（微电子学与固体电子学专业论文）电流模型白光led驱动芯片设计.pdf

电流模型白光l e d 驱动芯片设计 摘要 随着各种电池供电便携式电子产品的快速增长，对电源管理芯片，特别是 具有高效率的开关模式d c d c 变换器的需求将进一步扩大。 传统的电源芯片有l d o 和电荷泵结构，但它们在效率和输出范围上受到了 制约。而d c d c 变换器以其高效率、小型化等优点得到了广泛的应用。对于 d c d c 变换器的研究有助于推动中国电源管理产业的进步。 本设计采用电流控制模式，它具有更好的电压调整率和负载调整率，系统 稳定性和动态特性也有明显改善，不存在偏磁问题，且峰值电感电流容易传感 等优点。但是，由于增加了一个电流反馈环路，也给整个系统的稳定性带来很 大的影响，如输出电感峰值电流恒定而非其平均电流恒定的问题，电感电流扰 动响应问题。这些问题正是本设计的难点，也是研究的重点。 本文设计了一款应用于背光的b o o s t 型白光l e d 驱动芯片，完成了振荡器， 带隙基准，电流源，运算放大器，以及过温、过流、过压保护等模块的设计。 根据连续导通状态电流模式的特点，着重设计了误差放大器和补偿器，达到了 提高环路稳定性、动态特性、负载能力的目的。该芯片采用c s m c0 5 9 mc m o s 工艺，使用c a d e n c e 软件仿真；工作在1 m h z 的频率下，输出电流范围在1 5 - 6 0 m a 之间时，输出电压最高2 0 v ，能驱动2 6 个白光l e d ；转换效率最高可达8 8 。 关键词：白光l e d开关电源电流模式升压型 d e s i g no fc u r r e n tm o d ew h i t el e d d r i v e r a b s t r a c t w i t ht h ef a s ti n c r e a s ei np o r t a b l ee l e c t i o n i c sp o w e r e db ya l ls o r t so fb a t t e r i e s ， t h ed e m a n df o rt h ep o w e rm a n a g e m e n ti c s ，e s p e c i a l l yt h eh i g h l ye f f i c i e n t s w i t c h m o d ed c d cc o n v e r t e r ，w i l lg e tb i g g e ra n db i g g e r t r a d i t i o n a lt y p e so fp o w e rs u p p l yc h i p ss u c ha sl o wd r o p o u ta n dc h a r g e p u m p ，h a v el i m i t e de f f i c i e n c ya n do u t p u tr a n g e d c - d cc o n v e r t e r sa r eu s e dw i d e l y b e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c ya n dm i n i a t u r i z a t i o n a c a d e m i cr e s e a r c hi nd c d c c o n v e r t e rw i l lm a k eab i gc o n t r i b u t i o nt oc h i n a sp o w e rm a n a g e m e n ti n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，w eu s ec u r r e n tc o n t r o lm o d e ，w h i c hc a na c h i e v eb e t t e rv o l t a g e r e g u l a t i o nr a t i oa n dl o a dr e g u l a t i o nr a t i o ，i nt h em e a nw h i l es y s t e ms t a b i l i t ya n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h e r ei sn om a g n e t i cb i a s ， b e s i d e s i ti se a s yt os e n s ep e a ki n d u c t o rc u r r e n t h o w e v e r ，a sa nc u r r e n tf e e d b a c k l o o pi s a d d e di nt h ed e