（微电子学与固体电子学专业论文）dcmcpm型白光led驱动芯片设计.pdf

d c m c p m 型白光l e d 驱动芯片设计 摘要 白光l e d 是节能、环保、高效、长寿命的国际公认的下一代照明光源。白 光l e d 已成为小型彩色l c d 背光照明的最佳选择。随着白光l e d 技术的成熟， 它将被更广泛地应用到各个领域。与传统光源不同，白光l e d 需要专用的驱动 芯片才能使其高效持续地工作。 本次课题研究紧密结合市场动态的发展，设计了一款应用于白光l e d 背光 驱动的d c m c p m 型白光l e d 驱动芯片，该驱动芯片输出电流可调，工作在 1 2 m h z 的固定频率下，最多可驱动4 个串联的白光l e d 和提供可调的电流来 控制亮度和色纯度，此芯片具有过流限制保护、电流检测和开负载保护等功能。 本文首先完成了d c m c p m 型驱动电路的建模，然后对各个主要模块电路进行 了设计与分析，例如振荡器、带隙基准源、电流检测放大器、误差放大器、p w m 比较器、过流保护比较器等模块。 在完成原理分析和电路设计的基础上，用e d a 软件c a d e n c es p e c t r e 对各 个子电路模块和整体电路进行了功能仿真，仿真结果均达到预定指标，验证了 设计理论，说明本文设计的d c m c p m 型白光l e d 驱动芯片具有良好的性能。 另外，整个环路是单极点系统，因此不需要补偿电路就能够保证系统的稳定性。 关键词：白光l e dd c m c p m升压式d c ，d c 变换器脉冲宽度调制 空 间状态平均法 d e s i g no fd c m - - c p m w h i t el e d d r i v e r a b s t r a c t w h i t el e di sn o wr e g a r d e da st h en e x tg e n e r a t i o no fl i g h ts o u r c eb e c a u s eo f i t sp o w e rs a v i n g ，h i g he f f i c i e n c y ，l o n gl i f e 。l o wp o l l u t i o na n dl o wr a d i o a c t i v i t y 。 w h i t el e di sb e c o m et h eb e s ts e l e c t i o nf o rs m a l lc o l o rl c db a c k l i g h t i n g w i t ht h e m a t u r a t i n go fw h i t el e dt e c h n o l o g y ，i tw i l lb ea p p l i e di nm a n yf i e l d s d i f f e r e n t f r o mt h et r a d i t i o n a ls o u r c e as p e c i a ld r i v e ri ci sn e e d e df o rt h ew h i t el e dt o m a i n t a i ni t sn o r m a lw o r k i n gs t a t u s w i t ha ne y et ot h er a p i dm a r k e td e v e l o p m e n t ，w ed e s i g ni nt h i sp a p e ra d c m c p m w h i t el e dd r i v e rw h i c hi sa p p l i e dt ow h i t el e db a c k l i g h td r i v i n g w i t ha d j u s t a b l eo u t p u tc u r r e n t i tw o r k sa taf i x e df r e q u e n c y ，d r i v eu pt of o u rw h i t e l e ds e r i e sa n dp r o v i d ea d j u s t a b l ec u r r e n tt oc o n t r o lb r i g h t n e s sa n dc o l o rp u r i t y t h i sd r i v e ri sf e a t u r e db yo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ，c u r r e n td e t e c t i o na n do p e n l o a d p r o t e c t i o nf e a t u r e s t h i sp a p e rf i r s tc o m p l e t e sd c m - c p md r i v e rm o d e l i n g ，t h e n d e s i g n sa n da n a l y s e se a c ho ft h em a j o rm o d u l e so ft h ec i r c u i t f o re x a m p l e ， o s c i l l a t o r ，b a n d - g a pr e f e r e n c es o u r c e ，t h ec u r r e n td e t e c t i o na m p l i f i e r ，t h ee r r o r a m p l i f i e r 。