（电路与系统专业论文）升压型双模式pwm+led驱动芯片设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 作为新兴的固态光源，白光l e d 具有无污染，高效率，使用寿命长等优点， 在现代照明系统中拥有广泛的应用前景。由于白光l e d 的颜色和亮度受正向电 流及温度的影响显著，对其驱动芯片的性能提出了很高的要求。同时，诸如汽 车电子照明系统及工业控制系统等应用场合具有输入电压高，变化范围大等特 点，更给系统的设计带来难度。 针对上述应用，论文给出一种白光l e d 驱动芯片的设计方案。特点是采用 了b o o s t 型d c d c 变换电路，峰值电流的控制模式，使负载l e d 上的电流 保持恒定。为降低成本，提高芯片的适应性，方案摒弃了芯片内集成功率m o s 管和开关二极管的做法，使之可根据驱动电流的大小灵活选择合适的外围器件。 为解决串联连接的l e d 数目不定，导致驱动电压与输入电压有可能不匹配的问 题，提出的系统可根据需要工作于两种不同工作模式下恒流模式和恒流， 恒压模式。为方便数字控制，防止发光颜色的偏差，针对驱动芯片的技术关键 白光l e d 的亮度调节，设计采用了p w m 调光方式，并同时具备模拟调光 的功能，以扩展调光范围。所完成的驱动芯片输入电压范围3 v - 3 6 v ，输出可 以驱动1 个到1 0 个l e d ，工作频率最高为1 m h z 。 论文重点设计了环路控制中的主要电路模块，如误差放大器，振荡器以及 电压调整器，斜坡补偿电路等模块。其中，采用两级带隙基准的结构解决了高 输入电压与精密基准电压之间的矛盾。 能的实现。此外，芯片还具备软启动， 电路模块的成功设计保证了系统整体性 过压保护，过温保护等功能以及关断工 作模式，以保护系统不受到过压、过温的损害，方便外围系统对其控制，并降 低了系统的功耗。 所有设计均在1 5 u r nb i c m o s 工艺下完成，利用c a d e n c es p e c t r e 工具软件 仿真的结果表明，各电路模块工作正常，预期的系统功能均已圆满实现。 关键词：白光l e d ，驱动，b o o s t ，峰值电流控制，高端检测，p w m 调光 一l 一 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sah o p e f u ls o l i ds t a t el i g h t i n gs o u r c e , w h i t el e dh a ss o m eo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e sl i k en o n - p o l l u t i o n , h i 曲e f f i c i e n t , l o n gl i f e , e t c a n dt h u si ti sw i d e l y a d o p t e db ym o d e me l e c t r o n i cl i g h t i n gs y s t e m b e c a u s ei t sc o l o ra n db r i g h t n e s sa r e s e r i o u s l ya f f e c t e db yt h ef o r w a r dc u r r e n t ，t h eh i 曲p e r f o r m a n c ed r i v e ri n t e g r a t e d c i r c u i t s ( 1 0a l ed e m a n d e d b e s i d e s ，s o m er i g o r o u sa p p l i c a t i o n ss u c ha si n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m0 1 a u t o m o t i v el i g h t i n gs y s t e mb r i n gm o r ed i f f i c u l t i e st ot h ed e s i g no f d r i v e r sd u et ot h e i rh i g hi n p u tv o l t a g ea n dw i d ei n p u tv o l t a g er a n g e t h e r e f o r e , al o t o fe f f o r t sw e r ep u ti n t ot h er e s e a r c ho nt h e s ed r i v e r s t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fs u c hd r i v e r s ，t h i st h e s i sp r o p o s e das o l u t i o no f w h i t el e d d r i v e r , i nw h i c ht h eb o o s tt o p o l o g ya n dp e a l 【c u r