（电路与系统专业论文）纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 当前场发射显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y f e d ) 因其自身的优势而成为研 究的重点，而f e d 的迅速发展离不开驱动电路的发展。传统的高压直流电源体积 和耗损功率很大，效率低。本文将开关电源技术应用于高压电源中，提出了驱动 场发射的高压电源的设计方案，提高了电源的效率，并将低压电路与高压电路整 合在一起，为高压电路中的集成电路和f e d 点阵控制供电。 本文在总结了前期所作的基于纳米金刚石粉涂层工艺f e d 测试实验结果的 基础上，详细分析了不同的电源类型和电路的拓扑结构，通过所得到的场发射的 基准参数，选取了脉宽调制反激式电路为开关电源的基本拓扑。重点探索了高低 压反激式变压器的参数的计算，得出了详细并且切合实际的分析计算方案。通过 开关电源的要求( 2 0 k h z ) ，以高低压变压器( 1 0 0 k h z ) 为核心，设计了应用于 f e d 驱动电路的反激式电路的实现方案，主电路通过p w m 控制电路和反馈电路 的控制使输出为连续可调的高压，辅助电路通过低压变压器输出供电绕组的反馈 来控制使输出为稳定直流电压( 5 v 2 4 v ) 。通过电源仿真软件s a b e r 对反激式电路 的参数进行了仿真分析，最终绘制电路p c b 板，搭建了样板电路，并对其进行了 测试验证，得到了与预期设计目标基本相符的低压部分的结果。 关键词：场发射显示器开关电源 脉宽调制反激式电路反激式变压 器s a b e r 些苎竺! 一一 a b s t i 氇c t n o w a d a y s ，t h er e s e a r c ho ff e d d e v i c e sw i t hi t si n h e r e ma d v a j l t a g e sh a sb e e nah o t r c s e a r c h w i mt h ed e v e l o p m e n to ff e dc a t h o d em a t e r i a l s ，f e d 嘶v i n gc i r c u i th a s b e e nm o r ea n dm o r ci m p o r t a n t t h et m d i t i o n a lh i g h - v o h a g ed cp o w e r s u p p l yh a sb i g b u l ka i l dp o w e rd i s s i p a t i o n ，a i l dl o we m c i e n c y t h ed e s i g n o fh i g h 一船q u e n c y h i g h v 0 1 t a g ep o w e 卜s u p p l yf o rf e dd r i v i n gc i r c u i tu s i n gs 、v i t c h i n gp o w c r - s u p p l y t e c l l n 0 1 0 9 yi sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r w i mm eh i 曲- v o l t a g ed e s i g n ，al o w 。v o l t a g e p o w e r i s u p p l yh a sb e c nd e s i 驴e df o rt 1 1 ep o w c r _ s u p p l yo fi ca 1 1 dd o t _ m a t r i xc o n 仃o i l e r b yt e s t i n gm ef e ds 锄p l e sw 油m en a n o d i a m o n dp o w e rc o a t i n gca _ t h o d c ，f e d s 锄p l e sw i 血丽d eg a pn c e d 量l i g h - v o l t a g et od r i v e ，孤dg e n e m lp a r 聊e t e r sa r eg a i n e d w i t ht l l ed e t a i l e da n a l y s i so ft 1 1 et y p e so fp o w e r - s u p p l ya n dc i r c u i tt o p 0 1 0 9 i e s ，t 1 1 e p w m f l y b a c kc i r c u i ti ss e l e c t c d t h ea l l a l y s i sa i l dc a l c u l a t i o no fr e l a t i v ep a r 锄e t e r s o f h i 曲- v o l t 唱ea n dl o w - v o l t a g e 廿a n s f o mi sp r i m a r i l yr e s e a r c h e di n t 1 1 i sp 印e r ，a n da p r a c t i c a