p w mc o m p a r a t o r ，o v e r c u r r e n tc o m p a r a t o rm o d u l ea n ds oo n ， b a s e do nt h ea n a l y s i so fc i r c u i tt h e o r ya n dt h ec i r c u i tt o p o l o g y ，e v e r ym o d u l e a n dt h ee n t i r ec i r c u i ta r es i m u l a t e db yt h ec a d e n c es p e c t r et 0 0 1 t h es i m u l a t i o n r e s u l tn o to n l ym e e t sw i t ht h et a r g e t s p e c i f i c a t i o n ，b u ta l s ov e r i f i e st h ed e s i g n ， w h i c hd e m o n s t r a t e st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fw h i t el e dd r i v e ri cr e a l i z e db y c u r r e n t - m o d ed c d cc o n v e r t e rt e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，t h el o o pi sas i n g l ep o l a r s y s t e ma n dt h ew h o l ec i r c u i ti ss os t a b l et h a tr i oc o m p e n s a t i o nc i r c u i ti sn e e d e d k e y w o r d s ：w h i t el e d ；d c m - c p m ；b o o s td c d cc o n v e r t e r ；p w m ；s p a c e s t a t ea v e r a g e 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 _ 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图目录 白光l e d 正向伏安曲线图2 串联驱动连接方式6 并联驱动连接方式6 混连驱动连接方式7 l d o 的基本结构图8 升压式开关电容结构8 升压型电感式d c d c 变换器原理图一9 b u c k 变换器工作原理9 反转形电感式d c d c 变换器的原理图1 0 电压型p w m 调制原理图1 1 电流型p w m 调制原理图1 l 断续导电模式下驱动信号、电感电流与电压波形示意图1 4 b o o s t 型开关变换器结构图1 5 电感电流波形图1 5 电压变换器的频率传输特性2 1 反馈电压检测电路2 2 电感电流检测电路2 2 p w m 比较器2 3 芯片内部结构图2 4 芯片的典型应用图2 6 使用d c 信号来控制l e d 的亮度2 7 使用p w m 信号来控制l e d 的亮度2 7 使用逻辑信号来控制l e d 的亮度2 8 采用一个p w m 信号至使能引脚2 8 s h d n 模块2 9 反馈系统示意图2 9 振荡系统随时间的演变图2 9 振荡反馈的各种样式3 0 本设计中的环形振荡器3 l r s 触发器与振荡器的输出连接方式3 1 振荡器的输出波形3 l 环形振荡器电流偏置电路3 2 振荡器的输出波形3 4 p t a t 电压产生电路3 5 图5 1 1 图5 1 2 图5 - 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 2 8 图5 2 9 图5 3 0 图5 3 1 图6 - 1 图6 2 图6 3 图6 4 与温度无关的电压产生的原理3 6 图5 1 1 所示原理的实际电路3 7 低压基准源的核心电路3 7 基准源中的启动电路和放大器电路3 8 基准源总体电路3 9 基准电流随温度变化曲线3 9 基准电流随输入电压变化曲线4 0 采样电路的形式4 1 电流检测放大器示意图4 1 加入补偿后的完整电路4 2 电流检测放大器相位和增益的仿真结果4 2 误差放大器的电路结构图4 3 a 1 模块的实际电路示意图4 4 误差放大器的相位和增益曲线4 4 p w m 比较器的电路结构图4 5 p w m 比较器的增益仿真结果4 5 过流保护比较器的电路结构图4 6 过流保护比较器的负端偏置电路4 6 过流保护比较器的增益仿真结果图4 7 数字逻辑模块。 