r e n tc o n t r o lm o d e w e r ee m p l o y e dt oi 【e e pl e dl o a dc u r r e n tc o n s t a n t t op r o v i d et h em a x i m u m a p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t yo fd r i v e ra n dr e d u c ei t sc o s t , as o l u t i o nw i t l lo f f - c h i pp o w e r m o st r a n s i s t o r sa n do f f - c h i ps w i t c hd i o d e sw a sc h o s e n t h ed r i v i n gc u r r e n tc a nb e f i x e db ys y s t e ma n du s e r sc o u l dc o n v e n i e n t l ys e l e c t 耐p h e r ye l e m e n t sa c c o r d i n gt o t h e i rr e q u i r e m e n t s s i n c et h el o a dl e d sa l ei ns e r i e s , t h eo u t p u tv o l t a g ed e p e n d so n t h en u m b e ro f l e d s ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ec o u l db eh i 曲e l o rl o w e rt h a nt h ei n p u t v o l t a g e t om e e tt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sr e q u i t e db yd i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t e s , o n es o l u t i o nw h i c h p r o v i d e s b o t hc o n s t a n tc u r r e n tm o d ea n dc o n s t a n t c u r r e n t c o n s t a n tv o l t a g em o d ew a si n t r o d u c e d c o n s i d e r i n gt h a to n eo f t h ei m p o r t a n t f u n c t i o n so f l e dd r i v e rc h i pi sd i m m i n g , p w md i m m i n gw a se m p l o y e dt ok e e pt h e t r u ec o l o r , a n dt of a c i l i t a t ed i 西t a lu s e m e a n w h i l e , t h ea n a l o gd i m m i n gw a sr e s e r v e d i nt h i sd e s i g nt oe x t e n dd i m m i n gr a n g e t h ei n p u tv o l t a g eo ft h ec h i pr a n g e sf r o m 3 vt o3 6 v t h en u m b e ro fl e d st h a tc o u l db ed r i v e ni slt o1 0 a n dt h eo p e r a t i n g f r e q u e n c yu pt o1 m h zc o u l db es e tb ya l le x t e r n a lr e s i s t o r t h ec i r c u i td e s i g no fm a i nm o d u l e si nt h ed r i v e rs u c ha se r r o ra m p l i f i e r , o s c i l l a t o r , r a m pc o m p e n s a t i o nc i r c u i t sa n dv o l t a g er e g u l a t o rw e r ec o m p l e t e d t og e t p r e c i s ev o l t a g er e f e r e n c eu n d e rv e r yh i g hi n p u tv o l t a g e , t h es t r u c t u r ew i t ht w o s t a g e sb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ew a se m p l o y e d a l lc i r c u