lc a l c u l a t i o ni sg i v e n af l y b a c kc i f c u i td e s i g l li s a c h i e v e df o rf e d d r i v i n g c i r c u i t 附m a r yc i r c i l i t i sc o n s i s t e do fp w mc i r c u i t ，h i 曲一v o l t a g et r a i l s f b ma i l d f e e d b a c kc i r c u i ta n di t so u i p u ti sh i g h - v 0 1 t a g e ，w h i c hc a nb ec o n t r o l l e d a s s i s t a l l t c i r c u i ti sc o n s i s t e do fp w mc i r c u i t ，l o 、v - v o l t a g et r a n s f o m 舡l di t so u t p u ti s l o w - v 0 1 诅g e ( 5 v 2 4 v ) t h a ti ss 诅b l e u s i n gt h ep o w e r - s u p p l ys o r w a r es a b e r t h e f 1 y b a c kc i r c u i ti ss i m u l a t e d p c bi sm a d e ，a n ds a i t l p l ec i r c u i tb 0 舡di sp r o d u c e da n d t e s t e d t h er e s u l to fl o w v o l t a g ep a r ti sc o n s i s t e n tw i 血a n t i c i p a t i v ed e s i g n k 卵r o r d s ： f e ds m p s p w m f 1 y b a c k c i r c u i t f 1 y b a c k t r a n s f o m s a b e r i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和 借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。同 时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为话北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：j 嶂指导教师签名：垂! 吐 vc ，年c 月f 。6 日加年l f 月膨日 西北大学学位论文独创性声明 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， 本论文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 北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谢 意。 学位论文作者签名：z 母s 帮 b 。6 年月f6 日 第一章：绪论 第一章绪论 随着全球信息化时代的到来，显示器作为人机交换的窗口，已经应用到人们 生活的方方面面中，新型的显示技术的研究及其应用已经成为各国经济实力和科 技水平的竞争体现。场发射平板显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y f e d ) 的研究和应 用因其自身的优势而成为当前平板显示器中研究的重点。 1 1 场致发射显示( 珊) 的特点和优势l 场发射平板显示器f e d 是一种固体真空平面显示装置，利用点阵排列式冷阴 极场发射电子激发荧光粉发光来完成显示，具有高分辨率、高发光效率、体积薄、 重量轻、大面积、大视角( 尤其相对于l c d 和p d p ) 、高亮度和色彩鲜艳、图像 清晰、宽的温度工作范围、低功耗、快速响应时间、抗振动冲击，电磁辐射小等 良好的性能特点，因此被誉为未来二十一世纪最理想的平板显示器，可以广泛的 应用于移动电话、计数器显示器、平面电视、大屏幕显示等各种信息通讯显示设 备领域。 f e d 与其他显示技术( c r t 、a m l c d 、p m l c d 、e l d 、v f d 、0 l e d 和p d p ) 相比较来说，其被认为是c r t 的最好继承者，它具有c r t 的优点，又克服了c r t 体积笨重的缺点，而且是自主发光、功耗较低，理论上可以制作大屏幕显示，并 且体积小，视角大，综合了p d p 和l c d 的优点；但是由于其结构复杂，封装困 难等原因，寿命问题还有待解决。但是在各国对f e d 阴极的不断的研究开发使大 面积f e d 阴极制造技术有望获得突破性的进展，一旦寿命和制造问题得到解决， f e d 将会成为新一代的显示器的标准。 