（微电子学与固体电子学专业论文）高亮led驱动电路的设计研究.pdf

摘要 摘要 由于高亮l e d 具有高亮度、高效率、高可靠性、长寿命以及多色等特点，所 以使其应用范围不断扩展，涉及l c d 背光灯、电子告示牌、交通信号灯、室内照 明、建筑照明和汽车尾灯等领域。这些应用都要求高亮l e d 具备调光功能。所以 设计出具有高集成度、最简外围电路、高效率、大功率以及可调光功能等优点的 高亮l e d 驱动电路设计成为了热点。 本文的目的是设计一种混合调制模式的可调光的高亮l e d 驱动电路。在传统 的开关降压变换器拓扑结构基础上，采用高边电流检测电路产生采样电压，然后 通过具有迟滞特性的比较器将采样电压与芯片内参考电压比较，从而确定功率开 关管的开断，这使得电路仅在一个振荡周期就可以迅速稳定下来。另一方面，由 于采样电压精确可控，因此流过高亮l e d 的电流也精确可控。最后，针对该芯片， 本文提出了三种调光方法。该电路只需配以简单的外部元件即能驱动单个或多个 串联高亮l e d ，并达到较好的性能。 本文采用b c d 工艺完成了一种可调光的高亮l e d 驱动电路设计。整体电路的 模拟验证表明电路完成了设计功能，达到了设计指标，现已投片。 关键词：高亮发光二极管驱动电路大功率降压变换器可调输出电流 a b s t r a c t a b s t r a c t h bl e d s ( h i g h - b r i g h t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d e s ) h a v eb e e nu s e di nw i d e a p p l i c a t i o n s ，s u c ha sl c db a c k g r o u n dl i g h t ，e l e c t r o n i cb u l l e t i nb o a r d ，t r a f f i cs i g n a l s ， i n d o o rl i g h t i n g ，b u i l d i n gl i g h t i n ga n da u t o m o b i l et a i l l i g h tb e c a u s et h e yh a v eh i g h e r l i g h tb r i g h t n e s s ，h i g h e re f f i c i e n c y , h i g h e rr e l i a b i l i t y , l o n g e rl i f e t i m ea n dm u l t i c o l o r i n t h e s ef i e l d s ，a d j u s t a b l el i g h tb n g h t n e s sf u n c t i o ni sr e q u i r e d s ot h ed e s i g no fh bl e d s d r i v e rb e c o m e sah o tp o i n t ，w h i c hp r o v i d e sh i g hi n t e g r a t i o n ，s i m p l eo u t p u tc i r c u i t s ， l l i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e ra n da d j u s t a b l el i g h tb r i g h t n e s sf u n c t i o n i nt h i st h e s i s ，i tf o c u s e so nd e s i g n i n ga na d j u s t a b l eh bl e dd r i v e rw i t hm i x e d m o d u l a t i o n b a s e do i lt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a lb u c kc o n v e r t e r s ，t h e c i r c u i ts w i t c ho no ro f fo fp o w e rt r a n s i s t o ri so p e r a t e db ys a m p l i n gv o l t a g eo b t a i n e d f r o mh i g hs i d ec u r r e n ts e n s i n gc i r c u i t ，t h e nc o m p a r i n gi tw i t hi n t e m a lr e f e r e n c e v o l t a g eb yt h ec o m p a r a t o rw i t hh y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i c s ot h ec i r c u i t sr e a c hs t a b l e s t a t ej u s to n eo s c i l l a t i o np e r i o dr a p i d l y i nt