功率m o s f e t 驱动模块4 8 芯片上电启动波形4 9 输出纹波电压，功率m o s f e t 电流，电感电流波形4 9 线性调整特性仿真曲线5 0 负载调整特性仿真曲线5 0 表4 1 芯片管脚描述 表7 1各模块及芯片整体功耗 表目录 ：1 6 ! i 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， 也不包含为获得合肥工业大学 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 学位论文作者签毛扫珂签字醐吲年 学位论文版权使用授权书 l 胡2 轴 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大 学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) 名：栖坷 签字日期渊年l z 哆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：矿j 年，月0 日 电话： 邮编： 致谢 在本论文完成之际，回首在合肥工业大学度过的几年岁月，感受万千，受 益良多。师长学友的点滴教诲和丝丝关怀，让我铭记在心。 首先要感谢我的导师解光军教授的悉心指导。解老师敏锐的洞察力、渊博 的知识、严谨和开明的治学态度、一丝不苟的工作作风和先进的管理理念将使 我一生受益。 科研是一个团队性的工作，因此我的课题研究得以顺利进行也要同时感谢 实验室其他同学的关心和帮助，感谢我的同窗肖晗、张昌璇、邹和仕、汪明亮、 张晓明、程心、王坚良等，因为有你们，我的实验室生活才能这样的顺利。同 时也要感谢整个实验室的其他老师和同学，和你们的交流开拓了我的科研视野， 也成为了我科研生活重要的组成部分。 最后，衷心感谢我的父母，他们在我的生活和成长方面倾尽心血，尊重我 的个人选择，一直默默地支持我的成长道路，今后我要以出色的表现来回报家 人! 作者：杨珂 2 0 0 7 年1 1 月 第一章引言 白光l e d 是国际公认的下一代照明源。随着白光l e d 技术的不断成熟， 开发高效、稳定的白光l e d 驱动芯片势在必行。白光l e d 将逐步取代传统的 照明源，因此白光l e d 驱动芯片也将有着越来越广泛的应用前景。另一方面， 从技术角度来看，白光l e d 驱动电路属于电源管理芯片的范畴，但是它和传统 的电源管理类芯片在技术指标上又有所不同。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，这些对驱动电路 的设计者来说都是较大的挑战。同时我们可以看到，虽然白光l e d 以及驱动芯 片具有诱人的发展趋势和非常好的产业化前景，但目前绝大部分驱动芯片的生 产销售主动权仍然掌握在国外公司手中。设计研制具有自主产权的该类芯片， 追赶l e d 以及驱动芯片的技术潮流，是摆在国内微电子行业设计者面前的一个 迫切任务。 发光二极管( l e d ) 是p n 结型半导体，它具有小型、抗震、坚固、寿命长、 不易发热、低耗电量且功能稳定等特性，利用白光l e d 作为照明光源，恰好具 有节能、高效、寿命长、环境污染小、无辐射等等优点，因此成为国际公认的 下一代照明光源。有人断言，高亮度l e d 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后， 最伟大的发明之一。无论这种说法是否准确，高亮度白光l e d 的出现的确给人 类照明带来美好的希望。传统的白炽灯在2 0 世纪初就己经批量生产，随后又出 现了荧光灯等光源，但是此后半个世纪，一直没有出现能够替代这些传统光源 的理想光源。由于传统光源能耗高、效率差、环境污染严重，显然不符合当前 节能、环保的主题，因此近几年以来，工程界一直在寻求能够完全替代传统光 源的新型光源。随着高亮度、高功率白光l e d 的实用化，l e d 的应用范围日益 广泛，在照明市场上的发展潜力很大。功率可达数瓦的高功率白光l e d 与传统 的白炽灯泡或荧光灯相比，具有体积小、耗电少、发热量低、使用寿命长及环保 等优点，成为照明灯的新秀。而高亮度白光l e d 的应用目前以手机、p d a 和数 码相机为主，手机与p d a 的彩色液晶显示屏的背光源以及照相功能手机上配备 的闪光灯都在使用白光l e d 。