1 2 珊d 的发展历程和研究现状1 1 1 7 l 从1 9 6 8 年美国斯坦福大学c a s p i n t 发明了场致发射体阵列并成功地采用双 源旋转镀膜技术制备了大面积微尖锥场发射阴极阵列( f e a ) ，使场致发射器件可 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 以在较低的电压下得到较高的电流发射密度。实现了以s p i n d t 微尖为其主要特征 的第一代f e d ，并且以目前来看，s p i n d t 微尖锥结构的f e d 仍是市场的主流，其 可靠性和可行性都得到了证实。 1 9 9 4 年法国的p i x t e c h 公司采用微尖锥s p i n d t 阴极结构成功研发出第一个标 准的6 英时阴极场发射彩色显示器；s o n y 等公司报道了以微锥阴极制作的s v g a 的图形显示方式的1 3 2 时的f e d 屏，其分辨率为6 0 0 + 8 0 0 ，亮度8 0 0 n i t ，对比度 8 0 0 ：1 ，阳极电压大于8 k v ；2 0 0 1 年m o t o r o l a 研制出了1 5 时彩色f e d 显示屏， 其阴极寿命超过了1 0 0 0 0 小时，在阳极电压为6 5 k v 时亮度达到9 0 0 c d c m 2 。 但是由于大面积微尖锥s p i i l d t 结构的f e d 尖椎阵列制造工艺难度的问题，人 们将重点研究方向转向进行第二代f e d 的研发。第二代f e d 致力于开发性能更 加优秀 学性能 的高速 的f e d ，其场发射阴极材料应该具有较低的功函数，优秀而稳定的物理化 ，且制备工艺相对简单( 以成膜工艺来代替加工冷发射源) 。随着纳米技术 发展，在这个领域中，新型的f e d 阴极技术如金刚石薄膜阴极、碳纳米管 ( c n t ) 阴极和准一维氮化物纳米材料阴极正在成为取代微尖锥s p i n d t 结构的方 案。 2 0 0 1 年日本伊势n o r i t a k e 公司展示1 5 时亮度达到一万流明的产品；2 0 0 2 年 韩国三星电子研制出采用c n t 阴极的3 2 时f e d 屏；v 觚d e r b i l t 大学的w p k a n g 等人研制了金刚石场致发射三极管，其栅极开启电压只需l o v ；上海交通大学的 唐敦乙、林书铨和张志明进行了掺杂的金刚石薄膜的研究；西安交通大学的朱长 纯等人研制成功了c n t - f e d 样机；在2 0 0 4 年国际显示会议( s i d ) 上摩托罗拉 和法国l e t i 公司联合发表了q v g a 格式的6 英时f e d 面板。 1 3 论文选题背景及研究内容 平板显示器的迅速发展离不开配套的驱动电路的发展，在各种平板显示器中， 如：液晶( l c d ) 、等离子体( p d p ) 、电致发射( e l ) 、有机发光二极管( o l e d ) 和场发射( f e d ) 等显示器当中，其相应的驱动电路的技术含量虽然低于显示器 的制造技术，但是驱动电路作为显示器的控制部分，人们可以通过它来使显示器 完成人们所需要的显示功能，可以将它比喻作是人机交互功能硬件上的“桥梁”。 2 第一章z 绪论 对于不同的显示功能，人们可以设计不同的“桥梁”，借助于相应的d s p 芯片和 m c u ，就可以在显示器上完成各种显示效果。因此显示器和相应的驱动电路构成 了一套完整的客户解决方案，符合用户需求的驱动电路在相当程度上制约着平板 显示器的应用。 在f e d 中，外加的电压大小和材料的表面程度以及材料的均匀度息息相关， 对于我们的纳米金刚石粉涂层的材料来说，一方面从文献1 2 和我们的前期的实验 可以得出纳米金刚石粉涂层材料制作的f e d 的均匀度和一致性不好控制，当均匀 度不好时，往往就形成了类似微尖锥s p i n d t 的结构，在这个时候产生场发射的阈 值电压较低，但是发光效果不好；而形成均匀的平面结构往往又会提升阈值电压， 这就陷入了两难的境地，所以正如我们在后面的电路设计中将会遇到的情况一样， 我们必须要追求一种妥协，就像集成电路设计在电路的速度和电路的面积方面的 妥协一样。 基于以上内容，对于我们将要进行的f e d 驱动电路的设计，具体的设计思路 通过下面的两个步骤来完成：首先我们需要一个高压产生电路来保证有一个比较 高的电压加到f e d 屏上，来达到场发射的阈值电场而产生场发射，同时需要稳定 低压来为高压电路中的集成电路模块供电和后续点阵控制电路供电。其次通过一 个控制网络来对不同的f e d 象素点进行控制。本文的主要工作集中在前者。 通过对于不同的f e d 样品进行测试实验，可以发现我们所使用的纳米金刚石 涂层场发射阴极工艺的f e d 样品产生场发射以及产生最大电流密度时需要的外加 电压是不一致的，并且变化较大。这就要求我们一方面提高工艺的稳定性，以保 证所制备f e d 的阈值电压和产生最大场发射电流密度的电压取值范围能确定下 来，另一方面要求高压电路的输出是连续可调的，可以对应不同的高电压要求通 过旌加不同的电压来实现。 从文献1 6 、1 7 以及前期对纳米金刚石涂层工艺样品的阈值电场的测试实验 中，我们可以得到使样品达到产生场发射的最大电流密度的高电压的范围是 1 0 0 0 3 0 0 0 v ，样品阴阳极之间的距离( 玻璃隔片的间距) 是1 5 0 u m ，最小阈值电 场是1 9 6 v m 。