h eo t h e rh a n d ，t h ec u r r e n tt h r o u g ht h eh b l e di sp r e c i s ea n dc o n t r o l l a b l eb e c a u s et h es a m p l i n gv o l t a g ei sp r e c i s e l yc o n t r o l l e d f i n a l l y , t ot h i sc h i p ，t h r e em e t h o d sf o ra d j u s t i n gl i g h tb r i g h t n e s sa l ep r e s e n t e d s i n g l e o rm u l t i - c a s c a d eh bl e d sc a nb ee a s i l yd r i v e nb yt h ec i r c u i tw i t hs o m es i m p l eo u t p u t c o m p o n e n ta n dg o o dp e r f o r m a n c ew i l lb eo b t a i n e d i nt h i st h e s i s ，a na d j u s t a b l eh b l e dd r i v e rh a sb e e nd o n ew i t hb c d t e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o no fw h o l ec i r c u i ti n d i c a t e st h a tt h ei ch a sa c h i e v e do u re x p e c t a t i o n i n c l u d i n gf u n c t i o na n dp a r a m e t e rt a r g e t t h ec i r c u i t sh a v e b e e nd e l i v e r e df o r p r o c e s s i n g k e yw o r d s ：h bl e dc i r c u i td r i v e rh i g hp o w e rs t e p d o w nc o n v e r t e r s a d j u s t a b l eo u t p u tc u r r e n t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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作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，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的声明 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。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。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。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期：尘掣 筮 兰； 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀v 匕 1 1 高亮l e d 的发展状况 l e d 是l i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，即发光二极管。这种发光特性发生在 二极管的正偏压部分。 1 9 0 7 年，h e n r yj o s e p hr o u n d 第一次在碳化硅里观察到电致发光现象。由于 碳化硅发出的黄光太暗，不适合实际应用。2 0 世纪2 0 年代晚期，b e r n h a r dg u d d e n 和r o b e r tw i c h a r d 在德国使用从硫化锌物与铜中提取的黄磷发光，但再一次因发 光暗淡而停止研究。1 9 3 6 年，g e o r g ed e s t i a u 出版了一份关于硫化锌粉末发射光 的报告。随着电子器件的研发和业界认识的逐步深入，最终实现了“电致发光”。 2 0 世纪5 0 年代，英国科学家在电致发光的试验中使用半导体砷化镓发明了第一 个具有现代意义的l e d 。第一个商用l e d 虽然仅能发出不可视的红外光，但它 被迅速的应用于感应与光电领域。2 0 世纪6 0 年代末，人们在砷化镓基体上发明 了第一个可见红光的l e d t 。 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 效率将不断提升。l e d 的使用都是化合物半导体，它的发展历史可以看作是发光 半导体材料的发展史【2 , 3 , 4 , 5 1 。