目前有两种基本的l c d 技术来显示彩色，分别 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。因为背光光谱包含了所有颜色，而显示器的滤色镜会从白光光谱中挑选所 需的颜色，如果光谱不是完全白光，色彩便会失真扭曲，显示也会变得混浊。 1 1 白光l e d 电学伏安特性介绍 对于白光l e d 驱动芯片的开发，我们最关心的是其电学特性，这对开发高 效率的白光l e d 驱动芯片非常重要。例如正向伏安特性、温度特性、色温和光 功率随电流的变化，其中最主要的是白光l e d 的正向伏安特性曲线。白光l e d 的正向伏安特性曲线如图1 1 所示 图1 1 白光l e d 正向伏安曲线图 从图1 1 中我们可以了解到若干在设计白光l e d 驱动芯片时必须考虑和处 理的问题如下： 1 白光l e d 的正向导通电压在3 3 v 以上，而对于采用普通电池为电源的 设备，则需要开发适当的升压型芯片作为白光l e d 的驱动。 2 在大于导通电压的区域内，伏安特性曲线变化剧烈。因此对于以普通锂 电池为电源的设备中，由于锂电池的电压会在3 3 v 到4 6 v 之间变化，需要开 发适当的稳压芯片来驱动白光l e d 。 3 可以看到白光l e d 之间的特性曲线有显著的差异，因此对于多个白光 l e d 组成的光源，若要保证每个光源产生同样的亮度，那么就要开发适当的恒 流驱动，采用串连驱动的方式来驱动白光l e d 。 白光l e d 随着发光效率的增加，在照明领域的应用也成为可能。据国际 权威机构预测，随着高亮度白光l e d 的出现，2 1 世纪将进入以l e d 为代表的 新型照明光源时代，被称为第四代新光源。目前的照明工具主要分为荧光灯、 白炽灯及白光l e d 。与现行的前两种照明光源相比，白光l e d 作为新型的半 导体照明光源，有诸多优剧2 l ：例如转换效率高、发热量低( 没有辐射) 、耗电 量小、寿命长达1 0 万小时、反应速度快( 可在高频操作) 、环保( 耐震、耐冲 击不易破、废弃物可回收，无污染) 、体积小( 多颗、多种组合) 、易开发成轻 薄短小产品。目前商品化的白光l e d 发光效率己达到2 5 3 0 1 m w , 虽然仍落后 于荧光灯，但已超过白炽灯的发光效率1 5 1 m w ，且以白光l e d 发展进程来看， 3 5 年内可达8 0 1 m w , 已被公认为2 1 世纪最具有潜力之环保照明光源。随着手 持设备的广泛应用，电源管理系统已成为当前集成电路产业发展中的一个热点， 是一个必不可缺的技术。没有电源管理，许多市场都将不存在。电源管理使移 动电话、笔记本电脑、遥控电视、可靠的电话服务等许多市场成为现实。电源 电路的性能良好与否直接影响着整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。作为 电子产品中必不可少的器件之一，电源管理器件与整个电子工业的发展休戚相 关。电源管理电路根据结构不同可分为以下几类： 2 1 a c d c 离线变换器：a c d c 离线变换器内含低电压控制电路及高电压 开关晶体管。 2 功率因数校正( p f c ) 预调器：这些i c 提供具有功率因数校正功能的电源 输入电路。 3 脉宽调制调频调制( p w m p f m ) 控制器：p w m p f m 控制器为脉冲频率调 制和或脉冲宽度调制控制电路，用于驱动外部开关。p w m p f m 控制器与开关 变换器之间的区别是：控制器驱动外部开关任e t ) ，而变换器将开关集成到内 部。 4 d c d c 变换器：它们包括升压降压变换器，以及电荷泵。 5 线性变换器：线性变换器包括正向和负向变换器，以及低压降l d o 变换 器。 6 电池充电管理i c ：包括电池充电、保护及电量显示i c ，以及可进行电 池数据通讯的“智能”电池i c 。 本文设计了一种电流型p w m 调制的升压式d c d c 变换器，在后面的章节 将要详细介绍。 1 2 白光l e d 的组合方式 根据l e d 的发光原理，为了让它发白光，工艺上必须由两种以上互补光混 合而成，经过近1 0 年的发展，常用来形成白光l e d 的组合方式有三种p j ： ( 1 ) 蓝色l e d 与y a g 黄色荧光粉之组合。此种组合的制作简易，成本 最低而效率最高，但此类l e d 的最大缺点就是显色指数偏低，最大仅达到8 3 左右；发光效率也不高，仅为1 5 - 2 0 1 m w , 且在高电流操作下，色温升高较为严 重。 ( 2 ) 红、绿、蓝三色l e d 组合。此种组合具有较高的发光效率且色温容 易调整，但因使用三个l e d 晶粒，且因个别单色l e d 材质差异较大，使驱动 电路的设计较为复杂整体生产成本较高。 ( 3 ) u v l e d 与三基色荧光粉之组合。