在最大电场6 7 2 0 v 岬下产生场发射的电流密度是6 1 幽儿m 2 到6 9 u c m 2 ，对于我们所用到的样品来说，场发射最大面积是1 2 + 1 5 = 1 8 c m 2 ， 因此在测试电路中场发射的电流是1 舻6 1 1 8 + 6 9 = 1 0 9 8 1 2 4 2 u a 。从这点上来看， 西北大学硕士学位论文：纳米盘刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 测试驱动电路只要求从电源得到的功率最大只有1 2 4 2 l l a + 3 0 0 0 v = 3 7 2 6 m w 时， 就可以正常地驱动场发射产生。因此对于具有1 i n c h + l i n c h 一6 5 4 c m 2 的显示面积的 矩阵选址单色的f e d 屏来说，我们需要的的最大功率( 连电极条之间的间距也加 上) 是6 9 山v c m 2 6 5 4c m 2 + 3 0 0 0v = 1 3 5 3 w 。从以上的参数可以推理出我们需要的 高压产生电路是个可以产生可调高压、较小的电流、并且所需要的功率不是很 大的电路：而低压电路由于为集成电路及其外围电路供电，需要稳定的电压和较 小的电流，同样功率不大。 本文所作的主要工作如下： l 、通过大量的测试实验对基于纳米金刚石粉作为平面涂层工艺的场发射样品 性能进行测量，得出驱动电路的基准参数( 输出电压，输出电流，输出功率等) 。 2 、根据所得到的场发射驱动电路的性能指标，分析和比较了不同电路拓扑结 构和工作模式的开关电源的特点和工作领域，最终选择工作在d c m 和c c n 边界 模式下的反激式p w m 开关电源来产生f e d 驱动电路所需要的可调直流高电压和 供给以后的应用电路的直流稳定低压。 3 、结合反激式变压器的特点和f e d 驱动电路的性能指标，对反激式电路中 所需要的高压变压器和低压变压器进行了理论分析和计算，提出了一个合理并接 近实际的设计方案。 4 、以高低压变压器为核心设计产生连续可调高电压和稳定低压的反激式电 路。 5 、使用s a b e r 软件对反激式电路的模型进行电路仿真分析，验证了电路原理。 6 、根据实际电路元器件的选取，绘制反激式电路的版图，搭建电路实现反激 式电路的稳定低压输出和调试1 0 0 0 3 0 0 0 v 连续可调高压。 第二章：直流电压电路拓扑结构的选择 第二章直流电压电路拓扑结构的选择 电源的形式有很多种，对于不同的应用对象对应着不同的电源形式和电路拓 扑结构。对于我们的所需要的直流电压产生电路，同样是一个对于电源形式选择 的问题，下面根据f e d 驱动电路的具体要求选择合适电源形式和电源的电路拓扑 结构和工作模式。 2 1 电源形式的选择 2 1 1 开关电源和线性电源的简介1 蚰哪 线性电源包括一个与市电隔离的降压或升压工频变压器、整流桥以及一个稳 压滤波大电容和线性电压调整器，其电路原理示意图2 1 所示： 变压器 - 直 流 电 压 图2 1 降压型线性稳压电源原理图 在输入电压和负载波动时，线性电源要通过稳压电路使输出电流和电压保持 稳定。稳压电路的损耗通常是很大的，相应的需要容量很大的工频变压器，这就 增加了总的损耗，导致器件过热。总之，这些都会导致较低的功率。因为在市电 出现过压时，线性电压调整器不得不吸收全部的能量差。 而开关电源( s m p s ) 则是一种对市电整流和滤波后的电压进行斩波的电源， 其斩波频率远大于交流市电的工频( 5 0 h z ) ，一般情况下，开关电源由整流电路、 变压器、脉宽调制控制器、光耦合器件和功率开关管组成，其电路原理图示意图 如下所示： 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 整流器变压器隔离整流器 图2 2 开关电源电路原理图 2 1 2 开关电源和线性电源的比较1 蛐1 l 在线性电源中，电路中的功率晶体管工作在线性模式，从而通过导通电阻的 变化控制输出电压的变化。 如上所述线性电源是指利用有源器件导通电阻的可变性将输入电压降至设定 的输出电压，但是线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量的能量，因此在输 出功率大于1 0 w 的时候，由于要耗散线性电源的热量，散热器会变得很大。 与线性电源不同的是，开关电源中的功率晶体管是用作开关的，其电路调节 方式有两种，一种是固定开关频率而改变占空比，另一种是占空比固定而改变频 率，这里我们使用较多的是前一种p w m ( p 1 u s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方式，即脉宽 调制方式来设计开关电源。而作为开关的功率晶体管总是工作在导通和关断的状 态，功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上产生的损耗，可是在这两种状 态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很少的( 在导通时，电压低，电流大； 关断时，电压高，电流小) 。因此开关电源电路的损耗较线性电源要小得多，效率 也就相应得高很多。 由此可见，脉宽调制开关电源使用更为有效的工作过程，其通过“斩波”的 方式形成交流电压，即用一个半导体功率器件( 功率晶体管) 作为开关，使带有 滤波器( 如电感l ) 的负载电路与直流电压形成周期性的连接和断开。