总的说来，半导体发光材料的发展大致经历了三个阶 段： 第一阶段是以硅材料为代表的半导体材料，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。 第二阶段是以砷化镓和磷化铟为代表的第二代半导体材料。从2 0 世纪8 0 年 代以后，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，砷化镓和磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。目前砷化镓 几乎垄断了手机制造中的功放器件市场。 第三阶段半导体材料的兴起是以g a n ( 氮化镓) 材料p 型掺杂的突破为起点， 以高亮蓝光发光二极管( 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。最近十年，高亮度化，全色 化一直是l e d 材料和器件工艺技术研究的前沿课题。 h bl e d 是高亮度发光二极管的简称( h i g h b r i g h t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d e ) 。 功率为3 w 的h bl e d ，照明效果相当于6 0 w 的白炽灯。全球电力有2 2 将用 高亮i ，e d 驱动电路的设计研究 于照明，如果发光二极管得到推广，其节约的电能将是十分可观! 如美国5 5 的 白炽灯及日光灯被l e d 取代，每年可节约3 5 0 亿美元电费，减少7 5 5 亿吨c 0 2 排放量；日本1 0 0 白炽灯若换上l e d ，可减少1 2 座核电厂发电量，每年可节 省l o 亿公升以上原油消耗；台湾2 5 的白炽灯及1 0 0 的日光灯被l e d 取代， 每年可节省1 1 0 亿度电；我国按计划在2 0 0 5 2 0 1 5 年间，半导体照明可累计节电 4 0 0 0 亿度，2 0 1 5 年后，在投资不到三峡工程5 的情况下，每年节约的电能将超 过三峡电站全年的发电量。由此可见高亮度l e d 在通用照明产业的使用，对国 家或地区的能源、策略和环保策略产生积极的影响。为此，国际上许多国家和地 区把半导体照明产业列入发展计划。美国启动了“下一代照明”计划，欧盟于2 0 0 0 年7 月通过并启动了支持发展半导体照明的l e d 光源替代白炽灯的“欧盟彩虹” 计划，日本启动了“2 1 世纪照明”计划，韩国启动了“韩国l e d 半导体照明”计划， 我国也启动了“国家半导体照明工程 7 , 8 , 1 1 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 2 0 ，2 5 3 3 1 。 许多研究表明，2 1 世纪的前1 0 年，l e d 产业将会继续往以下方面迅速发展【旧】： ( 1 ) 高亮度l e d 和i 超高亮度l e d 市场规模所占的比重不断增加，市场增长速度 超过了l e d 整体市场的增长速度。2 0 0 6 年，全球高亮度l e d 的产值超过了4 2 亿美 元。全球企业会在超高亮度、全彩色技术方面继续扩大投资，提高产量，行业从 业人员进一步增加。我国将成为世界l e d 的主要生产地，预计产量将占到世界的 六成以上；超高亮度l e d 会以3 0 的速度增长，而传统的l e d 也会有5 1 0 的 增长速度。 ( 2 ) 截至2 0 0 6 年，几乎所有颜色l e d 的发光效率都已经超过了1 5 l m w 的普通白 炽灯的发光效率。相信伴随着技术的进一步发展、发光效率的提高和单个l e d 成 本的降低，l e d 在普通照明领域的应用也会进一步扩大，并在很多方面取代白炽 灯。目前，在我国的一些城市，比如，浙江的宁波，已经部分实现了l e d 路灯照 明。 ( 3 ) 世界光电子产业的发展推动l e d 应用领域的变化和发展。随着产业的发 展，会有更多的资金投向l e d 的研究和生产。美国能源部2 0 0 6 年3 月发布的固体照 明研究和投资公文显示，2 0 0 6 财政年度，美国国会用于固体照明研发的拨款达到 了1 8 0 0 万美元。现有超高亮度、蓝色、绿色l e d 的技术为少数企业垄断的局面将 会被打破，产品成本会大幅度下降，从而促进市场的再开发、应用的再拓展。 总之，l e d 产业必将全方位发展，尤其是高亮l e d 的发展将更加迅速。关注高 亮l e d 的特性及提供高效的驱动电路更成为研究热点，下一节将介绍高亮l e d 的特 性及其应用。 第一章绪论 1 2 高亮l e d 的特性及其应用 1 2 1 高亮l e d 的电学特性 1 高亮l e d 的发光原理1 1 8 2 5 】 高亮l e d 是由i i i v 族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷 砷化镓) 等半导体制成的，其核心是p n 结，因此它具有一般p n 结的i v 特性。 此外在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由n 区注入p 区， 空穴由p 区注入n 区。当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光 子的形式将多余的能量转化为光能而发光，如图1 1 所示。 