（电路与系统专业论文）照相机白光LED驱动电路设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 白光l e d 具有体积小、发光效率高、成本低、功耗小、寿命长等特点，已经 开始逐渐取代传统光源成为新一代光源。它在闪光灯和液晶显示屏背光等方面的 应用也越来越普遍，具有十分广阔的市场前景。由于白光l e d 自身的离散的光学 特性以及容易受温度影响等特点，所以需要设计专门的电源管理芯片来驱动白光 l e d 。 本文针对白光l e d 在照相机闪光灯方面的应用设计了一种新型的白光l e d 驱 动电路，它可以驱动多达5 个串联的自光l e d ，具有4 种工作模式( 摄像、闪光、 预充电和关断) ，而且还可以通过外部电阻方便的设置白光l e d 的电流。 论文在分析常见的白光l e d 驱动电路的基础上合理选择了电路结构。采用电 感升压式的拓扑结构、电流控制模式和p s m ( 脉冲跨周期调制) 调制方式，并在此基 础上进行了总体设计。其中电感升压式方案可以实现单个锂电池驱动多个串联的 l e d ；电流控制模式比电压控制模式具有更好的抗干扰性能和负载电流调整特性 抗；p s m 模式可以解决负载轻时p w m 效率低及p f m 电路实现复杂等缺点，具有工作 频率高、响应速度快、抗干扰能力强、受由电感产生的e m i 影响小等优点。 另外论文还对驱动电路内部的带隙基准、振荡器、比较器、模式选择电路、 升压转换控制电路和电流调整电路等子模块进行了分析和设计。其中带隙基准采 用指数曲率补偿作为非线性补偿，具有很好的温度性能和高电源电压抑制比；振 荡器采用充电恒流源一直导通而放电恒流源进行开关的张弛振荡结构，极大减小 了开关延时对振荡器精度的影响；比较器都采用滞回结构，具有很好的抗干扰特 性。它们中的一些还可以作为通用模块用到其它电路中。 论文的最后运用h s p i c e 仿真软件对总体电路进行了仿真。仿真结果表明，电 路在工作温度和电压范围内实现了对输出电流的精确设置，而且在摄像模式下转 换效率超过了8 0 ，很好的达到了设计目标。 关键词：白光l e d ，d c d c ，脉冲跨周期调制，电流调整 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h a v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs m a l ls i z e ，h i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y , l o wc o s t ， l o w - p o w e rc o n s u m p t i o na n dl o n gl i f e - s p a n ，w h i t el e db e c o m e san e wg e n e r a t i o n i l l u m i n a n t i th a ss u b s t i t u t e ds o m et r a d i t i o n a ll i g h t ，s u c ha sc a m e r af l a s ha n dl c d b a c k l i g h t m o r ea n dm o r en e wa p p l i c a t i o n si n d i c a t e dt h a tt h ew h i t el e dh a sav a s t m a r k e t p l a c e b e c a u s eo fi t ss e p a r a t eo p t i c sa n de a s i l yi n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e ，t h e w h i t el e dt h e r e f o r en e e d st ob ed r i v e nb yas p e c i a ld e s i g n e dp o w e rs o u r c e m a n a g e m e n tc i r c u i t i nt h i st h e s i s ，an e ww h i t el e dd r i v e rc k c u i ta i m i n ga tt h et h ea p p l i c a t i o no f c a m e r af l a s hv c a sd e s i g n e d t h ec i r c u i th a v ef o u ro p e r a t i o nm o d e s ：m o v i e , s t r o b e ， p r e c h a r g ea n ds h u t d o w n , i tc a l ld r i v eu pt of i v es e r i e sc o n n e c t e dw h i t el e d ，a n dt h e l e dc u r r e n tc a nb es e tb yu s e re a s i l y a f t e rt h ea n a l y s i so fc o m m o nw h i t el e dd r i v e r s ，w em a d er e a s o n a b l ec h o s et ot h e c k c u i ts t r u c t u r e t h ei n d u c t o rb o o s tt o p o l o g ys t r u c t u r e ，t h ec u r r e n tc o n t r o lm o d ea n d t h ep s m ( p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ) m o d ea r eu s e di nt h ew h o l ec h i pd e s i g n t h e i n d u c t o rb o o s ts t r u c t u r ec a nd r i v et h