在一个周 期t 里，电子开关接通时间t o 。所占的整个开关周期t 的比例，称为接通占空比 d ：d = 乙r ：而断开时间t o f r 所占t 比例，称为断开占空比。很明显接通占空 6 第二章：直流电压电路拓扑结构的选择 比和断开占空比之和是l ，而且当开通时间越长时，其负载上的电压就会越大。 这种方法把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压。而脉冲的占 空比由开关电源的控制器来调节。 一旦输入电压被斩成直流的方波，其输出幅值就可以通过变压器的匝数比来 升高或降低。而通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数，同时 在保持开关频率恒定的情况下，通过调整占空比就可以控制电压。 相比线性电源，开关电源的优点和缺点如下： 由于开关电源使用的工作频率较高，因此可以使用体积小，重量轻( 因为 采用了体积小的变压器的铁氧体铁芯变压器) ；但同时斩波脉冲的谐波分 量将导致对邻近电子设备的干扰，因此必须对干扰信号进行限制。 效率更高，发热量更低； 输入电压的范围更加宽广( 8 5 2 6 5 v a c ) ，可以多路输出； 待机模式下功耗更小； 异常情况时( 比如短路) 的电子保护功能； 成本较高，寿命较短，设计复杂。 因此我们从f e d 的能耗观点出发，我们选择设计p w m 开关电源来满足f e d 驱动电路所需要的直流可调高压和稳定低压。 2 2 开关电源电路拓扑结构的选择 2 2 1 开关电源电路拓扑结构的分类1 9 。删 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换( b o o s t 变换器) ， 而反激式电路是由升压式电路派生的，所以说开关电源的电路拓扑结构分类如下 图所示： 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 图2 3 开关电源的电路拓扑结构分类 2 2 2 升压式电路拓扑结构和工作原理的分析1 蟠】 图2 - 4 升压式电路原理图 在升压式电路中，当功率晶体管导通时，电流环路仅包括电感、功率晶体管 和输入电压源。其等效电路如下： 第二章：直流电压电路拓扑结构的选择 图2 4 升压式电路在功率晶体管导通时电路等效图 在功率晶体管导通的时间里，二极管是反向阻断的，而电感中的电流和电压 和电感的关系可表述如下： 叭= 署 ( 2 _ 1 ) 讲 如上式所示，电感中的电流以式( 2 1 ) 的形式而“线性”上升，电流和电压 的关系可由( 2 1 ) 式推导如下： 上鲁吨一2 等 ( 2 _ z ) 在这个阶段中，电感将电源的能量储存在电感铁心的磁通中。而当功率晶体 管关断时，其等效电路如下： 一 图2 5 升压式电路在功率晶体管关断时电路等效图 由于电感中的电流不能突变，电感线圈的磁场将电感两端的电压极性改变， 于是二极管就立刻正向导通，原来存储在电感上的电磁能转化为与电源正向串联 的电压向电容和负载供电，高于输出电压时，电容有充电电流。在功率开关管关 断的这段时间罩，电感上的电流用下式表示： 兰型望! 塑主兰竺丝苎! 塑鲞垒壁! 至塑鎏星箜堑垄堑墨至矍翌塑皂些堕堡生 一哮讣”，= 坠蔫螋 ( 2 3 ) 于是通过式( 2 3 ) 的推导我们可以得到： 等= 竖篙螋辛纠_ d ) 吧巩= 尚三+ z+ z ” ”一7 一“一1 一d 卜1 7 如果在开关管的下个周期之前，磁芯中的磁通完全释放为零，就称升压式电 路工作在电流断续模式( d c m ) 。在这种情况下，电流和电压的波形如下图所示： 开 关 电 压 电 感 电 流 t 图2 - 6 升压式电路工作在d c m 模式时电流和电压的波形图 如果在开关管的下个周期之前，磁芯中的磁通还没有完全降为零，仍然留有 一部分剩磁，就称升压式电路工作在电流连续模式( c c m ) ，电流和电压的波形 如下图所示： 第二章：直流电压电路拓扑结构的选择 开 关 电 压 电 感 电 流 t 图2 7 升压式电路工作在c c m 模式时电流和电压的波形图 2 2 3 反激式( 蟹1 y b a c k ) 电路拓扑特点和工作原理的分析艄6 j 在开关电源市场中，4 0 0 w 以下的电源大约占了市场的7 0 8 0 ，而其中反激 式电源又占大部分，几乎常见的消费类产品全是反激式电源。因为反激式电源可 以使用在宽电压范围输入，多组输出。对于我们要使用的f e d 的驱动电路来说， 我们不仅需要以市电为输入产生一个较高的电压加到f e d 上以激发场发射的产 生，同时由于作为显示器件，f e d 要求有变化的显示效果，因此我们还需要低压 输出以作为后续数字电路和模拟电路的电源电压来完成相应的控制操作。通过下 面的图2 8 和图2 9 和表2 1 ，我们可以看到，反激式电路使用在小功率，高电压， 多路输出的应用领域是一个最好的选择，所以说我们的要求与反激电路的性能特 点是不谋而合的；而且当脉宽调制控制芯片产生开关脉冲对功率晶体管的关断和 开通进行控制时，由于有变压器的存在而出现了匝数比的关系( 详见第三章变压 器) ，加上变压器后不仅实现了输入与输出的电隔离、多组输出，并且使输出电压 不受输入电压高低的限制。