s i g n ，t h ew h o l es y s t e ms t a b i l i t yi sh i g h l ya f f e c t e d ，f o r i n s t a n c e ，t h e r ea r ep r o b l e m ss u c ha st h eo u t p u tp e a ki n d u c t o rc u r r e n tb e i n gc o n s t a n t w h i l et h ea v e r a g ec u r r e n tb e i n gn o tc o n s t a n t ，a n dd i s t u r b a n c er e s p o n s eo ft h e i n d u c t o rc u r r e n t t h e ya r et h ep i n c hp o i n t si nt h ed e s i g no fc u r r e n tm o d ea sw e l la s t h ee m p h a s i so ft h er e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，w eh a v ed e s i g n e dab o o s tw h i t el i g h tl e dd r i v e rc h i pw h i c hi s u s e df o rb a c kl i g h t ，a n dw eh a v ef i n i s h e dt h ed e s i g no ft h em o d u l e ss u c ha s o s c i l l a t o r ，b a n d g a p ，c u r r e n tr e f e r e n c e ，o t a ，o v e r - t e m p e r a t u r e ，o v e r c u r r e n ta n d o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n a ne r r o ra m p l i f i e ra n dac o m p e n s a t o ra r ed e s i g n e dt o i m p r o v et h es t a b i l i t yo f f e e d b a c kl o o p ，d y n a m i cb e h a v i o ra n dl o a da b i l i t y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e t h ec h i pi st a p e d o u ti n c s m co 5 9 mc m o sp r o c e s sa n dt h es o f t w a r eo fc a d e n c ei su s e di ns i m u l a t i o na n d v e r i f i c a t i o n i to p e r a t e sa tt h ef r e q u e n c yo f1m h zw i t ht h eo u t p u tc u r r e n tf r o m 15 m at o6 0 m aa n dt h eo u t p u tv o l t a g eu pt o2 0va n di tc a nd r i v et w ot os i xw h i t e l e ds e r i e s t h ep e a kv a l u eo fc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi s8 8 k e y w o r d s ：w h i t el e d ；s w i t c hp o w e r ；c u r r e n tc o n t r o lm o d e ；b o o s tm o d e i i 插图清单 图1 1 一组随机挑选的白光l e d 的电流电压曲线2 图1 2 光通量与正向电流的关系2 图1 3 采用串联方式的l e d 3 图1 4 采用并联方式的l e d 4 图1 5 采用混联方式的l e d 4 图1 6l d o 结构5 图1 7 电容式电荷泵结构5 图1 8 三种电感式开关电源结构7 图2 1d c d c 基本结构框图9 图2 2b o o s t 型拓扑结构1 0 图2 3b o o s t 型拓扑升压原理一1 0 图2 4b o o s t 型节点波形图1 1 图2 5 电流模式拓扑及其节点波形1 5 图2 6 电压增益曲线1 6 图2 7 不同输入电压下的电感电流1 7 图2 8 