颜色的控制较容易，色彩均匀度 极佳，显色指数视混合的荧光粉数量和种类而定。其最大的缺点是发光效率偏 低，仅有第一种白光l e d 的一半。 1 3 白光l e d 的驱动电路原理和要求 1 3 1 白光l e d 的驱动电路原理 白光l e d 需要大约3 6 伏的供电电压才能实现合适的亮度控制。然而，大 多数掌上设备都采用锂离子电池作电源，它们在充满电之后约为4 2 伏，安全 放完电后约为2 8 伏，这样白光l e d 会具有不同的光强和色彩；其次，电池随 着使用，电压就递减，影响使用效果，特别当电池电压下降至其标称电压时， 光强减弱，白光间的差异变得更大；再次，随着电池彻底放电，部分l e d 将会 完全熄灭。显然白光l e d 不能由电池直接驱动，替代的解决方案是使用升压电 路，在需要时提高驱动的电压，从而在整个电池使用周期间内不间断地为l e d 稳定供电，来克服白光l e d 具有较高正向压降的问题，并且使用恒流型驱动 来减小由于l e d 间不一致性导致的亮度变化【”。 1 3 2 白光l e d 驱动器的要求 第一，为满足便携式产品的低电压供电，驱动器有升压功能，以满足1 3 节充电电池或1 节锂离子电池供电的要求，并要求工作到电池终止放电电压为 止；第二，驱动器有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的 时间间隔；第三，在多个l e d 并联使用时，要求各l e d 的电流相匹配，使亮 度均匀：第四，低功耗，静态电流小，并且有关闭控制，在关闭状态时一般耗 电小于l u a ；第五，l e d 的最大电流i l e d 可设定，使用过程中可调节( 亮度调 节) ；第六，有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路 或短路保护；第七，小尺寸封装，并要求外围元件少而小，使占印制板体积小； 第八，对其他电路干扰影响小；第九，使用方便，价位低【5 j 。 1 4 本文工作的意义 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 d c d c 变换器的需求将进一步扩大。而电流控制模式由于其具有更好的线性调 整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性得以明显改善，特别是其内在的 限流能力和并联均流能力可以使控制电路简单可靠，该技术在上世纪8 0 年代初 公开以后就受到广泛的重视。目前，小功率d c d c 变换器正从电压控制模式 向电流控制模式方向转化。 另外，近年来，手机不断更新换代，普及率越来越高，数码相机大有取代 传统相机之势，汽车上的白炽灯正逐步更换成l e d 灯，促使白光l e d 及其驱 动器的产量猛增。为满足不同输入电压、不同的输出电流及不同的l e d 数等要 求，各半导体器件公司纷纷开发出各种新型白光l e d 驱动器以满足市场的需 要。美国国家半导体公司便携式系统电源管理产品部副总裁p e t e rh e n r y 指出， 由于移动电话继续朝着多功能智能化的方向发展，因此预计发光二极管驱动器 的需求量会持续增加。例如，目前普通的移动电话一般只采用2 至4 颗发光二 极管驱动器，但功能更加丰富的双屏照相手机需要7 到9 颗发光二极管驱动器， 才可满足灯光方面的要求【6 】。电流控制型白光l e d 驱动电路因为线性调整率和 负载调整率非常好的优点成为目前设计的热点。 需要说明的是，白光l e d 驱动电路除可驱动白光l e d 外，它也可驱动蓝 色l e d 或其他颜色l e d 。另外，由于它具有稳定输出或可编程恒流输出的特 4 点，也可用作稳压电源或可编程恒流源。 本文设计了一款具有两个控制环路的d c m c p m 型白光l e d 驱动电路芯 片。该驱动电路适用于多种便携式设备。 1 5 本文工作简介 本文主要由以下各部分组成： 第一章：引言，介绍了白光l e d 的电学伏安特性、白光l e d 的组合方式 以及其驱动电路的原理和要求； 第二章：白光l e d 驱动电路的研究进展，介绍了白光l e d 驱动芯片的不 同分类方法，并重点讨论了不同电路拓扑结构的l e d 驱动芯片的工作原理； 第三章：主要介绍了空间状态平均法建模； 第四章：介绍了芯片总体结构和应用电路； 第五章：详细介绍了电路中各主要模块的设计与仿真； 第六章：电路的总体仿真； 第七章：结论。 第二章白光l e d 驱动电路的研究进展 2 1l e d 驱动芯片的不同分类 ( 1 ) 按照l e d 连接方式来划分，可以分为：串联驱动、并联驱动和混联 驱动。串联驱动可以保证流过每个l e d 电流相等，使得每个l e d 的亮度是一 致的；并联驱动应用在电源电压较为有限的场合；混联驱动用在驱动数量较多 的l e d 时，这种配置所需的外部元件最少。 