因此对于我们需要设计的纳米金刚石场发射阴极工艺 的f e d 驱动电路开关电源的拓扑结构，我们选用以反激式变换器为主要拓扑结构 的开关电源来承担高电压和低电压的产生。 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石糟涂层的场发射显示器驱动电路的设计 1 0 ；3 渤 0 2 1 1o i 。2 1 l 。；3 图2 8 三种拓扑电路工作的输出电压与输出功率的比较【2 5 】 表2 1 各种电路变换器的功率选择表 功率 1 0 01 0 0 3 0 0 3 0 0 1 0 0 01 0 0 0 3 0 0 03 0 0 0 单相反激变换器 单相正激变换器 半桥变换器 全桥变换器 推挽变换器 第二章：直流电压电路拓扑结构的选择 电路 电路拓扑结构( ) 特性 反激式正激式推挽 电路复杂度 + o 元件数目 + o 驱动电路 +o 纹被 o + 变压器尺寸 o + 主次隔离 + + 大功率 q + 高压 + oo 多路输出 + oo n o l e 1 + = 功熊较好：缪= 功能平均：o 瓮功能较差 图2 9 三种拓扑电路的参数的比较 g n d 图2 1 0 单管反激式变换器电路的基本电路拓扑形式 如图2 - 1 0 所示，反激式变换器电路用一个反激式变压器( f b t - f l y b a c k t r a i l s f o n n e r ) 来代替升压式电路中的电感。对于变压器来说，电流和电压的变化 西北大学硕士学位论文；纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 彤式；i = 口升j 盘式电路甲阳电感阴父化仃式足一样的。 当功率晶体管导通时，由式( 2 1 ) 可得： 。鲁叱j k = 鬟 ( 2 _ s ) 当功率晶体管关断时： 鲁= 等kj = 若等圪 陋s ， 将式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 合并后，我们可以得到： 忙等铲圪j k = 等+ 南+ ( 2 - ，) 另外可以用电流脉动系数k 。来定量描述开关电源的电路工作模式，萁示意 图和表达式如下： t 啡 f l 稍 l 垴2 彘jm l ? i 一卢一一 一i 删 2 彘 图2 1 1 电流脉动系数k r f 的示意图1 2 3 0 6 】 b = 鲁 ( 2 - 8 ) - 1 d 喈 式( 2 8 ) 中i p k 是流过功率晶体管的峰值电流，而= ，。一，m 。k 肿的取 值范围是0 1 o ，若取，= ，。，即电流脉动系数为1 ，则开关电源就设定在电流 断续模式( d c m ) 。当电流脉动系数小于1 时，开关电源就被设定在电流连续模 式( c c m ) 。实际上断续和连续模式之间并无严格的界限，而是存在一个过渡过 1 4 第二章：直流电压电路拓扑结构的选择 程，对于给定的交流输入范围，电流脉动系数小，意味着电流连续的工作模式和 较大的初级电感量，并且初级的i 咄和电流的有效值较小，反之电路就会工作在电 流连续程度较差的工作状态，同时初级电感量较小，而i p k 和电流的有效值较大。 表2 2 反激式变换器电路d c m 模式和c c m 模式的优缺点 工作模式 d c mc c m 1 响应快 2 没有右半平面极点的问题，比较 容易反馈补偿，次级可以使用要 1 较低的峰值电流 优点求不是很高的快速恢复二极管2 较低的瞬态输出电压 3 变压器尺寸小3 较高的输出电流 4 整流二极管在反偏时电流为零， 开关工作条件好 1 较高的电容纹波电流 1 要求较大的变压器( 避免磁饱和) 缺点 2 较高的二极管峰值电流 2 e m i 效果不好 3 反馈回路难于稳定 3 较高的场效应管电流 4 开关损耗 由此可见，当反激式电路工作在d c m 模式时，适用于高电压和小电流的应用 领域；相反c c m 模式适用于低电压和大电流的应用领域，因此我们设计的反激 式变换器电路的工作模式选择在d c m 模式或者是d c m 和c c m 模式的交界处。 但同时由于d c m 模式的占空比不仅和电路的输入输出电压有关( 详见第三章) 而且和电路的负载有关，这使得变压器和电路的设计变得相当复杂，所以一般让 电路工作在c c m 和d c m 的临界状态，这样既能使电路有最小的输入电压和最大 的输出负载，同时减小了功率晶体管的导通损耗。 另外在脉宽调制开关变换器( p w m ) 中引入电流模式控制可以大大减小电路 在电流连续模式和电路断续模式的转换，但是在电流连续模式下，由于传递函数 的“右半平面零点”问题，则电流模式不能消除固有的不稳定问题，所以变压器 通常选用电流断续模式来进行设计。 综合以上的内容，我们对所需要设计的直流电压产生电路的电路拓扑结构设 定如下：通过使用工作在d c m 和c c m 临界状态模式下的反激式变换器电路来产 生高电压和低电压以满足我们驱动f e d 的要求。 第三章；反激式电路的设计 第三章反激式电路的设计 3 1 反激式电路整体电路框图 本系统以高低压变压器为核心设计电路，如图3 1 所示，分为连续可调高压 产生电路和稳定低压产生电路。电源的输入为标准范围的2 2 0 v 工频交流市电， 在进行了e m i 共模线圈滤波后，通过整流桥和电容整流滤波，得到直流电。