电感对电流扰动的响应1 8 图2 9 斜坡补偿1 9 图3 1 顶层电路2 2 图3 2 电路中各个关键节点正常工作时的波形2 4 图3 3 传统电流源电路2 4 图3 4 新型电流源电路2 5 图3 5 工艺补偿和负温补偿电路2 6 图3 6v a = 2 v 输出电流i o u t 仿真曲线2 7 图3 7 传统p t a t 结构和新型p t a t 结构2 8 图3 8 电流源仿真曲线3 0 图3 9 电流源版图3l 图3 1 0 传统带隙基准3 2 图3 1 l 带隙基准电路3 3 图3 1 2 带隙基准电压随温度变化的情况3 3 图3 1 3 电源抑制比( p s r r ) 3 4 图3 1 4 分压电路3 4 图3 1 5 振荡器电路原理图3 5 图3 1 6 振荡器电路中的比较器3 6 图3 17 振荡器输出波形3 7 v i i 图3 1 8 电流采样放大器电路图3 8 图3 1 9 放大器补偿原理图3 8 图3 2 0 反馈环路小信号等效模型一3 8 图3 2 1 采样放大器的幅频相频特性3 9 图3 2 2 采样放大器的大信号响应特性4 0 图3 2 3 比较放大器4 0 图3 2 4 比较器的幅频响应特性4 1 图3 2 5 比较器动态响应特性4 1 图3 2 6b o o s t 的环路传输路径以及补偿电路4 2 图3 2 7b o o s t 的环路传输特性图4 3 图3 2 8 误差放大器设计一4 4 图3 2 9 误差放大器幅频曲线和相频曲线4 4 图3 3 0 次谐波扰动图4 5 图3 3l 正斜坡补偿原理：4 5 图3 3 2 正斜坡补偿电路4 6 图3 3 3 动态斜坡补偿特性4 6 图3 3 4 斜坡波形4 7 图3 3 5 过温保护电路4 7 图3 3 6 过流保护仿真图4 8 图3 3 7 功率n m o s 版图和剖面图4 9 图3 3 8 电流采样原理图5 0 图3 3 9 正常工作时的功率管电流以及采样电流5 1 图3 4 0 迟滞比较器5 2 图3 4 1 软启动模块仿真图5 3 图3 4 2 逻辑模块框图：5 4 图3 4 3 驱动电路5 4 图3 4 4 顶层电路版图5 5 图4 1 芯片外部电路和激励5 6 图4 2 电路启动过程的输出电压和电流5 7 图4 3 输出电压和输出电流纹波一5 7 图4 4 输入为5 5 v 时的节点波形5 8 图4 5 输入为3 6 v 时的节点波形5 8 图4 6 输入为5 5 v 时电感、开关和整流二极管的电流波形5 9 图4 7 输入为3 3 v 时电感、开关和整流二极管的电流波形5 9 图4 8 输出对输入跃变的响应6 0 图4 9 输入电压输出电流对效率的影响6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些厶堂或其他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：基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谢意。 学位论文作者签字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 曼：业丕堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部r j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目巴些盔 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 貔胎i 身 导师签名： 1 弋多 幻 签字日期：州口年期vi e i 签字日期：沙l ，年 学位论文作者毕业后去向： i ：作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 汨) 泊 | 致谢 在本论文完成之际，衷心地向我尊敬的导师丁勇副教授致以最真挚的感谢 和敬意! 感谢丁老师对我的学习和工作的耐心指导，对我的生活的关怀，对我 在研究生阶段的学习提供了很大的帮助。丁老师严谨的治学态度、渊博的学识、 孜孜不倦的工作精神和平易近人的生活作风给我留下了深刻的印象，使我终身 受益。师长的点滴教诲和丝丝关怀，让我铭记在心。 感谢我的父母，是他们多年不遗余力地为我的成长和学习在默默地付出， 给了我继续学习的机会。使我有勇气和动力去克服困难，完成学业。 感谢我们实验室管理老师杨依忠，他为我们实验室的成立、项目的推动做 出了贡献，他在管理实验室和项目的同时，维护服务器的稳定，保证了项目的 持续进行。而且还教会我们l i n u x 操作系统以及c a d e n c e 软件的使用。同时还 要感谢龙讯( 合肥) 半导体有限公司为我们实验室提供了服务器。 感谢我们项目组的同学沈勇、段闻勇、赵宣、戴从银。