串联驱动 由于l e d 亮度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流， 各个l e d 即可获得相同的亮度。图2 1 为串行连接的l e d ，并使用反馈电阻器 来控制l e d 电流。l e d 的正向电压各有不同，l e d 的串联可保证流经各l e d 的电流相同，即使得全部l e d 的亮度都是一致的。 图2 - 1 串联驱动连接方式 并联驱动 在电源电压较为有限的应用场合，多个l e d 只能以并联方式工作。图2 2 所示为并行连接的l e d 。这些并联模式的恒流驱动芯片使用限流电阻来检测 l e d 电流。电流可以利用反馈连接至l e d 的限流电阻进行调节一通常是配置 中的第一个l e d ，余下l e d 的限流电阻器会与第一个l e d 的电流进行匹配。 由于l e d 之间的正向电压各不相同，因此各l e d 之间存在着正向电流的匹配 度问题。 图2 2 并联驱动连接方式 混联驱动 混联是指混合的串联并联的驱动方式，如图2 3 所示。在驱动数量较多的 l e d 时宜采用混联的驱动方式。例如假设需要以同样电流驱动1 2 个白光l e d ， 6 据搜集到的驱动芯片资料，m a x1 9 4 8 是目前市场能并联驱动l e d 数量最多的 一款芯片，但最多也只能驱动8 个l e d ；若采用串联驱动方式，则需要4 0 v 以 上的电压来驱动1 2 个l e d 组成的l e d 串，这个高电压需求使得串联驱动器被 剔出理想解决方案之列。而混合的串联并联l e d 驱动方式能够满足要求。将 1 2 个l e d 分为两串，每个l e d 串联6 个l e d ，从而满足驱动1 2 个l e d 的要 求。如图2 3 所示。此外，这种配置所需的外部元件最少，因而成为最佳的驱 动数量较多l e d 的设计方案。 图2 - 3 混连驱动连接方式 ( 2 ) 从供电电压的高低可以将驱动器分成三类垆j ：第一，由电池供电，电 压一般低于5 v ，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光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；第二，由稳压电源或电瓶供电，如6 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v ( 或 更高) ，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；第三，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，主要用于驱动大功率白 光l e d 灯，采用降压式d c d c 转换器。 ( 3 ) 按照电路的拓扑结构来划分。可以分为：线性结构( l d o ) 、电容式 开关结构和电感式开关结构。采用l d o 式的驱动器是较少的，但它无须外围元 件及价位低是它的优点，其缺点是转换效率略低，并且电池往往不能用到终止 放电电压就要充电。过去认为有电感的升压式d c d c 转换器可输出较大的电 流。近年来，电荷泵式驱动器可输出的电流己从几百毫安上升到1 2 安培，并 且两者在转换效率上也不相上下，因此，这两种类型的驱动器的产量也差不多。 2 2 不同的电路拓扑结构的工作原理 2 2 1 线性结构( l d o ) 线性结构的优点是成本低、封装小、外围器件少，缺点是在某些应用条件 下效率低、而且只能完成降压的功能。它的基本组成部分包括：基准电压源、 电压误差放大器、p m o s 调整管、比例电阻r 1 和r 2 。通常l d o 电路中还有过 温保护电路，当温度高于一定的值时自动关断。当v o u t 值过高时，a 点电压上 升，从而b 点电压也上升，因此流过r l 和r 2 的电流会下降，所以v 值会下降。 7 l d o 的基本结构图如图2 4 7 1 。 v 叽 图2 4l d 0 的基本结构图 2 2 2 电容式开关结构 这种驱动电路是采用泵式电容器( 电荷泵) 来实现d c d c 转换功能的变 换器，其无需电感元件，只需电容作为储能元件，通过改变电荷泵的拓扑结构 来实现升压、降压和反转电压功能。其工作频率高、体积小、重量轻、效率高、 电磁干扰少，其缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力。 升压式开关电容变换器电路中的模块有：开关阵列、逻辑电路和比较器。 其结构如图2 5 所示【8 】： v i - s h d n 图2 - 5 升压式开关电容结构 一开始，s 2 和s 3 闭合，s l 和s 4 断开，v i n 对电容充电至v d d ，然后s l 和 s 4 闭合，s 2 和s 3 断开，电容器的上极板作为输出，这样，v o u t = 2 v d d 。图中的 控制器是根据输出电压的大小来控制开关的断开和闭合。 