i tm o d u l e sw e r ec a r e f u l l y - - i i 浙江大学硕士学位论文 d e s i g n e dt oe l l s u f ot h eh i g hp e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m t h ec i r c u i t so fs o f t - s t a r t , o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o na n ds y s t e ms h u t d o w nw e r e i n t e g r a t e di n t ot h ec h i pt op r o t e c ti tf r o md a m a g ea n dm a k ei tc o n v e n i e n tt ou 8 e t h el e dd r i v e rp r e s e n t e di nt h i sp a p e rw a gd e s i g n e di n1 5 u mb i c m o s p r o c e s s ，a n ds i m u l a t e dw i t hc a d e n c es p e c t r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a ti tw o r k s w e l la n da l le x p e c t e df u n c t i o n sw e r ea c h i e v e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：w h i t el e d , d r i v e r , b o o s t , p e a k c u r r e n tm o d ec o n t r o l ，h i g hs i d e s e n s i n g , p w md i m m i n g 一1 1 1 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注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名： 抓主签字日期：甲7 年石月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸鎏盘翌可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名： 稍乏 签字日期：驷7 年f 月3 日 导师签名： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：上淘丞l 易将体 电话：f ；月州口矿 通讯地址：上诣午酗- 1 踢蝣与磐i r 7 ，团巴吗格邮编：珈巩f 浙江大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 白光l e d 的发光原理及特性 白光l e d 是近年来新兴的固体光源，由于它具有效率高，污染小，使用寿 命长等优点，被业界认为是最有前途的照明光源【1 1 。 真正单独发射白光的l e d 是不存在的，因为l e d 的特点是只发射一个波 长，而白色并不出现在色彩的光谱上一种替代的方法是，利用不同波长合成 白色光。合成的方法有单晶型和多晶型两种。l e d 发光二极管的特性体现在， 发光亮度和颜色与正向电流和结温度的关系非常密切【2 i 。 1 1 1 发光原理 ( 1 ) 单晶型 采用l e d 发光二极管激发荧光粉发光而得到白光的方法称作单晶型合成 方法。通常采用两种方式，一种是蓝光l e d 发光二极管激发黄色荧光粉产生白 光，另一种方式是紫外光l e d 激发r g b 三波长荧光粉产生白光。目前最常用 蓝光l e d 激发黄色荧光粉来产生白光，但是用蓝光l e d 来发白光的方式的发 光效率仍然不足，许多厂商开始向另外一个方向就是紫外光l e d 发展，利用紫 外光l e d 加r g b 三波长荧光粉来达到白光的效果，其发光效率比蓝光好上许 多。而紫外光l e d 加r g b 三波长荧光粉的方法，其关键技术在于高效率的荧 光体合成法，也就是如何把荧光粉有效的附着在晶粒上的一项技术。 ( 2 ) 多晶型 用两个或两个以上互补的l e d 发光二极管或把三原色l e d 发光二极管做 成混合光而形成白光的方法就是多晶型的合成方法。由于不同色彩的l e d 发光 二极管的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，所以使用多晶型的 合成方法比单晶型复杂，同时，l e d 发光二极管的数量多，也使得多晶型l e d 的成本较高。从驱动电路设计的角度来看，多晶型也要复杂很多。因此，现在 很多厂商把单晶型l e d 作为白光l e d 的发展方向 1 1 2 特性 ( 1 ) 亮度 浙江大学硕士学位论文 l e d 发光二极管所发出的亮度与流过的电流和结温度有密切的关系。