三人行必有我师， 在共同学习的同时，他们为我的j f i n n 学习提供了许多有益的帮助，为我的工作 提出了很多启发性的建议，帮我克服了许多困难，陪我度过了美好的校园时光。 在此深表谢意! 作者：魏胜涛 2 0 1 0 年3 月2 0 日 第一章绪论 1 1 引言 电源管理产品广泛地应用于整个电子行业，是电子产品必不可少的组成部 分之一。电源管理市场正在世界范围特别是中国国内快速成长，2 0 0 6 2 0 10 年 中国电源管理芯片市场规模复合增长率达到2 8 8 ，市场将仍然保持快速发展 的趋势，由于对笔记本，l c d 显示器和数字电视等产品的需求快速增长，电源 管理芯片仍然是电子产品市场中最活跃的产品之一【l 】。目前，3 g 产品竞相涌现、 高清电视不断普及、便携式产品持续增加，这些都需要集成度更高、工作电压 更低的电源来支持。这些因素都将刺激电源管理芯片市场的快速发展。 随着全球能源的巨大消耗，具有显著节能效益与技术潜力的高效率白光 l e d 逐渐发展成熟，白光l e d 已经成为国际公认的下一代照明源，并且会逐 步取代传统的照明源。所以开发高效、稳定的白光l e d 驱动芯片势在必行，并 成为国际关注的焦点【l 】。中国本土电源管理芯片厂商起步较晚，虽然近年来中 小型设计公司发展较快，但由于技术和市场相对落后，其产品的市场占有率较 低。白光l e d 驱动电路需要集成功率器件，并且要在保持电路稳定的同时不断 提高能量转换效率，这对驱动电路设计者来说都是极大的挑战。 1 2 白光l e d 特性 1 2 1l e d 光源的特点 传统光源能耗高，效率差，环境污染严重。因此，近2 0 年来人们一直在寻 找一种能够取代传统光源的新型光源，而l e d 的出现让人们看到了新的希望。 发光二极管( l e d ) 是p n 结型半导体，其优点在于【2 】： ( 1 ) 体积小一一便于多颗组合使用，形成线、面光源； ( 2 ) 高效、节能一一可见光部分转换效率高； ( 3 ) 发热量低一一只有很少部分能量转换成热能； ( 4 ) 寿命长一一寿命高达1 0 万小时； ( 5 ) 频率响应快一一开关速度快； ( 6 ) 可靠、耐用、环保一一坚固、可回收。 目前，高亮度白光l e d 主要应用： ( 1 ) 手机、p d a 的彩色液晶显示屏的背光源 ( 2 ) 数码相机中的闪光灯。 ( 3 ) 彩色l c d 显示技术，采用超扭曲向列( s t n ) 或薄膜晶体管( t f t ) 显示，这两种方式都需要白光背光照明。 因为背光光谱必须包含所有颜色，以便显示器滤光色镜从光谱中选取所需 的颜色，而只有白光的光谱包含所有颜色；如果光谱不是完全白色，色彩便会 失真扭曲，显示也会变得混浊【3 1 。 1 2 2 白光l e d 的光电特性 目前市场上使用的白光l e d 主要是单晶型白光l e d ，它的正向工作电压 一般为3 v 4 v 之间，导通电流为2 0 m a 。 图1 1 展示了一组随机挑选的白光l e d 的v - i 曲线，正向压降( v f ) 和正向 电流( i f ) 。由曲线可知，当正向电压超过某个阈值( 约3 v ) ，即通常所说的导通 电压之后，可近似认为，i f 与v f 成正比。它显示的是不同白光l e d 之间，甚 至是从同一批产品中随机挑选的l e d 之间的正向电流电压特性的差异【4 】。同时 可以看出，v f 的微小变化会引起较大的i f 变化，从而引起亮度的较大变化。所 以，采用恒压源驱动不能保证l e d 亮度的一致性，并且会影响l e d 的可靠性、 寿命和光衰。因此，为了保持光亮的匹配度，高亮度白光l e d 作为背光使用时 通常采用恒流源驱动。 图1 1 一组随机挑选的白光l e d 的电流电压曲线 。 ， l 1 01 0 ：1 0 1 0 41 0 h t j a 图1 2 光通量与正向电流的关系 图1 2 是光通量与电流的关系图。光源的光通量是指单位时间内通过4 7 【立 体角的可见光能量，单位是流明( 1 m ) 。随着电流的增加，大功率l e d 的光通量 2 o l ，f ； 勤 婚坶旧m m lll 呈非线性增加，最终会趋于饱和。因为随着电流的增大，大功率照明l e d 芯片 内部将温度上升，p n 结区的载流子复合几率下降，造成l e d 发光效率降低【5 1 。 1 3 白光l e d 的发展情况【6 - 1 2 1 1 9 6 2 年，g e 公司研发出了第一只产品化的l e d 。如今，大功率高亮度自 光l e d 已成为照明产业竞争的焦点。 美国一直是世界l e d 产业引领者。例如l u m i l e d s 公司( 由p h i l i p sl i g h t i n g 和a g i l e n t 合资兴办) ，一直致力于研究功率型白光l e d 以及封装技术。该公司 拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。 