t7 图1 1p n 结发光原理 理论和实践证明，光的峰值波长九与发光区域的半导体材料禁带宽度e 。有关， 即： 九= 1 2 4 0 e 。( m m ) ( 1 一1 ) 式中e 的单位为电子伏特( e v ) 。若要产生可见光( 波长在3 8 0 n m 紫光 7 8 0 n m 红 光) ，半导体材料的禁带宽度在3 2 6 e v , 1 6 3 e v 之间。 2 l e d 的伏安特性 控制l e d 的发光亮度，其实质是控制发光密度。图1 2 所示为普通l e d 的 特性曲线。从图中可以看出： ( 1 ) l e d 的发光密度与其正向电流基本成正比例关系，因此可以通过控制l e d 的正向电流来控制其发光亮度。 ( 2 ) 温度不变的情况下，控制l e d 的正向电压就可以控制其正向电流，从而 控制其发光亮度。在正向电压小于l e d 的导通电压时，电流极小，不发光。而当 正向电压高于l e d 的导通电压时，j 下向电流随电压迅速增加，从而使l e d 发光。 若对l e d 采用恒压源驱动，微小的正向电压变化就会引起正向电流的较大变化， 从而引起l e d 亮度的较大变化。 高亮l e d 驱动电路的设计研究 ( 3 ) 恒定j 下向电压下，当温度改变时，l e d 的正向电流也会随温度变化，从而 引起l e d 的发光亮度的变化。 1 帖 o o 占 筵 越 唇4 0 目 o o 5 口 t e 。3 蜒 删 雹芒口 h m n jf l f | ? ， ， ， 1 0o dj o 4 , 0 j p 0 正向电质( v ) 、 】 1 拿 0 舟 蟛 伽 育o 瘩 坚 0 3 o ， ，o拿o：沁db 正向电渡( m a ) 口；- o4 06 0 - 00 o 6 0 温度( ) 温度( 1 c ) 图1 2 普通l e d 的特性曲线 因此要控制高亮的l e d ，驱动器必须提供准确恒定的电流源，即采用恒流源 驱动l e d 。本文就是实现了一种对高亮l e d 的恒流驱动。 3 高亮l e d 的一些基本参数 ( 1 ) 允许功耗厶：高亮l e d 两端正向直流电压与正向电流之积的最大值。 ( 2 ) 最大正向电流：允许通过l e d 的最大正向直流电流。 ( 3 ) 最大反向电压：允许加在l e d 两端的最大反向电压。 ( 4 ) 工作环境温度：发光二极管可正常工作的环境温度范围。 此外，高亮l e d 还具有结温、储存温度、焊接时间等参数。 1 2 2 高亮l e d 的优缺点 在电光源发展的一百多年来，光源照明电器已经经历了三个重要的发展阶段， 这三个阶段的代表性光源分别是白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。而现在人 们普遍认为l e d 将有望成为第四代光源1 1 8 , 3 5 , 3 7 1 。 5 3 三 o 恻伽求媳 第一章绪论 表1 1l e d 与传统灯的性能对比 雒 耗电量工作电压协调控制发热可靠使用寿命 名彩 ( w )( v ) 量性 ( h ) 钨丝灯 1 5 2 2 02 2 0 商问低30 0 0 节能灯3 1 5 0 2 2 0 不宜调光 低 低50 0 0 金属卤素灯1 0 02 2 0不易 极高低 30 0 0 霓虹灯 5 0 0 较高 高 高较低 30 0 0 镁氖灯 1 6 、w m2 2 0 较好较高较好 60 0 0 日光灯 4 1 0 02 2 0 不易较高低50 0 0 - 80 0 0 冷阴极1 5 w m需逆变较好 较好 较低1 00 0 0 l e d 灯极低很低多种形式 极低极高 1 00 0 0 0 由表1 1 分析可知，相对于其他目前比较普及的电光源来说，l e d 有如下优 占【6 ，3 6 , 3 7 ，3 8 j 、 ( 1 ) 节能：固体冷光源光效高，并且采用低电压，低电流启动，耗电少，可 节能8 5 ，符合国家节约能源的重大战略； ( 2 ) 环保：由于采用电致发光的原理，没有有害金属汞污染问题，废物可以 回收。并且l e d 是一种冷光源，辐射主要集中在可见光区，几乎不产生热量， 也消除了非可见光区电磁波对人体的危害； ( 3 ) 安全：l e d 使用低压电源，比较适用于公共场合； ( 4 ) 可靠：l e d 具有坚固、耐震、耐冲击，寿命长等特性，光源稳定性好； ( 5 ) 适用性：体积小、重量轻，可平面封装，每个单元l e d 小片是3 5m m 的正方形，因此可以封装成各种形状的器件，适合于易变的环境； ( 6 ) 响应时间：白炽灯的响应时间为毫秒级，而l e d 的响应时间为纳秒级， 因此可以高频操作； ( 7 ) 控制管理：l e d 可以集中控制，也易于分散控制或对点进行调节控制。 还可以通过控制l e d 的电流调光，通过不同光色组合调色，达到多种动态变化 效果。 正是由于这些优点，使得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，高亮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，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 6 高亮l e d 驱动电路的设计研究 第四代光源【7 , 3 6 , 3 7 1 。 