图 1 1 ( a ) 是在温度为2 5 度的环境下，亮度随正向电流变化的曲线，图1 1 ( b ) 是在正向电流3 0 m a 条件下，亮度随温度变化的情况。 i n t e n s i t yv s f o r w a r dc u r r e n t i n t e n s 。i t ，y v s a m 。b i e n t t e m ，p e r a t u r e 。 ( a )( b ) 图l l 白光l e d 的亮度随正向电流及温度变化曲线 ( 2 ) 颜色( 波长) 以蓝光l e d 为例，i n g a n 的发光波长非常依赖于正向电流，如图l - 2 所示。 因此，为了在调节发光亮度的同时不使颜色有偏差，不改变电流大小的p w m 调光是较好的选择。 i ) o f n i n a r _ tw a v e l e g t h o rb l u e 九d 。昌，扛k7 王2 5 。c l | 、 l 、 、 - ，f 图1 2 白光l e d 发光波长与正向电流的关系曲线 ( 3 ) 电流电压特性 发光l e d 的正向电流和正向电压有着典型的指数关系掏，如图l - 3 所示。 一2 5 n o 5 o 5 o 5 o 篇。帆m m 瓴错 f 浙江大学硕士学位论文 电压的微小变化会导致很大的电流变化，因此，恒流控制策略优于恒压控制 f o c w m r dc u f f e r t t 弦y a - 2 5 c o 图1 3 白光l e d 正向电流与正向电压的指数关系 1 2 白光l e d 的驱动电路 1 2 1 典型驱动电路 流经l e d 的电流决定了发光亮度，电流的大小又决定了正向压降。由于 l e d 发光二极管的电压电流曲线的特征，仅仅控制电压不足以稳定亮度，因而， 要进行恒流控制3 1 。大多数应用场合要求多个白光l e d 同时发光，这就要使用 并联或者串联的l e d 发光管，此时，不同发光管之间的电流匹配成为重要的问 题。 ( 1 ) 串联接法( 如图l - 4 ) 这是最常用的白光l e d 的连接方法。 图l - 4 白光l e d 的串联接法 一3 一 搿。 缸-_ ， n ，2 5 协5 绺 浙江大学硕士学位论文 优点：非常好的电流匹配；有较高的效率( 因为只有一个用于调整或者检测的 电阻r b ) ；可以方便的应用于b o o s t 模式的驱动电路；与驱动芯片的连接最 少，如果需要，很容易把驱动芯片和l e d 发光管置于不同的位置。 缺点：需要较高的驱动电压，因而利用电荷泵驱动比较困难，主要应用在有电 感的b o o s t 电路；驱动芯片的制造需要复杂昂贵的高压工艺。 ( 2 ) 并联接法( 如图1 5 ) 并联接法有两种驱动方式，图1 5c a ) 利用匹配的电流源分别驱动各路白 光l e d ，图1 - 5 ( b ) 在每路l e d 负载上串联电阻，用来调整各路电流的匹配。 ( a )( b ) 图1 5 白光l e d 的并联接法 优点：需要较低的电压，适用于电荷泵提供驱动电压的驱动方法；驱动芯片制 造可使用普通的低压工艺。 缺点：图1 5c a ) 有比较好的电流匹配特性，但需要驱动芯片内部实现各路电 流的匹配，所以l e d 发光二极管和驱动芯片的接口较多；图1 - 5 ( b ) 依靠电 阻调整各路电流，因而精度不高，而且消耗了大量功耗，降低了系统的效率。 ( 2 ) 并联串联接法( 如图1 - 6 ) 这种接法尤其适用于需要驱动大量l e d 的场合，但是一般只做到精确调整 一路的电流，用这路的压降调整其余各路的电流，由于电压与电流的指数关系， 并联的各个l e d 串亮度会有所偏差。 一d 一 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 电流的匹配 图l - 6 自光l e d 的串并联接法 由于白光l e d 发光二极管的电压电流指数特性，在多个l e d 应用的场合， 精确的电流匹配才能保证亮度和色彩的匹配，因而，串联l e d 是最佳选择。在 驱动芯片的外围设计上，有以下四种方法，其中并没有特别提及串联l e d 的控 制，这是因为可以把它看作并联l e d 的一个支路，采取相同的控制方法。 ( 1 ) 并联l e d ，恒定驱动电压，开环的负载电流控制( 如图l 一7 ) 这种连接方法用串接在负载上的电阻确定负载电流；输入电压可以较随意 的变化，但是负载调整率很差，而且电流的匹配也不能令人满意。 v o i d 害f i x e d 多 1 i d i v 。m v d ) r 图1 - 7 并联l e d ，恒定驱动电压，开环的负载电流控制方式 ( 2 ) 并联l e d ，恒定驱动电压，带有闭环反馈的负载电流控制( 如图l - s ) 这种连接方法用反馈电阻确定负载电流，串接有反馈电阻的l e d 支路得 到精确的电流控制，但是其他各路电流要依靠v o u t 进行调整，因而匹配不佳。 另外，如果接有反馈电阻的l e d 断路，输出电压会产生过冲，损坏其他l e d 。