日本的l e d 产业一直是居于世界前列。日亚公司在i n g a nl e d 技术和生 产白色l e d 的荧光粉材料上拥有多项专利，在i n g a n 白色l e d 芯片供应上一 直保持着强大的竞争力。 德国的l e d 产业也在国际上处于领先水平。o s r a m 公司拥有一套非常先 进的芯片生产线，主要用来生产l e d 和半导体激光器，其一直致力与对提高 l e d 寿命的研究。 我国在高亮度l e d 这一领域的研究起步较晚，19 9 3 年，在国家8 6 3 计划 和自然科学基金的支持下，开始了相关领域研究工作，取得了一系列研究成果。 但是，在材料质量、器件指标等方面与国际先进水平仍然差距很大。 在台湾，l e d 相关的公司有几十家，其产能也在迅速的膨胀，已成为世界 上最大的l e d 生产基地。 1 4 白光l e d 连接方式 ( 1 ) l e d 采用全部串联的方式 、 、 、 、 图1 3 采用串联方式的l e d 由于通过每颗l e d 的电流相同，l e d 的亮度一致性较好，从而消除了l e d 差异性造成的各点亮度不均匀性。但是要求驱动器的输出电压较高，以达到 l e d 正向导通电压。 ( 2 ) l e d 采用全部并联的方式 v + 【 3! ! 】 、 、 、 图1 4 采用并联方式的l e d 采用全并联方式，在每个l e d 两端的电压相同，但由于l e d 的差异性， 各个l e d 的亮度一致性较差。这种联接方式对驱动的输出电压要求不高，只要 能达到导通电压即可，但是需要有较大的输出电流能力。 ( 3 ) l e d 采用混联的方式 、i 、i 、i 图1 5 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，采用全串联或是全并联的方式都不是很 合理。全串联l e d 方式，需要有较高输出电压的l e d 驱动器；全并联l e d 方 式，则需要有较大输出电流的l e d 驱动器。这两种方式，都会限制着l e d 的 使用量，可以采用混联方式，如图1 5 所示。将l e d 分为若干串，每串的l e d 数量相同。这样同一串内每颗l e d 上的电流相同，l e d 亮度一致；分配在每 串l e d 上的电压相同，流过每串l e d 的电流相近。这对驱动的负载能力要求 很高，即能输出高电压，又能输出大电流。 三种联接方式都有各自的优缺点，而对于背光使用的l e d 该用何种方式能 够达到最好的效果? 面光源是由电光源组成的，要求各个点的亮度基本一致， 而l e d 的亮度与电流关系更加直接，所以对于使用l e d 数量不是很多的情况， 采用串联方式更加合理。驱动采用恒流模式，以更好控制亮度。 4 1 5 白光l e d 驱动方式 白光l e d 驱动的电路实现有多种结构形式。只有全面了解各种结构的原理 和特点才能设计出高性能的驱动芯片。 从驱动芯片的电路拓扑结构来划分，大致可以分为三种类型：线性结构、 电容式开关结构、电感式开关结构。以下将简要介绍各种结构的特点【13 1 。 1 5 1 线性结构( l o wd r o p o u t ) v y 柙i l l v o t , g e s r l i i l ! ；r l ；乏c 嗍蝴n - 圭r 高c a 图1 6l d o 结构 线性机构一般指l d o 结构，基本结构如图1 6 所示。l d o 优点：成本低、 封装小、外围器件少和低噪声输出。l d o 的输出噪声非常小，这是由于l d o 属于线性结构，不存在开、关时大电流所引起的电磁干扰；另一方面，l d o 本 身属于一个低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r ) ，对于高频噪声有抑制作用【l 3 1 。 l d o 的缺点：电路结构的限制只能完成降压的功能；其效率计算公式为： r i = v 叫v i n ，当输入输出电压相差较大时，效率会非常低。 1 5 2 电容式开关结构( c h a r g ep u m p ) 图1 7 电容式电荷泵结构 电荷泵( c h a r g ep u m p ) 是采用“泵式 结构，利用电容器上电压不能突变的 储能特性来实现电压转换功能。电容式电荷泵的基本拓扑结构如图1 7 a 所示。 通过改变电荷泵电路拓扑结构可以实现升压、降压、反转电压的功能。但 是，输出电压与输入电压一般只能为一定的倍数关系，如0 5 ，2 ，3 或4 倍。在 特定倍数升压情况下电压转换效率能够达到9 0 以上，但是随着两者之间倍数 关系发生变化，效率也可下降到7 0 以下【1 4 】。 其工作原理如图1 7 b 所示，相位巾。时，开关s l 和s 4 闭合，s 2 和s 3 断 开，电源v d d 对电容c 充电，直到两端电压等于v d d 。