es e r i e sc o n n e c t e dl e dw i t hs i n g l el i t h i u mb a t t e r y ； t h ec u r r e n tc o n t r o lm o d eh a sb e t t e r a n t i - j a m m i n g a n dl o a dc u r r e n t a d j u s t i n g c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r e dw i t ht h ev o l t a g ec o n t r o lm o d e ；t h ep s mm o d ec a l ls o l v et h e d i s a d v a n t a g e so fl o w e re f f i c i e n c yi np w m a n dc o m p l i c a t e dc i r c u i tr e a l i z a t i o ni np f m a n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c eo fh i g ho p e r a t i n gf k q u e n c y ，f a s tr e s p o n s es p e e d ，s t r o n g a n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n dl i t t l ee m lw h i c hi sg e n e r a t e db yi n d u c t o r m o r e o v e r ，t h es u b c i r c u i t ss u c ha st h eb a n d g a pr e f e r e n c e ，t h eo s c i l l a t o r ，t h e c o m p a r a t o r , t h em o d e ss e l e c t i n gc i r c m t ，t h eb o o s tc o n v e r tc o n t r o lc k c m ta n dt h ec u r r e n t r e g u l a t o ra r ea l s oa n a l y s e da n dd e s i g n e d t h eb a n d g a pr e f e r e n c eu s e st h ee x p o n e n t i a l c u r v a t u r ec o m p e n s a t i o na st h en o n l i n e a rc o m p e n s a t i o na n dh a st h eb e r e rt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n dh i g hp s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c f i o nr a t i o ) ；t h eo s c i l l a t o ru s e st h e s t r u c t u r eo ft h ec h a r g ec u r r e n ts o u r c ei sa l w a y so nb u tt h ed i s c h a r g ec u r r e n ts o u r c ei s s w i t c h e do na n do f f , i tc a r l _ r e d u c et h ei n f l u e n c eo fs w i t c hd e l a yt oo s c i l l a t o rp r e c i s i o n ； t h ec o m p a m t o ru s e st h er o t a r ys t r u c t u r ea n dh a sb e t t e ra n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e a n d s o m e & t h e mc a nb eu s e di nm a n yo t h e ra p p l i c a t i o n sa sc o m m o nm o d u l e s f i n a l l y , t h ew h o l ec i r c u i tw a ss i m u l a t e dw i t ht h eh s p i c es i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e h 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc i r c u i tr e a l i z et h ep r e c i s eo u t p u tc u r r e n ts e tw i t h i nt h e o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dp o w e rs u p p l yv o l t a g er a n g e ，a n dt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi s m o r et h a n8 0 k c y w o r d s ：w h i t el e d ，d c d c ，p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n , c u r r e n tr e g u l a t e i i i 西北工业大学 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工业大学。