相关产品例如凌特公司的l t c 3 2 1 5 是一种低噪声、大电流电荷泵式d c d c 变换器，用于驱动大电流白色l e d 。该器件主要特点：根据工作条件自动改变 升压模式( 不升压、倍压或两倍压) ；超低压差i l e d 电流控制；输出电流可达 7 0 0 m a 。 美国美信公司m a x 8 6 3 0 y m a x 8 6 3 0 z 电荷泵能够以总计1 2 5 m a 的恒定电 流驱动最多5 个白色l e d ：m a x l 5 7 5 、m a x l 5 8 3 、m a x l 5 7 4 、m a x l 5 7 0 等都 是电荷泵式驱动器；另外m a x l 5 7 8 m a x l 5 7 9 提供4 路调节输出，高效率的电 感式升压转换器以恒定电流驱动多达8 个用于背光的串联白色l e d ；c a t a l y s t 半导体公司的c a t 3 6 0 4 也是四路调节的电荷泵驱动器。 2 2 3 电感式开关结构 基于不同的外围拓扑结构，电感式开关结构可以分为升压型电感式d c d c 变换器、降压型电感式d c d c 变换器和反转型电感式d c d c 变换器。升压型 电感式d c d c 变换器的原理图如图2 - 6 。当开关s 闭合时，电源给电感充电， 当开关断开时，电感流过续流二极管构成的电流环路对输出端的电容进行充电。 v h s l 一侧 v r 图2 - 6 升压型电感式d c d c 变换器原理图 m a x l5 8 2 是m a x i m 推出的2 6 v 、高效升压转换器，能够以恒定电流驱动 6 只串联白色l e d ，m a x l 5 8 2 利用1 m h z 、电流模式p w m 控制结构。 c a t a l y s t 半导体公司的c a t 3 7 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 2 m h z 的固定频率下时，c a t 3 7 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。c a t 3 7 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。外部电阻r l 控制输出电流的电平。 2 v 7 v 的宽电源电压输入范围内可支持高达4 0 m a 的l e d 电流，使c a t 3 7 理想地用于电池供电的应用中。高压输出级可驱动多达4 个串联的白色l e d 。 串联驱动提供固有的电流匹配。c a t 3 7 可以通过d c 电压、逻辑信号或脉宽调 制( p w m ) 信号来控制l e d 的亮度。 降压型电感式d c d c 变换器的原理图如下： r 图2 7b u c k 变换器工作原理 9 开关s 的通断由调制器提供的方波控制，通过改变方波的占空比可以改变 开关通断时间。当开关s 闭合时( 图2 7 上图) ，二极管d 两端电压反相，二极 管截止，此时由电源对电感l 进行充电，负载r 和电容c 上的电流由电源提供， 电感上的电流逐渐变大。当滤波电容足够大的时候，可认为电感两端电压固定， 电感电流呈线性，其斜率为d i d t = ( v i 。v 。) l 。当开关s 打开时( 图2 7 下图) ， 二极管d 导通，设d 为理想，那么d 的负端电压为零，由于电感两端电势差 为负，此时电感上的电流减少，由电容和电感共同对负载提供电流，电感上电 流的变化率为：d i d t = 一v 。l 。 反转形电感式d c d c 变换器的原理图如下： sd r r 图2 - 8 反转形电感式d c d c 变换器的原理图 开关s 的通断同样由调制器提供的方波控制。当开关s 闭合时( 图2 8 上图) ， 二极管d 两端电压反相，二极管截止。此时由电源对电感l 进行充电，负载r 上的电流由电容c 提供，电感上的电流逐渐变大。当滤波电容足够大时，可认 为电感两端电压固定，电感电流呈线性，其斜率为d i d t = v j 。l 。当开关s 断开 时( 图2 8 下图) ，二极管d 导通，由于电感两端电势差为负，电感上的电流减 少，此时由电容和电感共同对负载提供电流，电感上电流的变化率d i d t = v 。l 。 在电感式开关结构中，需加入一个负反馈调制器来稳定输出电压，调制控 制技术包括i9 】：p w m 调制( 脉冲频率调制) ，这种方式采用恒定开关频率来改 变导通脉冲宽度，即通过改变t o n 或t o f f 来改变导通比；p f m 调制( 脉冲频率 调制) ，这种方式是保持t o n 恒定，通过开关频率或开关周期的改变来改变导通 比。这种控制方式要求滤波电路能适应较宽的频段；混合调制方式，即p w m 和p f m 的混合，是开关频率与导通或关断时间都改变的调制方式。其中p w m 调制又可以分为电压型p w m 调制和电流型p w m 调制。 ( 1 ) 电压型p w m 调制原理。