目前高亮l e d 正处于初期发展阶段，其发光效率也在不断的提高，但还需要 解决一些技术上的问题才能真正使l e d 在照明领域得到普及【i 3 , 3 4 】： ( 1 ) 功率低。市面上的单体l e d 功率一般在5 w 以下，还没有出现更大功率 的l e d ，这是目前l e d 难以成为照明首选的最大瓶颈； ( 2 ) 需要严格控制温度。l e d 是一种半导体材料，与普通二极管一样具有p n 结，由于高亮二极管的功率相对较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散 热问题，结温过高会直接影响l e d 的寿命，并且会增大l e d 的光衰，情况严重 的会将l e d 烧坏。 ( 3 ) 价格高。除了功率低，价格是l e d 难以成为照明的主要因素，虽然l e d 目前被大多数人认识，也被多数人看好，但其高昂的价格难以被消费者接受，目 前单体黄色l e d 大约0 6 元个，绿色和蓝色单体l e d 大约为1 8 元个，白色l e d 的价格达到了2 2 5 5 元个左右。如果将十几个单体l e d 组合，其成本将大大增 加。如果把一个l e d 安装在草坪灯里，其单价就相当于一般草坪灯的几倍，l e d 要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，成本才可能降低， 市场才可能突破。 1 3l e d 及h bl e d 驱动的分类及其工作原理 l e d 驱动i c 的功能主要是对l e d 提供高效和持久的驱动。有的不光是简 单的控制与驱动，还具有智能管理功能，从而实现高效率、高性能和多种管理及 保护功能。驱动i c 的需求和l e d 的应用密不可分，l e d 的应用和技术发展， 推动了驱动i c 的发展。反过来，驱动技术又是提升l e d 照明应用水平的关键所 在。l e d 所需电源为直流、低电压，故传统的钨丝灯泡或日光灯之电源并不适合 直接推动l e d 灯具，必须考虑恒定的电流驱动、能源转换的效率、功率因素等 各种要求。这些都对集成电路的设计、工艺及应用等诸方面的技术提出了挑战。 集成电路设计、工艺等技术也因此受到严峻的考验。因此众多厂商投入大量资金 和人力开展结构更加紧凑、功能更强、效率更高的l e d 控制、驱动i c 的研发工 作，从而在各个应用领域中，在技术和产品方面都有较明显的突破【3 3 1 。本节主要 介绍了l e d 及高亮l e d 驱动的分类及其工作原理，并对各种驱动进行了比较。 1 3 1l e d 驱动分类 一按供电电压高低分类【1 l 】 从供电电压的高低可以将驱动器分成三类：由电池供电，电压一般低于5 v ， 第一章绪论 主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白色l e d ，它主要采用升压式 d c d c 转换器或升压式( 或升降压式) 电荷泵转换器，少数采用l d o 电路的驱动 器；大于5 v 供电，如6 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v ( 或更高) ，由稳压电源或电瓶供电， 它主要用降压式或升降式d c d c 转换器，主要驱动l e d 灯；直接由市电供电 ( 1 1 0 v a c 或2 2 0 v a c ) 或相应的高压直流电，如4 0 - 4 0 0 v ，主要用于驱动大功率 白色l e d 灯，采用降压式d c d c 转换器驱动电路。 二按负载连接方式分类【9 】 1 串联方式 串联接法如图1 3 ( a ) 。恒压驱动时，要求驱动电压较高而且任一l e d 短路将 导致余下l e d 容易损坏。当某一l e d 断路时，则无论是恒压驱动还是恒流驱动， 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 两端并联一个导通电 压比l e d 高的齐纳管即可。 2 并联方式 并联接法如图1 3 ( b ) 。恒流驱动时要求电流较大，任一l e d 断路将导致余下 l e d 容易损坏。解决办法是尽量多并联l e d ，当断开某一l e d 时，分配在余下 l e d 电流不大，不影响余下l e d 正常工作。所以在功率型l e d 做并联负载时， 不宜选用恒流式驱动器。当某一l e d 短路时，无论是恒压驱动还是恒流驱动， 则所有的l e d 将不亮。 3 混联方式 混联接法有两种：一种如1 4 ( a ) ，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。另一种接法是将l e d 平均分配后，分组 并联，再将各组串联( 如图1 4 ( b ) ，要求与单组串联或并联相同。) 图1 3l e d 的简单串联、并联 、- 歹一 ，l7 ，i7 ， ，一 7 ，i 夕一 广，i声7 广，i7 一 7 夕一 7 ，7 ， 7 ，i7 ，i7 ，i 图1 4l e d 的混联 8高亮l e d 驱动i u 路的设计研究 表1 2l e d 不同连接方式的比较【1 0 】 搿丝 优点缺点应用场合 连接形心 审 简单串联 电路简单，连接方 可靠性不高，驱动器l e d 背光光源，工业 联便；l e d 的电流输出电压高，不利于l e d 交流指示灯，应 相同，亮度一致其设计和制造。 