然后 将直流电分别接入高压变压器和低压变压器，通过p w m 控制电路( u c 3 8 4 2 及外 围电路和i 7 b e 3 0 ) 斩成直流脉冲，分别升压和降压；对输出的高压经高压电阻 分压后反馈回高压p w m 控制电路，以得到稳定的电压，并通过在反馈回路中调 整电压的比较关系来完成电压的调整；对输出的低压经稳压集成电路( 7 8 x x ) 后 得到稳定电压用于高压反馈电路中电源供应电压和提供后续控制集成电路的电源 电压。 臣畸图厮司 e 尹 盎，直流稳定 电压 曲直韶调 图3 1 反激式电路整体电路框图 3 2 反激式变压器的设计 反激开关电源电路的变压器实质上是一个耦合电感，它承担着储能、变压、 传递能量等工作，因此在反激开关电源中占据着核心的位置【2 7 1 。下面将重点分析 了反激变压器的占空比d 、最大峰值电流等参数对变压器整体性能的影响，以确 定变压器合适的工作点范围。 西北大学硕士学位论文t 纳米金剐石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 3 - 2 1 高压变压器和低压变压嚣参数的确定 从我们所需要的驱动f e d 产生场发射的参数可以得到电路的一个粗略的要 求：电路输入电源电压范围是标准市电8 5 2 6 5 v ，交流市电的输入频率为5 0 h z ， 用于驱动f e d 屏的输出电路的输出电压、b u t 的变化范围是1 0 0 0 v - 3 0 0 0 v 可调整 的连续值，以达到驱动不同的电压要求的f e d 屏的指标。 从上面的要求看来，对于整个系统来说，由于用于驱动f e d 屏的输出电压需 要可调，因此不能将输出高电压和驱动后续的数字和模拟电路的稳定直流电压通 过同一个变压器来产生，而应该另有一组辅助电源以提供所需要的电能；也就是 说交流电的输入一路经全桥整流滤波后接能够产生可调的高压的变换器上，另一 路接一个辅助电源以产生稳定的直流电压。这个辅助电源可以是开关电源，也可 以是模拟电源( 用铁芯变压器降压，整流滤波后接7 8 x x 等集成稳压电路) 。 对于f e d 屏来说，要想得到可变的显示效果，最简单的方式是通过构成点阵 式显示电路来完成，这是就需要外围的集成电路来控制高压开关完成电路的选通， 这一点类似于点阵式液晶显示器的工作原理，只不过需要高电压的隔离。我们可 以选择相应的控制芯片来完成这一部分的控制功能，可以使用简单的单片机，也 可以使用在文献2 9 中提到的c p l d m a x 7 0 0 0 系列来控制电路的高压输出而完成 点阵控制，通过查m a x 7 0 0 0 系列芯片的d a t as h e c t 【3 0 1 ，m a ) ( 7 0 0 0 系列f p g a 有3 3 5 v 的工作电压。 而为了改变高压输出波形的占空比以调整电路的输出电压的大小，这就要求 我们将输出电路的高压信号接到反馈电路来并将反馈信号送回到p w m 芯片来调 整占空比。而反馈电路中包括三端稳压二极管t l 4 3 l 和光耦p c 8 1 7 ，从d a t a s h e e t 【3 l ，”j 中可以查到t 1 4 3 l 的参考电压v 。尸2 5 v ，p c 8 1 7 二极管部分工作电压 1 2 v ，考虑到t 1 4 3 1 和光耦p c 8 1 7 所需要的电压，加到这些元件上的电压要在3 v 以 上，才能有效驱动这两个元件完成电路的反馈。考虑一定量的电路裕量、各种类 型的数字和模拟集成电路模块的供电电压以及电路中的放大器的供电电压，将辅 助电源的最终输出电压设定为5 v 2 4 v ( 双路输出) 。电路中是将变压器的输出经 过7 8 0 5 7 8 2 4 稳压模块后从而得到稳定的直流电压5 v ，2 4 v ，但是考虑到输入电源的 波动( 一般为l o ) 以及稳压模块的压差问题，变压器的输出电压需要产生8 v 2 8 v 第三章：反激式电路的设计 来驱动后续的电路。但是不可避免的是在加上7 8 x x 等稳压电路后，必然就造成电 路的一部分功率白白浪费在稳压电路上，因此电路的效率问题值得注意。 对于开关电源来说，其p w m 芯片输出给功率晶体管的控制脉冲的频率不宜 太低，否则会造成变压器噪声的反向干扰，由资料【2 5 1 可以得到一般的开关频率的 下限是2 0 k h z ，而在实际中其开关频率的上限是大于1 m h z 的。因此在考虑以上 因素和节省材料的因素后，我们选定电路的开关频率为1 0 0 k h z ，那么由u c 3 8 4 2 资料【3 3 】可得到提供p w m 芯片的震荡频率的r c 值的经验公式为： 17 ， ，2 嵩j 辟+ g = 1 7 2 s ( 3 - 1 ) j - 、 a y 、 - 誓 i t o 5 4 燃 1 j。i1 |?f。|f l | 。i。1| j。ft 1 0 0 1 k 1 0 k1 k 1 m 频率h z ) 图3 - 2u c 3 8 4 2 芯片震荡频率与电阻电容的相互关系 因此用以上公式和u c 3 8 4 2 电路的振荡频率选择图，我们选定r t = 5 3 k q ( 具 体选值为5 1 kq ) ，c t = 3 3 i l f 。 