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 v b u l - v m v d j i d x ，( v f b + v 小v h x l r h - h 旷 7 图1 - 8 并联l e d ，恒定驱动电压，带有闭环反馈的负载电流控制 ( 3 ) 并联l e d ，电流模式( 如图1 - 9 ) 这种模式非常适合并联的l e d 使用，它的电流匹配特性非常好，而且单 个l e d 的损坏不会影响其他的正常工作。 v l n 图1 9 并联l e d ，电流模式控制 ( 4 ) 串并联l e d ，闭环反馈的电流控制( 如图1 - 1 0 ) 这种模式中，串联的l e d 有极佳的电流匹配，从统计和概率的角度看， 并联的l e d 串和主l e d 串有较好的匹配，这是由于多个l e d 正向压降之和的 匹配程度，好于单个l e d 正向压降的匹配。唯一不足的是需要较高的驱动电压。 一6 一 浙江大学硬士学位论文 1 2 3 亮度的控制 v o u ! - 、，r b + z v d i d v m r 图1 1 0 串并联l e d ，闭环反馈的电流控制 ( 1 ) 模拟调光 模拟调光有两种方法，一种通过调整反馈电阻( 如图1 1 1 ) ，另外一种通 过在电流检测端引入或者抽出电流( 如图1 - 1 2 ) 模拟调光是最常用调光方式， 但是，由于通过改变负载电流的大小调整亮度，会产生色彩的偏移，因而在某 些高端或者做背光应用的条件下不是非常适用。 f o n m n lc u r r e n t t o v o l l l n g e 甜协l e d e m 。 焉如确瓣i 确瑰l 燕赢 搿黼赫概 喙瞩黼 图1 1 l 白光l e d 的模拟调光( 一) 一7 一 浙江大学硕士学位论文 = 逢百v , - v 糟 黼蝴删心撇 咯l “d 0 v，5 撇 o ，5 v1 3 “a l0 v 1 m 5 v9 m 2 0 v8 5 m 2 5 v4 5 m 3 , 0 v 2 5 m 3 5 vo f f 图1 1 2 白光l e d 的模拟调光( = ) ( 2 ) 数字调光 数字调光的方法类似于第二种模拟调光的方法，只是增加了数字接口。( 如图 1 1 3 ) 马三 l o * t “ # 辩# 瓣 * 冉t v 撙 # 艟 m ，糙t ，u 图l - 1 3 自光l e d 的数字调光 ( 3 ) p w m 调光 p w m 调光基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载l e d 时亮时暗， 如果亮暗的频率超过1 0 0 i - i z ，人眼看到的就是平均亮度，而不是l e d 的闪烁。 通过调整亮和暗的时间比例，达到调整亮度目的的方法就是p w m 调光。这种 方法经常通过e n ( 使能) 或者s h d n ( 关断) 引脚来实现，把可调占空比和 固定频率的数字信号加到以上引脚就实现了调光，但是调光的范围取决于芯片 一8 一 浙江大学硕士学位论文 内部电路软启动或者恢复正常工作的速度，因而范围不是很宽。 p w m 调光的特有优点是电流色彩不会发生偏移，因为在调整亮度的同时， 流经l e d 的电流不会发生改变。这对于一些应用于背光的白光l e d 是非常重 要的，因而p w m 调光也是一种应用广泛而且重要的调光方式。 1 3 立题意义及白光l e d 的发展前景 虽然白光l e d 使用寿命最高可达十万小时，但是必须在低电流的环境下操 作，目前该产品主要是供小尺寸背光源使用，就各应用市场来看，由于彩色屏 幕手机需要搭配白光l e d 为背光源，而彩屏手机已经成为手机市场的主流产 品，根据业界对彩屏手机的市场预测，如以彩屏手机一年需求量约4 5 亿支及 屏幕用背光源需2 4 颗白光l e d 来估计，彩色手机用屏幕背光源一年需求约 5 - 1 0 亿颗。另外，由于白光l e d 已经开始应用于附带数码相机的手机闪光灯， 因而市场需求量非常可观。其次，在p d a 及数码相机用背光源方面需求量也非 常之大。总的来说，白光l e d 需求以小尺寸背光源市场为主。 如果白光l e d 的亮度提高、成本进一步改善，则在大尺寸l c d 方面，白 光l e d 将可能替换冷阴极荧光灯作为背光源。如此一项，考虑到大尺寸l c d 在p c 和t v 方面的市场潜力，作为大尺寸l c d 背光源的白光l e d 需求量是十 分惊人的。 业界对白光l e d 市场最看好的是通用照明市场，现阶段白光l e d 发光效 率已可达3 0 1 m w ( 普通的白炽灯泡发光效率为1 5 1 m w ) ，但是，如果白光l e d 真正在通用照明市场上占据一定比例，需要白光l e d 发光的效率提升到 6 0 - 1 0 0 1 m w 时方有机会。白光l e d 要真正占据通用照明市场，除了发光效率 及功率仍有极大的改善外，成本也是非常重要的因素，在发光效率与成本比率 上，2 0 0 1 年白光l e d 的成本约l 美元l m ，2 0 0 2 年降至0 1 美元l m ，如果能将 成本降至0 0 1 美元t d l m ，由于白光l e d 属于绿色环保能源，则预计将有可能完 全取代现有通用照明的大部分市场。 白光l e d 的应用如此广泛，前景也非常光明，作为它不可缺少的一部分， 驱动芯片的研究不容忽视。