通过调整开关的占空比，可以达到稳定输出电 压的目的。电压型p w m 调制的原理图如图2 - 9 。其工作原理简单描述如下：其 中v r e f 电压由具有低温度灵敏度的基准源提供，是由两个具有正反温度系数的 结构按照一定比例相叠加，从而达到零温度系数的目的 t o l 。由于运放工作在深 l o 度负反馈状态，图中a 点电压等于v r e f 。这个反馈环路使得v r e f 通过r l 和 r 2 的比例关系控制影响输出电压。若v o u t 的值偏低，误差放大器的值增大， 与比较器的另一端三角波比较，使得m o s 管的导通时间变长，电感的充电时 间增加，从而提高了输出电压。 v o m 图2 - 0 电压型p w m 调制原理图 ( 2 ) 电流型p w m 调制的原理图如图2 1 0 。该电路有两个控制环路，内部 控制环路和外部控制环路。当v o u t 的值过低时，误差放大器的值增大，p w m 比较器输出为零，当脉冲的上升沿来临时，m o s 管导通，电源对电感进行充电， 充电电流不断增大，当充电电流达到一定值时，p w m 正向输入端的电压超过 反相输入端，p w m 比较器输出为l ，当脉冲下降沿来临时，m o s 管截止，电 感上的电流对电容充电，输出电压提高【1 “。电流模式控制和电压模式控制一样 在输出电压与占空因数之间具有相同的反比关系，且电流模式还具如下的特点： 外( 电压) 控制环路设置闽值，而在阈值内( 电流) 环路调整开关或初级电路中的峰 值电流。由于输出电流正比于开关或初级电流，所以在逐个脉冲上控制输出电 流，从而电流模式控制具有比电压模式控制更优越的电源电压l l ”。 图2 - 1 0 电流型p w m 调制原理图 随着各种电池供电便携式电子产品的快速增长，大量采用白光l e d 作为背 景光源，对电源管理芯片，特别是d c d c 变换器的需求将进一步扩大。为了 在新兴的市场中取得成功，设计人员必须利用先进的l e d 驱动技术。本章主要 综述了白光l e d 驱动电路的不同分类方法，重点分析了按照电路的拓扑结构 进行分类的各种不同电路的工作原理，其中重点介绍了电感式开关结构的原理， 并对p w m 调制电路进行了分析。白光l e d 的用途非常广泛，其驱动电路非 常关键，在使用白光l e d 时，为了降低功耗，保证工作稳定，应该根据不同的 应用场合选择不同的驱动电路。 下一章将介绍一下d c m c p m 型驱动电路的建模。 第三章d c m c p m 型驱动电路建模 3 1 开关变换器建模方法 开关型变换器主要有小信号与大信号分析两种建模方法。 ( 1 ) 小信号分析法：主要是状态空间平均法【1 3 】，由美国加里福尼亚理工 学院的r d m i d d l e b r o o k 于1 9 7 6 年提出，可以说这是电力电子学领域建模分析 的第一个真正意义的重大突破。后来出现的如电流注入等效电路法、等效受控 源法( 该法由我国学者张兴柱于1 9 8 6 年提出) 、三端开关器件法等，这些均属 于电路平均法的范畴。平均法的缺点是明显的，对信号进行了平均处理而不能 有效地进行纹波分析；不能准确地进行稳定性分析；对谐振类变换器可能不大 适合；关键的点是，平均法所得出的模型与开关频率无关，且适用条件是电 路中的电感电容等产生的自然频率必须要远低于开关频率，准确性才会较高。 ( 2 ) 大信号分析法：有解析法，相平面法，大信号等效电路模型法，开关 信号流法，n 次谐波三端口模型法，k b m 法及通用平均法。还有一个是我国华 南理工大学教授丘水生先生于1 9 9 4 年提出的等效小参量信号分析法1 1 4 1 ，不仅 适用于p w m 变换器也适用于谐振类变换器，并且能够进行输出的纹波分析。 状态空间平均法是由美国加里福尼亚理工学院的r d m i d d l e b r o o k 于1 9 7 6 年提 出，可以说这是电力电子学领域建模分析的第一个真正意义的重大突破。后来 出现的如电流注入等效电路法、等效受控源法( 该法由我国学者张兴柱于1 9 8 6 年提出) 、三端开关器件法等，这些均属于电路平均法的范畴。平均法的缺点是 明显的，对信号进行了平均处理而不能有效地进行纹波分析；不能准确地进行 稳定性分析；对谐振类变换器可能不大适合：关键的一点是，平均法所得出的 模型与开关频率无关，且适用条件是电路中的电感电容等产生的自然频率必须 要远低于开关频率，准确性才会较高。 建模的目的是为了仿真，继而进行稳定性分析。1 9 7 8 年，r k e l l e r 首次运 用r d m i d d l e b r o o k 的状态空间平均理论进行开关电源的s p i c e 仿真【”】。近3 0 年来，在开关电源的平均s p i c e 模型的建模方面，许多学者都建立了各种各样 的模型理论，从而形成了各种s p i c e 模型。这些模型各有所长，比较有代表性 的有：d r s a m b e n y a a k o v 的开关