急灯照明。 带旁路串电路较简单，可靠元器件增加，体积加 联性较高；保证 大；驱动器输出电压 l e d 的电流相高，设计和制造困难。 同，发光亮度一 致。 并简单并联电路简单，连接方可靠性高，要考虑手机等l c d 屏的背光 联便；驱动电压低。l e d 的均流问题。源，l e d 手电筒，低 独立匹配 可靠性好，适应性电路复杂，技术要求 压应急照明灯。 并联强，驱动效果好；高，占用体积大，不 单个l e d 保护完适合l e d 的数量多。 善。 混 先并联后可靠性好，适应性电路连接较为复杂，l e d 平面照明，大面 联串联强，驱动器的设计并联的单个l e d 或积l c d 背光源，l e d 先串联后制造方便，总体效l e d 串联之间需要解装饰照明灯，交通信 并联 果较高；适用范围决均流问题。号灯，汽车指示灯， 较广。局部照明。 交叉阵列可靠性好，总体的驱动器设计较复杂， 效率较高，应用范每组并联的l e d 需 围较广。要均流。 三按驱动方式的分类【9 1 若按l e d 驱动方式来分类有两种：恒压驱动和恒流驱动。由于l e d 使用 场合不一样，提供的电源大小和性质也不一样。手电筒、矿灯等使用直流电源供 电且电压较低，而照明等则使用交流电源供电且电压较高。这就要求l e d 驱动 电路的芯片选择视情况而定，如果是直流供电场合应选择d c d c 转换器，交流 供电场合选择a c d c 转换器，它们都要求有稳定的输出电压或电流。另外，大 多数手持设备的电池电压都不足以驱动l e d ，所以需要升压转换。但是对于一些 高压直流电源，则需要降压转换。 第一章绪论 9 1 3 2 高亮l e d 的驱动 对于高亮l e d 常用的恒流驱动方式有电阻限流，线性调节器以及开关调节器 三种方式。以下分别介绍【1 3 , 3 8 ： 1 电阻限流电路 如图1 5 所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动方式，限流方式按式1 2 所示： iii ：ll i r = 图1 5 电阻限流驱动电路图 一y 圪一v o ( 1 - 2 ) x 1 f 其中：为电路的输入电压； ，f 为l e d 的正向电流； 为l e d 在正向电流，f 时的压降； 为防反二极管的压降( 可选) ； ，为每l e d 的数目； x 为并联l e d 的串数。 由图1 5 和式1 2 可知，电阻限流电路虽简单，但是在输入电压波动时，通 过l e d 的电流也会随其变化，因此使调节性能变差。另外由于电阻r 的接入损 失的功率x r r 2 ，因此效率低。 2 线性调节器 线性调节器的核心是利用工作在线性区的功率三极管或m o s f e t 作为一动 态电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。 1 0 高亮l e d 驱动电路的没计研究 ( a ) 并联犁先行调解器 ( b ) 串联犁线性调节器 图1 6 线性调节器电路图 图1 6 ( a ) 为并联型线性调节器，又称分流调节器，它与l e d 并联，当输入电 压增大或者l e d 减少时，通过分流调节器的电流会增大，这将会增大限流电阻上 的压降，以使通过l e d 的电流保持恒定。 由于分流调节器需要需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变 化范围比较宽的情况下很难做到保持电流恒定。 图1 6 ( b ) 为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持 l e d 上电压( 电流) 恒定。 由于功率三极管或m o s f e t 都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压 必须大于该饱和电压和负载电压之和，电路才能正确的工作。 3 开关调节器 上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普 通的l e d 驱动时，由于电流只有几个毫安，因此损耗不明显，而当作用电流有几 百毫安甚至更高的l e d 驱动时，功率的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是 目前的能量变换中效率最高的，可以达到9 0 以上。b u c k 、b o o s t 和b u c k b o o s t 等功率变换器都可以用于l e d 的驱动，只是为了满足l e d 的恒流驱动，采用检 测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。 ( a ) b u c k 变换器( b ) b o o s t 变换器 图1 。7 开关调妙器电路图 。= ( c ) b u c k - b o o s t 变换器 。肛 第一章绪论 图1 7 ( a ) 为采用b u c k 变换器的l e d 驱动电路，与传统的b u c k 变换器不同， 开关管s 移到电感l 的后面，使得s 源极接地，从而方便了s 的驱动，l e d 与l 串联，而续流二极管d 与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输 出滤波电容，降低了成本。 