驱动芯片的设计不仅要满足l e d 应用多样化的需求 ( 比如作为背光源和闪光灯的驱动芯片能力大为不同) ，而且要兼顾到效率，好 的驱动芯片还要考虑到客户的具体需求，易于外围电路的搭建。 9 浙江大学硕士学位论文 1 4 设计目标 本文的设计目标是：在高输入电压和宽输入电压范围下，实现一款可输出 高驱动电压的白光l e d 驱动芯片。主要应用场合为工业控制系统和汽车照明。 驱动芯片应具有p w m 调光，模拟调光，过温保护，过压保护，关断模式以及 良好的线性调整率。由于负载是白光l e d 串，在实际应用中负载电流稳定，因 而系统对于负载调整率没有严格要求。 利用美国国家半导体公司提供的a b c d l 5 0 工艺，以及c a d e n c es p e c t r e 仿 真软件进行设计。 1 0 - - 浙江大学硕士学位论文 第2 章结构设计 2 1 基本的驱动芯片结构及原理 白光l e d 的驱动芯片是电源管理芯片的一种，其系统结构按照有没有电感 元件可分为两大类。包含电感的系统结构主要是开关电源电路，不需要电感的 结构主要是电荷泵。 开关电源电路由于需要电感元件，因而体积较大。在现有的半导体制造工 艺条件下，电感元件很难集成到芯片内部，因而不利于系统的集成。但是，这 种结构的效率很高，l e d 的驱动电压可以任意调整，l e d 的驱动电流最大可以 达到十几安培，很适用于大电流的l e d 驱动芯片设计。 电荷泵电路比较简单，由于不需要电感元件，体积很小，成本较低。但是 它只能提供固定的输出电压。有些芯片提供不同大小的输出电压供选择，但却 缺少输出电压的连续性。在驱动电流能力上，电荷泵电路也远远不及开关电源 电路。系统的效率也比较低。因而，电荷泵电路主要应用在驱动小电流，小电 压的l e d 场合。 2 1 1 基本原理 ( 1 ) 开关电源电路 最常用的开关电源电路有：b u c k ，b o o s t ，b u c k - b o o s t 型，分代表 降压型，升压型，还有升降压型电路。现以b o o s t 型电路为例，简要说明工 作原理。 如图2 1 所示，开关电源电路主要由电子开关器件，电感和电容组成。电 子开关有快速开通和关断两种状态，并且非常强调迅速的切换，因为只有这样， 损耗才能降到最小。目前较常使用的电子开关有：双极型晶体管，功率场效应 管，开关二极管，还有其他一些特性较好的新型大功率开关元件。电感是开关 电源中常用的器件，由于它的电压、电流相位不同，因此理论损耗为零。电感 为储能元件，也常用于平滑电流，也称为扼流线圈，其特点是流过其上的电流 有很大的惯性，也就是电感上的电流是连续的。电容也是开关电源的基本元件 之一它与电感一样，也是储存和传递电能的元件，但对频率的特性与电感刚 好相反它主要用来吸收纹波，具有平滑电压波形的作用。 一1 1 一 浙江大学硕士学位论文 在图2 1 中，当开关s w 开通的时候，二极管关断，电容利用储存的电荷 为负载供应能量，电感两端的电压是输入电压v i n ，并且电压与电流同向，因 而电感电流增加，增加的斜率为i l ，l 。当开关关断的时候，二极管导通，此 时v i n 同时为电容充电和为负载提供能量，由于电感电流具有连续性，因而保 持原有电流方向且电流减小，导致电感上的电压反相，电流减小的斜率为 ( v i n - v o u t ) l 详细波形见图2 1 。 可以计算，输入输出电压和占空比( d ) 之间的关系为： 堕：上( 2 - 1 、 肠l 一上) d：竺(2-2) 细+ t o w b a s i cs t e p - u p ( b o o s t ) c o n v e r t e rw a v e f o r m s h 。| lb 。l o u t l o w e rc 嘲- i n e t a n t a n e o t mv a l u e u p p e rc a s e a v e r a g ev a l u e 誓 ! 广= = 兰r a i 旷k i o l o u t 图2 1 基本b o o s t 结构的电路及波形图 d ( 2 ) 电荷泵电路 电荷泵电路的主要原理是在时钟周期的一部分时间内为电容充电，在其余 的时间内，利用电容的不同连接方法得到不同的输出电压。这种方法只能得到 些离散的输出电压值。 图2 - 2 所示是一种简单的电荷泵电路，它可以得到输入电压两倍的输出电 压。仅用此简单的结构说明电荷泵电路的工作原理。当s l ，s 3 导通，s 2 ，s 4 关断的时候，v i n 为电容c 充电，电容上的电压为v i n 。当s l ，s 3 关断，s 2 ， s 4 开通的时候，输出电压等于电容上的电压叠加上输入电压，因而得到了两倍 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 于输入电压的输出电压。 图2 - 2 基本的电荷泵电路 2 1 2 控制方法 开关电源电路和电荷泵电路都是常用的电压转换拓扑结构，由于应用中有 很多特别的要求，比如，在输入电压或者负载有变化的时候保持输出电流和电 压恒定，这就需要建立闭环的负反馈系统，使产品更加可靠和稳定。 电源管理芯片设计中的控制方法主要有，电压控制，峰值电流控制，均值 电流控制h 1 。虽然还衍生出了多种其他的控制方式，比如伪峰值电流控制，但 是他们都以上述三种方式为最根本的控制思路。 ( 1 ) 电压控制模式 电压控制模式是应用最早的一种控制方式。如图2 - 3 所示，输出电压v o u t 被检测并且输入到误差放大器的反相端，基准电压r e f e r e n c e 输入到误差放 大器的正相端，得到的误差信号v b 与锯齿波v i 相比较，比较器的输出作为锬 存器的清零信号，控制双极型晶体管开关的通断。详细波形同见图2 - 3 。 电压控制模式只有一个电压回路，设计和分析都很简单，但是由于误差 放大器需要检测到输出电压变化才能做出反应，因而速度不快，而且系统中固 有的两个极点使补偿比较复杂。 一1 3 一 浙江大学硕士学位论文 = = 7 侈拶 黼；厂1 广 厂 图2 3 电压控制模式 ( 2 ) 峰值电流控制模式 峰值电流控制模式是应用最广泛的控制方式。 如图2 - 4 所示，同电压控制模式相同，误差放大器的两输入端接输出电压 v o u t 和参考电压r e f e r e n c e 。与电压控制模式不同的是：比较器的输入是电 感电流信号和误差信号。由于电感电流直接反映出了系统状态变化，且不需要 经过误差放大器而直接输入比较器，所以环路响应有相当大的改善。 峰值电流控制模式不仅反映迅速，而且环路中只有一个极点，非常有利于 补偿的设计，除此之外，它本身就可以实现每周期的过流保护。它的缺点是系 统包含两个反馈回路，一个电压环路，一个电流环路，这使得分析和设计比较 复杂，同时，峰值电流的检测对噪声非常敏感。如果占空比超过5 0 0 , 6 ，就需要 增加斜坡补偿，以保证系统的稳定性。 1 4 - - 浙江大学硕士学位论文 图2 - 4 峰值电流控制模式 ( 3 ) 均值电流检测 均值电流检测应用较少，这是由于它的小信号模型难于建立，设计比较复 杂，但是它能够精确的调整电流的均值，这也正是大多数系统所需要的。 2 1 3 参数指标 ( 1 ) 线性调整率 线性调整率也可以说是输入电压调整率，它表示的是，当系统输入电压变 化的时候，控制量的变化程度在l e d 应用中，由于控制量是负载电流，所以 线性调整率指的就是，输入电压变化的时候，负载电流如何变化。用公式表示 为： 筹( a v ) ( 2 - 3 ) ( 2 ) 负载调整率 对于恒压驱动系统来讲，负载调整率表示当负载电流改变的时候输出电压 的变化。对于恒流的驱动系统，它指负载电流变化的时候，系统能否提供与之 对应的驱动电压，以保证l e d 的电压电流特性得到满足，从根本上讲，这也表 明了驱动芯片的驱动能力，也就是提供负载电流大小的能力。 ( 3 ) 纹波 纹波是指控制系统中的参数会带有一定频率分量的噪声。表现在电流或者 电压上，就是电流电压并不是完全不变的稳定值，而是在一定小的范围内波动。 一1 5 浙江大学硕士学位论文 由于l e d 应用中恒流控制为主，而且人眼对3 以上的电流匹配误差才能感觉 到，所以电流的纹波大小不是十分严格。 ( 4 ) 驱动电流 驱动电流的大小表明了芯片的驱动能力，也即提供给负载l e d 电流大小的 能力。驱动电流根据场合不同，要求迥异。做背光源的l e d 一般需要几十毫安 的电流，如果做闪光灯，一般需要7 0 0 m a 到1 a 的电流大小。 ( 5 ) 驱动电压 这是一个和l e d 个数及连接方法密切相关的参数。为了保证电流的精确匹 配，很多应用采用串联l e d 的连接方法，一般l e d 的正向压降为三到四伏， 如果需要的l e d 数量比较多，相应的驱动电压可能高达十几伏甚至几十伏。因 而需要b o o s t 电路或者电荷泵电路提升电压。 ( 6 ) 输入电压范围 输入电压是一个基本参数，主要是因为目前l e d 的应用范围愈加广泛，比 如工业上的应用或者汽车照明，这些场合的供电范围比较宽，供电电压也比较 高。因而，要保证在很宽的输入电压范围内系统正常工作。 2 2 设计方案 2 2 1 应用需求分析 这款l e d 驱动芯片主要应用在汽车照明系统以及工业控制中，现以汽车照明 系统为例，分析应用的需要。 为了提高汽车的美感与性能，在近些年的新车型中，汽车制造商大量的应用 固态光源l e d 的照明技术。主要应用有1 2 i ： ( 1 ) 舱内白光顶灯和阅读灯 白光顶灯和阅读灯只需要一个大功率的白光l e d 发光二极管。一般正向压 降为3 v - 4 5 v ，最大电流为i a - 1 5 a ( 2 ) 舱内娱乐显示器 在豪华型及主流消费车型中，安装g p s 导航和舱内娱乐显示器越来越流 行。在目光下，这些l c d 显示器需要l e d 串做背光源，在夜间工作则需要宽 的调光范围。l e d 串一般包含6 - - 1 0 个l e d ，尽管它们只需要一百毫安左右的 电流，但是串联l e d 的电压要达到2 0 伏以上才能保证所有的l e d 正常导通。 一1 6 - - 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 信号指示灯，尾灯和前灯 信号指示灯、尾灯和前灯需要最大的功率，因为它们要有大电流和高电压 来驱动。例如汽车尾灯，电流最高可达1 5 a ，由p l o 个l e d 组成的l e d 串 在各种车灯中相当常见。信号指示灯、前灯和尾灯虽然不需要大范围的调光， 但是需要实现亮度的高低变化。 