3 2 - 2 高压变压器参数的计算1 9 趣2 2 ，2 5 挪舢7 】 ( 1 ) 对于有高电压输出反激电路的系统效率设定为：8 0 ( 初期目标) ，开 关频率1 0 0 k h z ，输出功率5 0 w ，电路输出电流设定为1 5 m a ，在高压输出部分的 分压电阻上的功耗为3 0 0 0 v + 1 i n a = 3 w 。 ( 2 ) 确定变压器的直流输入电容和直流电压的范围： 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 电路输入的电源电压范围是8 5 - 2 6 5 v ( 通用标准) ，那么可以从下列公式得到 变压器v i n d 。的范围： 矿一瓦了弋 丽 一2 j 2 y n ) l 群 ( 3 2 ) 。一= 压屹。 ( 3 3 ) 在上式中，d 。h 为电容充放电占空比，一般为o 2 ，其意义如下图所示： 图3 3d c h 不慈图 c d 。为直流整流桥输出后接入的滤波电容，单位为f ，一般对于普通标准的电 源( 有效值为8 5 2 6 5 v ) 来说，其电容的单位数值为2 3uf w ；对于欧洲电源标 准( 有效值1 9 5 2 6 5 v ) 来说，其电容的单位数值是1uf w ，在这里，我们取其 值为3 “f w + 5 0 w = 1 5 0uf ( 实际中加上低压变压器的输入电容，最后取为2 + 1 0 0 uf ，4 5 0 v ) 。 岛为输入的交流电的频率，单位是h z 。 将上述数值代入式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 可以得到： k ，。= z + s s 2 一；薹糕“s s z 矿 圪女一= 2 + 2 6 5z 3 7 4 8 矿 ( 3 ) 确定电路的最大占空比： 在反激变压器中，副边反射电压v f 与输入电压之和不能超过功率开关管( 单 管反激) 的耐压v d s ，同时还要有一定的裕量v 。以保证漏感产生的电压尖峰和开 机的前几个周期里场效应管上所加的电压比较高而不会对功率晶体管造成损伤。 反激电压和开关功率晶体管的关系由下式来确定： = 吃一k ，。一( 3 4 ) 在上式中，v d s 的值是由选定的开关功率晶体管的最大的耐压值所决定的， v x 是设定的裕量，先设置为1 5 0 v ，而v 。d 。的值是3 7 4 8 v 。 v f 值不能够随意设定，应该根据工作电压的范围来确定。对于工作电压范围 2 0 第三章：反激式电路的设计 宽的情况，反激式变压器应该在最低电压输入时保证输出电压满足工作的要求， 达到足够的输出功率。 对于电压型p w m 控制芯片v f 的计算，从资料口6 1 中我们可以得到下表： 表3 一l 电压型控制芯片对应的电路参数的选择 对于我们设计的驱动电路来说，从输入电源的指标上看，我们需要选择电路 的反射电压是1 3 5 v 。那么，从式( 3 4 ) 中我们得到了场效应管的最大耐压值为 1 3 5 + 3 7 4 8 + 1 5 0 = 6 5 9 8 v ，我们取最大耐压v d s 为8 0 0 v 的场效应管i r f b e 3 0 【3 5 1 作 为电路的开关功率晶体管。 由式( 2 7 ) 我们可以得到电路的反激电压和输出电压的关系与原、副边的匝 比之间的关系如下式： 丝：堡 f 3 - 5 、 札圪。+ m 、 在确定了电路的反激电压之后，就可以确定变压器原、副边的匝比了。从第 二章的反激变换器电路的工作原理可以得到，在一个工作周期中，当开关管开通 时，原边相当于一个电感，电感上的两端加上电压后其电流值不会突变，而是以 式( 2 1 ) 的趋势“线性”上升，同样在开关管关断时，原边的电感又会放电，电 感电流会下降，在经历了一个周期后电流的值会恢复到原来的值，那么由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 演变可以得到： k ：玉：竺鱼 1 l pl p 用d = 乙r 替换上式中的t 。和t o 圩可以得到反激电压的最大占空比出现在 输入为最低电压、最大输出功率的状态，也就是下式： 女。+ d 。= + ( 1 一d 二。)( 3 7 ) 最后可以得到最大占空比d 。和v f 及v i n d 。h 的关系： d m 。= ，( + p k 。) ( 3 - 8 ) 于是我们将相关的参数v f 和v i n d 。i 。代入上式，可以得到： d i m 缸= 1 3 5 “1 3 5 + 8 8 2 ) = o 6 对于电流型p w m 控制芯片v f 的计算，首先由资料【2 3 】设定d m a x 为0 4 5 o 5 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石粉涂层的场发射显示器驱动电路的设计 之间，我们选定d m a ) 【= o 4 8 。之所以设定最大占空比的数值小于o 5 ，是因为对于 t o p 系列电压型控制型芯片，其占空比超过百分之五十是问题不大的，但是对于 电流型控制的芯片如u c 3 8 4 系列来说，当占空比超过百分之五十的时候，斜坡补 偿会有很大难度，电路会产生振荡m 】。由式( 3 8 ) 可以得到下式： 。= 案音 p ， 由此可见，要求的最大占空比越高，v f 的取值就大。反之，工作电压范围小， 要求的占空比小，v f 可取小值。 将以上的相关数值代入公式后可以得到反射电