相位中：时，s 1 和s 4 断 开，s 2 和s 3 闭合，电容c 与电源串联，输出为v o u t = 2 v a a 。 由于储能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的3 倍，而输出电流 不超过3 0 0 m a 。电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之间，具有较高的效 率和相对简单的外围电路设计，抗电磁干扰( e m i ) 和纹波的特性居中，但是缺 点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力【l3 1 。 1 5 3 电感式开关结构( i n d u c t o rd c d cc o n v e r t e r ) 开关电源d c d c 是利用电感储能特性来实现电压转换的转换器。开关结 构工作的方式可以简单的分为三种方式：第一，脉宽调制型( 即p w m 一一p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，保持开关周期t 。= t 。n + t o f r 保持恒定，调整开关导通时间t 。 维持输出稳定；第二，频率调制型f 即p f m 一一p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ， 保持t o n 不变，改变工作频率维持输出稳定；第三，混合调制型，开关频率与 导通时间均可改变实现调制。 电感式开关结构利用不同的拓扑结构可以实现降压、升压、反转电压输出 的功能。由于理论上电感不消耗能量，因此电感式结构的转换效率在理想情况 下为1 0 0 ，考虑到各种非理想因素，仍可以实现9 5 左右的转换效率【l3 。，这 是非常有吸引力的结构。 这些非理想的因素主要包括： ( 1 ) 开关m o s 管的导通损耗：开关m o s 导通状态时，电感电流流过m o s 管电阻而产生的功耗。 ( 2 ) 交流损耗：在开关m o s 管导通和关闭瞬间，由于开关的非理想性，在 开关上存在瞬时的电流和电压交叠，而产生的功耗。 ( 3 ) 静态损耗：芯片自身控制电路会消耗一定的功耗。 对于前两个因素，在外部负载较大时，输入输出的功率都很大，这些损耗 会相对较小。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起来，影响效率。 而第三点可以通过精心设计电路尽量减小其损耗。电感式开关电源效率可以达 到9 5 左右。 电感式开关电源的缺点：由于外部电感和电容较大无法集成到芯片上，导 6 致整体面积较大；由于电感式开关电源在工作时电容和电感不断的充放电，导 致纹波较大，所以一般需要大的电感和电容或者提高开关频率以减小纹波，但 二者又都会自身的弊端；由于使用了电感元件，电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，e m i ) 是不开避免的，所以在布p c b 板时要考虑这些因素，尽量减 小电磁干扰的影响；电压模式的偏磁问题也是需要考虑的重要因素，因而电流 模式控制是一个很好的选择。 对于电感式转换器内部结构而言，一般可以分为两个大的模块，即开关部 分和调制器部分。开关部分利用功率三极管或功率m o s 管构成。调制器是通 过内部控制电路实现的，包括采样放大电路，误差放大器，p w m 比较器等。 图1 8 给出了三种不同的开关拓扑结构，分别是升压型结构( b o o s t ) 、降 压型结构( b u c k ) 、反转型结构( i n v e r t 又称b u c k b o o s t ) ，对应三种不同的功 能。 图1 8 三种电感式开关电源结构 三种拓扑结构的主要构成元件是一样的：有源开关( 功率m o s f e t ) 、续 流二极管d ( 或由同步整流开关代替) 、储能电感l ，滤波电容c 。不同的是连 接方式和实现的功能。 b o o s t 转换器实现从低压输入到高压输出的d c d c 转换功能，主要用于高 电压低电流输出场合，适合驱动多个串联连接的l e d 。若d 为开关导通的占空 比，则输出电压近似表示为v o u t = v i n ( 1 - d ) 。b u c k 转换器实现降压功能，主要 用于低压大电流输出场合，适合驱动多个并联连接的l e d 。输出电压为 v o u t = v i n d 。b u c k b o o s t 既可以实现反转升压功能，输出电压为v o u t = 一v i n ( 1 一d 、。 由于背光光源一般为面光源，这就需要多个l e d 点光源组合发光，这就要 求各个点的亮度有很好的一致性。根据以上的介绍，l e d 发光亮度与电流的线 性关系较强，所以使用串联形式的l e d 连接方法能够提供亮度均匀的面光源， 这就要求有较高的电压输出。