图1 7 ( b ) 为采用b o o s t 变换器的l e d 驱动电路，通过电感储能将输出电压泵 至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对l e d 的驱动。 图1 7 ( c ) 为采用b u c k b o o s t 变换器的l e d 驱动电路。与b u c k 电路相似，该 电路s 的源极可以直接接地，从而方便s 的驱动【1 3 】。 1 4 本论文研究意义及任务安排 鉴于l e d 以及h bl e d 的特点及其广泛应用，l e d 驱动i c 的研发及产业化 已成为半导体产业链中极其重要的一个环节了。国外发达国家除投入巨资发展半 导体照明外，还花费了巨大的人力、物力研发相关的l e d 驱动i c ，并使之产业 化。我国在集成电路领域方面，相对比较落后，在l e d 驱动i c 的研发及量产方 面显得更为突出。主要表现为产品门类不全，量产化程度较低，尤其是在技术方 面，国内企业几乎不具备自主知识产权的核心技术和产品【3 3 】。因此开展l e d 驱 动i c 产品和技术的研发，设计出具有高集成度、最简外围电路、高效率、大功率 以及可调光功能等优点的l e d 驱动电路成为了热点。 本文的目的是设计一种混合调制模式的可调光的高亮l e d 驱动电路，输出功 率可达2 4 w ，输出电流可达1 a ，并具有过热、低压等保护功能，配以简单的外 部元件即能有效的驱动单个或多个串联高亮l e d 。 本文在传统的开关降压变换器拓扑结构基础上，采用高边电流检测电路产生 采样电压，然后通过具有迟滞特性的比较器将采样电压与芯片内参考电压比较， 从而确定功率开关管的开断，这使得电路仅在一个振荡周期就可以迅速稳定下来。 另一方面，由于采样电压精确可控，因此流过高亮l e d 的电流也精确可控。该架 构较传统的开关降压变换器在控制机制、精度、频率、占空比等方面都具有较大 的优势。 论文内容具体安排如下： 第一章：主要介绍了l e d 、高亮l e d 以及其驱动电路的发展状况、特性及 应用，并说明了本文的研究目标和意义。 第二章：主要根据设计要求确定电路的整体框架，分析了整体电路的工作原 理。 第三章：主要对局部功能模块进行了分析和设计。 第四章：主要是对整体电路进行模拟和仿真，给出了芯片的三种调光方法， 1 2高亮l e d 驱动电路的设计研究 并对电路的工作效率和频率等特性进行了仿真和分析。 第五章：首先对工艺进行了介绍，然后提出了版图设计中应该注意的问题， 最后完成了版图规划以及部分版图设计工作。 第六章：主要对整个芯片的设计工作给以总结，并对项目后续工作进行说明 和展望。 第二章高亮l e d 驱动电路整体结构设计 第二章高亮l e d 驱动电路整体结构设计 为了实现本论文的设计目标，本章首先将在第一章的基础上对高亮l e d 驱动 电路的设计要求进一步细化；其次对b u c k 变换器主电路结构进行分析；再次根 据设计要求确定整体电路的框架，完成电路整体的结构设计；最后对电路的效率 和频率特性进行了理论分析。 2 1 高亮l e d 驱动电路的设计要求 根据第一章对高亮l e d 驱动电路特点的分析，本文设计的高亮l e d 驱动电 路的设计要求如下【l 】： ( 1 ) 在工作中可以提供高效率电流源； ( 2 ) 可以调节输出电流，以调节高亮l e d 的亮度； ( 3 ) 当灯光关闭时，确保高亮l e d 完全从电源端切断。 由上可知，设计高亮l e d 的驱动器面临的挑战是构造一个良好的、可编程 的、稳定的电流源，而且它还应有较高的效率。 本论文的具体设计要求是： ( 1 ) 采用o 8 岬的b c d 工艺( 双极、c m o s 以及d m o s 单片制造工艺) ； ( 2 ) 驱动1 8 个串联的h bl e d ； ( 3 ) 输入电压范围为7 - - 3 0 v ，这就要求内置的d m o s 耐压超过3 0 v ，控制电 路部分可以采用5 v 电源电压； ( 4 ) l e d 上始终有电流通过，这就要求采用连续导电降压变换器； ( 5 ) 当电源电压波动4 - 1 0 时，要求l e d 上的平均电流波动在5 之内； ( 6 ) 电源的效率可达到9 0 以上； ( 7 ) l e d 上的电流大小可以通过外部电路条件的改变得到，最大的电流可达 1a 。 2 2b u c k 型高亮l e d 驱动变换器主电路结构 传统的电压型b u c k 变换器电路图如图2 1 ( a ) 所示，b u c k 型高亮l e d 驱动变换器 是在其基础上变化而来的。开关功率管s 从输入端移到电感后面，使得开关s 源极 接地，从而更有利于开关管s 的驱动。高亮l e d 负载与电感串联后，再与续流二极 管d 反并联连接。与电压型b u c k 变换器拓扑相比，由于省掉了滤波电容，使得电路 1 4高亮l e d 驱动f u 路的设计研究 的结构变得简单，如图2 1 ( b ) 所示。由于电压型b u c k 变换器控制输出电压，需要引 入电压反馈；而驱动高亮l e d 的b u c k 变换器控制输出电流，需要引入电流反馈， 所以需要给l e d 串入检测电阻。这两种变换器的被控量不同【1 8 】。 d 订上 i d 。