汽车电池的典型供电范围是9 - 一1 6 v 。一个电量耗光的电池在汽车启动前可能 降低至9 v ，而交流发电机在发动机运行的同时将其充电至1 44 v 。伴随着一些尖 峰和过冲，这种典型的直流电池电压最高可达1 6 v 。在通常情况下。当发动机不 工作时充好电的汽车电池电压为1 2 v 。在冷车发动时，汽车电池电压可能降至 5 v 、甚至4 v 。在汽车供电中高瞬态电压也非常常见。从电池到底盘上不同地方 的长电缆和汽车环境中的电子噪声经常会导致大的电压尖峰，在设计驱动芯片时 典型的3 6 v 瞬态电压也需要考虑。 基于以上应用的考虑，驱动芯片的供电允许范围设定为弘3 6 ，输出电压至少 可以驱动1 个大电流的l e d ，至多可以驱动l o 个串联l e d 。 2 2 2 电路的拓扑结构及控制方法 ( 1 ) 拓扑结构 一般白光l e d 正向压降为3 v 至4 5 v ，由于输出电压需要驱动多达l o 个 串联的l e d ，电压变换器需要输出至少3 0 v 的电压，但是输入电压范围是3 v 至3 6 v ，最低可至3 v ，因而采用b o o s t 型d c d c 拓扑结构。如图2 - 5 所示。 b o o s t 结构虽然能够提供相当高的输出电压，但是却不适合实现驱动一个l e d 的低电压。为了扩大负载电压的范围，采用图2 - 6 的方法。电路基本结构仍然 是b o o s t 型，只是负载被连接在输入电压和输出电压之间，因而负载电压是 输出电压与输入电压的差值，负载电流自输出端流入输入端。即使只驱动一个 l e d 也很容易实现。这种接法的电流检测电阻直接与输入电压相连，因而称为 高端检测接法。 b u i c k b o o s t 电路虽然也可以实现高于或者低于输入电压的输出，但是 它的输出电压极性与输入电压相反，因而增加了系统设计的复杂性，所以不予 采用。 一1 7 浙江大学硕士学位论文 图2 - 5b o o s t 型d c d c 拓扑 图2 - 6b o o s t 拓扑的高端检测接法 ( 2 ) 控制方法 为了使系统有较好的反应速度和控制精度，采用峰值电流的控制方法。控 制系统框图如图2 - 7 和2 - 8 所示，分别为普通b o o s t 电路的系统和高端检测的 系统框图。为了保证系统在不同占空比条件下的稳定性，增加了斜坡补偿电路。 一1 8 一 浙江大学硬士学位论文 图2 - 7b o o s t 型d c ，d c 的峰值电流控制框图 误茏放大嚣 图2 8b o o s t 型d c d c 高端检测模式的峰值电流控制框图 2 2 3 系统特点 驱动芯片最重要的参数之一是电流驱动能力，它的大小与功率m o s 管的 电流承受能力密切相关。把功率m o s 管集成到芯片内部，可以减少了外围器 件，但却增加了芯片的面积和制造工艺的成本，而且电流的峰值受限，减少了 应用设计的灵活性。在对外围器件数量要求比较少，产品体积需求较小的条件 一1 9 一 浙江大学硕士学位论文 下，集成m o s 管的芯片才比较适用。 本芯片的设计目标是汽车照明系统的驱动芯片，对产品体积的要求宽松， 而且被驱动的l e d 由1 个到1 0 个不等，电流由几十毫安到几安培变化，应用 条件十分灵活，因而采用外接功率m o s 管方法，由此也降低了芯片的制造成 本。不同外围器件的选择得到不同的驱动电压和电流，系统的效率也很大程度 上取决于外围器件。 根据外围接法的不同，系统可以工作在恒流驱动模式和恒流恒压的驱动模 式下。 ( 1 ) 恒流模式 如图2 7 所示，与负载串联的检测电阻上的电压与参考电压通过误差放大 器输出控制电压，用来限制电感电流的峰值。系统形成了负反馈回路，稳定时 候的误差放大器两输入端电压近似相等，因而严格控制了负载电流，大小为参 考电压除以检测电阻的大小。 输出电压的大小是通过负载l e d 的电流进行控制的，当输出电压增大的时 候，负载电流也会随之增大，检测电阻上的电压就会增加，使误差放大器的输 出减小，通过环路作用减小电感电流，减小输出电压。 如果负载l e d 断路，检测电阻检测不到与输出电压相应的电流值，电压的 增加就不能得到抑制，因而需要过压保护电路，防止输出电压过高对器件造成 的损害。 ( 2 ) 恒流，恒压模式 在图2 - 8 所示模式中，系统通过控制检测电阻两端的电压差值，控制负载 电流。其余原理与上述恒流模式类似。这种高端检测接法除了扩大负载电压范 围，还避免检测电阻直接接地而受到噪声的干扰。汽车照明应用中，通常以底 盘作为地，噪声很大，不适于检测电阻直接接到地。 所谓恒压恒流模式，是指由于误差放大器的特别结构，使系统能够即调整 负载电压也调整负载电流，这主要取决于哪个参数先达到预设的值。详细分析 见误差放大器的电路部分。 这种恒流，匾压的模式本身提供了过压保护功能，即使负载l e d 断路，也 能根据设定调整输出电压，避免输出电压过大。 一2 0 一 浙江大学硬士学位论文 由于负载接在输入输出电压之间，检测电阻不能直接提供与电流成正比的 单端电压，电阻两端电压的差值才与电流成正比，因此，误差放大器要把双端 电压转变成单端电压，同时得到以地为参考的较低电平，利用此较低电平与参 考电压比较，得到误差信号用于峰值电流的控制，再者，放大器的输入要能承 受高达3 6 伏的共模电压。因而