 2 6 v t os s v 2 6 芯片的工作原理 图2 8 芯片系统框图 从系统级来看，其工作过程如下： 1 4 上海大学硕士学位论文 当c t r l 端电压低于1 7 0 m v 一定时间后，整个电路处于关断状态，芯片消 耗电流为0 3 u a 。此时，o u t 端电压近似等于电源电压，为了防止l e d 导通， l e d 的数目必须不小于2 。 当c t r l 端电压大于1 7 0 m v 后，内部1 7 0 m v 比较器输出启动信号，启动带 隙电路和偏置电路，使其他电路开始工作。刚启动时c s 端电压为零电位，跨导 放大器以恒定的电流给c c o m p 充电，当c o m p 端电压上升至1 2 v 时，功率管以 较小的占空比1 2 开始工作，随着c o m p 端电压继续上升，功率管的占空比增 大，直至v c s _ v ( 船i 1 0 时软启动结束，整个系统进入稳定的工作状态。 系统启动后，p w m 比较器把经过补偿的功率管电流检测信号和c o m p 端电 压进行比较，输出p w m 信号控制功率管的关断。c t r l 端电平信号的变化引起 c o m p 端电压的变化，再通过p w m 比较器改变功率管的占空比，从而调节l e d 的亮度；当c t r l 端输入p w m 信号时，通过跨导放大器和补偿电容构成的g m c 一阶滤波器在c o m p 端得到一个平均值，改变p w m 信号的占空比使c o m p 端 电压发生变化，从而调节l e d 的亮度，允许p w m 信号频率范围为 2 0 0 h z 一2 0 0 k h z 。为了保证在p w m 调节亮度模式下芯片不会误关断，设计一个 8 2 m s 延时电路，只有当c t r l 端电压持续为低的时间超过8 2 m s 时电路才会关 断。 为了提高电路的工作效率，降低开关损耗，电路在不同数目的l e d 负载下 有不同的工作模式： 1 ) 正常工作负载 在一般负载情况下，系统工作在p w m 模式下。o s c 模块输出时钟c l k 上 升沿到来时，功率管导通，p w m 比较器输出的p w m 信号由低变高时，功率管 关断。因而c o m p 端电压决定p w m 信号的翻转时间，即功率管的占空比。无 论是c t r l 端电压变化，还是负载的变化，系统都会自动调节c o m p 端电压使 功率管工作在合适的占空比，从而得到精确的l e d 电流。 2 ) 轻负载 在c t r l 端电压很低且l e d 数目较少时，输出功率较小，此时系统自动进 入最小占空比模式。在这个模式下，功率管在最小占空比下工作。当c o m p 端 电压低于1 2 v 时，功率管关断，当c o m p 端电压达到1 2 v 时，功率管开启约 1 2 0 n s 。这种模式可有效地改善轻负载时系统效率降低的问题。 上海大学硕士学位论文 3 ) 重负载 在c t r l 端电压很高且l e d 数目较多时，输出功率较大，较重的负载需要 系统工作在较大的占空比下，但为了系统正常工作，占空比不能接近1 0 0 。将 o s c 的时钟c l k 设计为o 9 4 的时钟周期，当时钟的下降沿到来时，再配合逻辑 电路，从逻辑上实现9 4 的最大占空比。由于工艺限制，功率管必须规定电流上 限，否则芯片将烧毁。所以在c o m p 端电压设计一个2 2 v 的箝位电路v 2 2 ，由 于c o m p 端电压值跟功率管电流值近似一一对应，所以限制c o m p 端的最高电 压也就限制了功率管的最大电流。 2 7 系统稳定性分析与补偿措施 稳定是控制系统的重要性能，也是系统正常运行的首要条件。电流控制模式 具有动态响应快、增益带宽大、线性调整好等特点，但也存在稳定性问题，是设 计中需要考虑的重要问题。本节将讨论系统的稳定性问题以及补偿措施。 2 7 1 稳定性分析及补偿 为了分析变换器的稳定性问题，首先研究系统控制流图，如图2 9 所示 9 1 1 0 1 。 图2 9 驱动电路的信号流图 由图写出驱动电路的环路增益为 g g ) h g ) = ( s + 去) ( s + 竽) ( 2 7 1 ) 黼e = 半，e = 警小百i - d ，y 为增益衰减瓯巧为输 上海大学硕士学位论文 入电压：v o 为输出电压；r 为串联的白光l e d 等效电阻；r s 为电感电流检测电 阻；c 为输出电容；d 为占空比；l 为电感；6 为开关频率；k 2 ( s ) 为误差放 大电路的增益。 分析式( 2 7 1 ) 发现，驱动电路存在两个极点和一个右零点：以= 竺， r c 铲羔，= 业l 。b o o s t 变换器中，一个重要特性是存在一个右 半平面零点，原因是由控制信号到能量传输到负载存在延迟造成的，如当负载电 流突然增加，输出电压则变低时，控制回路使得占空比增加以提供更多的能量， 开关截止时间减少，因此提供给负载的能量会相应减少，输出电压迸一步减小， 最终系统达到一个新的平衡。右半平面零点使得系统相移9 0 。，增益以2 0 d b d e e 增加，相位补偿困难。如果右零点小于特征频率，会严重影响电路的稳定性【1 1 】。 主极点以由负载电阻和输出电容决定；次极点由占空比和增益衰减因子以 及开关频率决定；右半平面零点取决于负载电阻和占空比。对于l e d 驱动电路， 开关频率矗和增益衰减因子保持不变，而不同数目的l e d 串联会导致负载电阻 和占空比发生变化，所以在不同的应用条件下极点位置会发生变化。 为保证整个电路的稳定性，需要根据情况对回路做适当的频率补偿，即通过 引入新的极点和零点使得原来主极点和次极点间隔变宽，次极点位于单位增益带 宽之外，并满足下列条件：相位裕度p m 4 5 。，幅值裕度g m 6 d b 。 表1 系统零极点频率 l e d ( 个) 厶k h z2 k h zl m h z 27 9 6 3 2 00 7 4 4 35 3 0 3 2 00 5 0 0 43 9 83 2 00 3 7 7 5 3 1 83 2 00 3 0 3 62 6 5 3 2 00 2 5 3 对于白光l e d 驱动电路，特征频率五一股取开关频率的1 1 0 以保证开关频 率附近的输出电压纹波不会被放大器放大。由于白光l e d 工作电压为3 v 4 v ， 电流为1 5 m a 2 0 m a ，将l e d 等效为2 0 0q 的电阻。取v l e d = 3 5 v ，v 阳_ o 1 v ， 1 7 上海大学硕士学位论文 v r = 3 6 v ，2 1 一d ，工2 而lz = 1 0 0 k h z 求得2 - 6 个u d 下的零极点的位置见 表1 。 从