丰r 妄 f 2 y 。l n ( a ) 电压型b u c k 变换器( b ) b u c k 高亮l e d 驱动变换器 图2 1b u c k 变换器主电路结构 对于图2 。1 ( b ) 所示的用于驱动高亮l e d 的b u c k 变换器，导通功率开关管s 只需在其门级上加5 v 电压，这可以通过对r s 的采样电压进行变换得到。此种拓 扑不再需要恒定的输入电压源，即使输入电压发生波动，也能稳定地调节高亮 l e d 的电流。该架构具有超强的稳定性，特别适用于l e d 的驱动电路。 该电路中电流检测电阻r s 位于电路的高端部分，因此必须采用电压差分测 量。为了控制功率开关管的开断，采样电压必须有滞环变化，于是在图2 1 ( b ) 的 基础上改进形成了b u c k 型滞环高亮l e d 驱动变化器。其基本架构如图2 2 所示。 该架构的转换器可以在一个振荡周期内稳定下来，而p w m 型的变换器通常需要 数十个周期才能稳定下来。另外，该电路的控制电路较传统的降压开关变换器也 更简单。因此，该架构的变换器较传统的b u c k 变换器在控制机制、精度、频率、 占空比和传播延时等方面都具有新的优势。 n 图2 2b u c k 型高亮l e d 驱动变换器架构 l 第二章高亮l e d 驱动电路整体结构设计 2 3 高亮l e d 驱动电路整体电路工作原理 1 整体电路工作原理 根据上两节的设计要求以及b u c k 型高亮l e d 驱动变换器的架构，设计出高 亮l e d 驱动的整体结构框图如图2 3 所示。其工作原理为：芯片和l l 和r s 共 同组成了自振荡连续降压器。 假设一n ，直接作用到比较器的同相输入端。当最初上电时，l 1 和r s 的内部 电流都为零，此时也就没有输出感应电流。此时，对于比较器a 1 的反相输入为 零，所以比较器a l 输出为高，m n 导通，且l x 引脚变为低，就产生了从输入到 地的通路，通路经过r s 、l 1 和l e d s ，产生了通过l e d 的输出电流，使l e d 发 光，该输出电流与通过电感的电流相等。另外电感电流在r s 上产生感应电压( 引 脚y w 与，。，搬f 的电压差) 。感应电压通过内置电阻r l ，产生与电感电流成比例的 电流并通过内置电阻r 2 ，r 3 ，在比较器a 1 的反相输入端到地产生了与感应电压 成比例的采样电压。当采样电压达到吃的时候，比较器输出变低，m n 截 止。比较器的输出同时驱动了一个与内置电阻r 3 并联的n m o s 开关管，从而控 制迟滞的量。这个迟滞的量与r 3 有关，大约是y 。n ，的1 5 。 当m n 管关断时，通过l 1 的电流继续通过d 1 ，l e d 回到输入端。电流 与l e d 和二极管的正向电压成比例的衰减，从而使比较器的反相输入端k e 嘏f 也 成比例的下降，当下降到时，m n 管再一次导通。这个过程周而复始的 进行，使电路正常工作。比较器的电压变化范围为士1 5 。 该电路在一个振荡周期内就可以迅速进入稳定状态且无需控制环路补偿，为 高亮l e d 提供了一个不受输入电压影响的、稳定的且可调节大小的输出电流源。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l 图2 3 高亮l e d 驱动电路整体框图 1 6高亮l e d 驱动f 乜路的设计研究 电压 ，一一 ， 7 o f ft o n l 1 1 5 m v 8 5 m y1 0 ， ，、 o 1 5 电压范围 ， 暑输出 图2 4 电路j 二作波形示意图 2 开启电压 当脚= g 时，r l ，r 2 ，r 3 确定了平均的开启电压1 0 0 m v ，所以平均输 出电流为i o 胁。= l o o m v r s ，正常的电流波动为i o 胁。= 1 5 m v r s 。 3 夕 部电流调节 电路包含了在a d j 引脚和阈值比较器之间的低通滤波器以及在a d j 端口和 内置基准电压之间的内置限流电阻( 一般2 0 0 k 欧姆) 。这就允许a d j 端v 1 既可以 第章高亮l e d 驱动电路整体结构设计 是直流驱动，也可以是p w m 信号驱动。并且可以通过调节y 删信号来调节外部 电流的大小。滤波器由三级组成，每一级的截至频率为4 k h z 。 4 输出关断 低通滤波器的输出可以控制电路的关断。当电路的y 。n ，信号低于0 2 v 时，内 部整流器和输出开关关断，内部基准电压仍然保持原值为关断电路提供偏置电流。 关断时的静态电流一般为3 5 雌，开关的漏电流低于5 9 a 。 由上分析可知电路的整体工作波形大致如图2 4 所示。 2 4 高亮l e d 驱动电路效率及其频率分析 由电路的拓扑结构可知，对于开关调节器的b u c kl e d 驱动电路，主要的损 耗由以下几部分组成【2 0 , 4 6 , 4 8 , 5 5 , 5 6 】： ( 1 ) 开关m o s 管的导通损耗：主要与占空比和m o s f e t 的导通电阻有关，损 耗为，2 r 牛d ，其中i 为开关管导通时的流过开关管的电流，尺是导通电阻，d 是 占空比。 ( 2 ) 动态损耗：开关管导通会产生一个开关损耗，同时驱动m o s f e t 的开关 电容也有一个动态损耗。动态损耗主要与工作频率有关，频率越高，动