我们采用具有升压功能的b o o s t 拓扑结构作为本 设计的研究对象。下面一章将详细介绍b o o s t 结构的原理，分析其优缺点，以 及设计的重难点。 第二章b o o s t 驱动电路原理与分析 2 1 开关电源概述 开关电源是一种高效节能电源，成为稳压电源发展的代表结构，目前的稳 压电源产品中大多数都已采用开关结构。开关电源因为具有体积小、转换效率 高等突出优点，而被广泛应用于各类电子产品中。但由于相对复杂的控制电路 的设计和较高输出纹波电压，也在一定程度上限制了开关电源的推广。便携式 产品和微型产品能够缩小体积的一个关键因素在于电源体积的减小以及能效的 提高，所以仍需对提高开关电源效率研究【”】。 开关电源的输出端对输入的瞬态变化会有较大的响应，瞬态响应特性较差。 提高开关频率是一个解决的方法，能够在改善反馈放大器的频率特性的同时， 使开关电源的瞬态响应问题得到改善。然而，开关电源中的调整管工作于开关 状态，存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加；另一方面， 开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高 而增加。 然而，提高开关频率带来的好处相对于坏处要大很多，尤其是外围器件减 小，成本下降，对于芯片用户更有吸引力。采用m o s f e t 的开关电源转换频率 可达几百千赫到兆赫兹，它极大地提高开关速度【l5 1 。 2 1 1 开关电源的基本构成 开关电源通过控制占空比或周期时间调制输出电压，其基本构成如图2 1 所示： r 1 图2 1d c d c 基本结构框图 变换器是开关电源的核心电路，软启动、过流、过压保护、滤波电路等也 是必不可少的重要功能辅助。输出采样电阻r 1 和r 2 用来检测输出电压变化， 与基准电压r 。f 比较，经过误差放大，以脉宽调制( p w m ) 或频率调带u ( p f m ) 控 制方式，通过驱动器驱动功率开关管开关，从而调整输出电压。 9 2 1 2 开关电源的分类【1 5 】 开关电源的电路结构可以简单的按以下方式进行分类。 ( 1 ) 工作方式： 降压型( b u c k ) ；升压型( b o o s t ) ；反转型( b u c k b o o s t 或i n v e r t ) 。 ( 2 ) 电路组成： 谐振型；非谐振型。 ( 3 ) 控制方式： 脉宽调制( p w m ) 式；频率调制( p f m ) 式；p w m 与p f m 混合式。 2 2b o o s t 电路升压原理【1 6 】 2 2 1b o o s t 电路结构 升压型电感式d c d c 变换器的拓扑结构如图2 2 所示，包括：电源v i n ， 开关功率管q ，电感l ，整流二极管d ，输出电容c o ，r l 、r 2 和误差放大器组 成的反馈回路，p w m 比较器。 v i n 图2 2b o o s t 型拓扑结构 aq 导通 r o r e f bq 关断 r o 图2 3b o o s t 型拓扑升压原理 当开关q 闭合时，电源给电感充电储能，整流二极管反偏截止，输出仅靠 1 0 电容存储的电荷维持，如图2 3 a 所示；当开关q 断开时，电感流过整流二极管 构成的电流环路对输出端的电容进行充电，同时也对外输出，输出电压为电源 和电感电势之和，如图2 3 b 所示。开关器件q 由p w m 信号控制，电感是开关 电源中常用的元件。 下面分析b o o s t 调整器的升压原理。参考图2 4 a ，当q 在t o 。时间内导通 时，整流二极管。反偏截止。l 的电流以：警= 争关系线性上升，- 卣ni p = 警， 这表示电感存储了能量： e = 善i p 2 ( 2 1 ) t 。n 、l 和v i 。决定了充电能量大小，也决定了输出功率的大小。由于q 导 通阶段，电源和电感均与输出阻断，输出电流仅由c o 提供，所以为了使在t 。n 阶段负载端电压稳定在可以接受的范围内，应该选择足够大的c 。值。 ， 。 r r 蹈。 a 不连续模式 v 硼n _ 一 宽度根据大 小v e a 可调 一一一一 口鬯苈 一一一一i p d 皂流 一一一一厶 一一一一i l 一一一一乃 一一一一1 1 八：羔二 b 连续模式 图2 4b o o s t 型节点波形图 在q 关断后，由于电感电流不能突变，电感电压极性反转，与电源成串联 关系，电感l 经肖特基二极管d 向电容c o 充电，c o 两端的电压为v i 。+ v l ，c o 两端电压高于v i n 实现升压。此时电源v i 。和储能电感共同向负载供电，并补充 之前c 。单独向负载供电损失的电荷。 输出电压的调整是通过反馈环控制功率管的导通时间实现的。若直流负载 电流由于负载减小而上升，负载耗能增加，则导通时间会根据误差放大器调整 结果而增加，以输出更多的能量，维持输出电压。若t o 。不变，电源v i 。随电池 使用而下降，则电感峰值电流会下降，导致电感储能下降继而输出电压下降。 这时，反馈坏路会检测到输出电压的下降，提高导通时间t o n 继而提高电感储 能来维持输出电压恒定。 2 2 2b o o s t 调整器的定量分析 如波形图2 4 a 所示，假设传递效率为1 0 0 ， 储存的能量传递到负载，从而： 最= 竿 一个周期t 内，将所有电感 而在开关断开的时间t ，内，电源v i n 也在为负载提供能量p i 。： 己= 圪号 则从输入v i n 输送到负载的总功率为： 尸t o t - - 母平嵋锋 把i p = v i 。t 。l 代入式( 2 4 ) 得 e t o t 一 罡+ 己= 掣蜥蛩每 =盟ton+z夕2tl ， 对于不联系模式有( t o n + t ，) = k t ，其中k 小于1 ，则 耻蟹2 尼丁 1 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 或 耻密肌鼍 矿= v 。ol 玎 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中v 。为输出电压，为输出负载电阻，则反馈环路会根据上式对输入 电压增减和负载变化调整占空比t o 。以维持输出稳定。如果v i n 和上升( 或 下降) ，则负反馈环会减小( 或增大) t o 。来维持v 。恒定。 芯片p a m 2 8 4 l 就是一个d c d c 升压转换器，它的输出电流可调。当工作 在1 m h z 的固定频率下时，p a m 2 8 4 1 可使用电感值很小的外部电感器和电容值 很小的陶瓷电容。p a m 2 8 4 1 用来驱动多个串联的白色发光二极管( l e d ) 和提供 可调的电流来控制亮度和色纯度。外部反馈电阻大小控制输出电流。 2 3b o o s t 两种工作模式 2 3 1 不连续工作模式( d c m ) 若d 的电流在q 下次导通之前就下降到零，则称电路工作在不连续模式下 【1 6 】。在不连续模式下，当氏或v i n 减小时，调制器会增加导通时间t o n 以维持 输出电压恒定。从图2 4 a 中可以看见，d 在q 导通前正好降到零，这是不连续 模式的临界点。若t 给定，选择恰当的电源电压( v i n ) j 导通时间( t o 。) 、输 出电阻( r 。) 和电感l 就可以工作在临界点了。这种情况下，若k 或v i n 持续 减小，则使t o 。增大，二极管d 电流开始下降时间就会推迟；若继续增加t 。 就会出现电感电流无法下降到零的情况，即进入了连续模式，如图2 3 b 所示。 若误差放大器未针对连续模式设计，则会引起电路振荡。 为使电路工作在不连续模式下，应选择恰当t o n ，以保证任何正常情况下 均能工作在不连续模式下。设计时，一般会留有一定的死区时间t d t 选择整个 周期的2 0 为死区时间【1 6 】。这样，q 导通时间加上二极管d 导通时间和死区时 间就构成了整个周期，即 乙( m 瓠) + i = 0 8 丁 ( 2 9 ) 最大导通时间t o 。m 。x ，出现在v i 。和凡最小的时候：由于电感上升电流等 于下降电流，则 红= v o - 三v i t ， 所以， 圪( m i n ) 乙巾酲) = 眈一圪( 椭) 边 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中只有两个未知数，t o nc m 懿，和t ，可以联合求解。则 矿 一0 8 t ( v o 一吃( m i n ) ) 乙( 叫= 1 产型 ( 2 1 2 ) 若己知v i n 。m i n ，和最小r o ，且由上式计算出t o 。m 。x ) ，又知k = o 8 ，再根据 2 8 式可以求出l ，并且保证不会进入连续工作模式。若输出负载电流意外增大 超过预定值，则反馈环会增大t 。n 来保持v o ，这样就会占用死区时间，是电路 的工作更接近连续工作模式。为了避免这种情况的发生，必须采用钳位电路来 限制最大导通时间或最大峰值电流。 2 3 2 连续模式( c c m ) 若电流在关断时间结束还没有下降到零，则由于电感电流不能突变，开关 管q 下次导通时电流上升会有一个阶梯，则工作在连续模式下。q 和d 上的电 流将呈现典型的阶梯斜坡形状，如图2 4 b 所示。 能是不连续模式下反馈环工作的误差放大电路，不能使连续模式下的反馈 环稳定并会产生振荡【l7 1 。反馈理论认为，连续模式的b o o s t 电路存在右半平面 零点( r i g h t h a l f - p l a n 。z e r o ) 1 8 j 。稳定有右半平面零点的反馈环唯一办法是大幅 度减小误差放大器的带宽【l6 1 。 2 4 磁通不平衡 推挽变换器当变压器