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西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：_ = 噼 伽7 年p 月7 日 指导教师签 御年9 月7 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：趔 枷7 年妒月夕日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 白光l e d 第一章绪论 1 1 1白光l e d 的产生和发展 从1 8 7 9 年爱迪生发生白炽灯开始，人类进入了电光源时代。从第一代热辐射 光源一直到现在的日光灯、荧光灯等气体光源，它们不仅能量消耗大、寿命短、 有些光源还对环境有一定的污染，而且在军事、油库、矿井等特殊场合的安全性 很差，所以在能源日益枯竭、提倡环保的今天，人们呼唤节能、环保、安全、可 靠的新光源，发光二极管一尤其是白光l e d 的出现则适应了这种趋势，并引起了 新的革命一照明革命。白光l e d 具有体积小、发光效率高、成本低、功耗小、寿 命长等特点，它一出现就受到了全世界极大关注。随着白光l e d 的商品化，它开 始逐渐取代传统的光源而成为了新一代的光源【l 】。曾经有人指出，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。而且随着白光l e d 技术的 日益进步，白光l e d 已经应用到社会生活的许多地方，如液晶显示屏和各种仪表 盘的背景光源和闪光灯应用等场合。 面对半导体照明将要形成的巨大市场，世界上掌握半导体技术的公司纷纷和 灯泡制造商联盟。目前全世界有近2 0 0 家公司和3 0 0 多所大学及研究机构从事l e d 的材料生长、器件制作工艺和相关设备制造的研究和开发工作，居于领先水平的 公司主要有日本的日亚、美国的c r e e 、l u m i l e d s 、欧洲的欧斯郎和飞利浦等。我 国的l e d 产业同样受到国家和相关单位的高度重视和大力支持，很多知名大学、 研究机构和企业同样投入很大力量进行研究、开发。虽然我国的l e d 产业近几年 也具有一定的规模，并形成了一定的产业链，但是要赶上发达国家的差距，还有 很长的路要走，需要国内的科研人员的共同努力【2 叫。 1 1 2 白光l e d 的发光原理和特点 l e d 是一种由半导体技术制成的光源，其核心是由p 型半导体和n 型半导体组 成的p n 结。它的发光过程分为三部分：正向偏压下载流子注入、复合辐射和光能 传输，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出 来，从而把电能直接转换为光能，它发光的亮度与流过它的电流有关。 l 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 对于照明来说，人们更需要的是白色的光源，而现有的发光l e d 更多的是彩 色l e d ，所以现在的白光l e d 大多是由多种颜色根据色彩学原理利用三色组合产生 的，它的实际做法有很多种【1 】1 5 - 6 1 。 目前白光l e d 虽然处于发展初期，但与现有的照明设备比较，它的很多特点 都使它具有取代传统照明设备的优势。下面是白光l e d 的一些主要特点【6 j ： ( 1 ) 发光效率高：白炽灯的光效为1 2 2 4 1 m w ，而l e d 光效可达5 0 2 0 0 1 m w 。 ( 2 ) 功耗小：在同样照明效果下，l e d 耗电量是白炽灯的八分之一。中国工程院院 士陈良惠曾说：“半导体照明进入民用照明领域一年可以为中国节电将达一 个三峡工程”p j 。 ( 3 ) 使用寿命长：l e d 体积小、重量轻，封装后可以承受高强度的冲击和震动，不 易破碎。l e d 的平均寿命可达1 0 万小时，是普通灯管的数十倍。 ( 4 ) 开关时间短：响应时间最低可达1 微秒，一般为几个毫秒，而现用的光源响 应时间为2 0 0 毫秒。 1 1 3 白光l e d 在照相机闪光灯中的应用 照相机和配有照相功能的手机等新产品已经成为社会的主流产品，为了能在 光线不足的情况下仍能支持内部的影像传感器，闪光灯电路成了必需的解决方案， 而且消费者期望能够在增加照明光源的情况下对电池消耗的增加并不多，这就需 要低功耗的闪光灯光源和高效的驱动电路【8 】。 传统的闪光灯是用氙气发光管实现的，但是现在的照相机中，越来越多的照 相机和拍照手机中利用自光l e d 作为闪光灯，而且有取代氙气闪光灯的趋势。 表卜1 氤气闪光灯和白光l e d 性能比较1 o 】 性能氙气闪光灯白光l e d 输出亮度高亮度相对较低 照明时间很短，适合静态图像可以连续照明，可以用做静态或动态 图像 色彩接近自然光校正后输出白色光 体积体积大，占很大电路空间很小，可以缩小电路尺寸 充电时间大约3 5 秒几乎不需要时间 封装玻璃管封装，易碎环氧树脂封装，不易破碎 工作电压高压，闪光时需要数百伏 正向导通电压一般为3 2 4 8 v 电磁干扰由于高压而产生# 6 1 d , ，可以忽略 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 表卜1 列出了二者性能的比较，从中我们可以看出，除了亮度和色彩之外， 白光l e d 的其他方面都要优于氙气闪光等。而且随着l e d 技术的发展，现在白光 l e d 的照明质量已经可以和氙气闪光灯相媲美，已经可以替代氙气闪光灯。利用白 光l e d 代替氙气闪光管做闪光灯，不仅无需高压电路，而且可以减少电池消耗、 节省空间、增加可靠性，尤其是无须较长的充电时间，使相机丧失抓拍良机，其 优越性是不言而喻的。现在越来越多的照相机已经具有摄像的功能，这使得白光 l e d 频闪速度快、能用做连续光源的优点更加突出。 上面介绍的自光l e d 的这些优点，以及它的光学、易于级联和散热、电路设 计简单等特点，都促使了白光l e d 在照相机闪光灯中的应用越来越普遍。 1 2 白光l e d 驱动电路 1 2 1 开发白光l e d 驱动电路的必要性 白光l e d 的电流有很大的离散性，如果用一个固定的正向电压驱动白光l e d ， 可能会产生变化范围较大的正向电流。图i - i 是从a ，b 两个厂分别随机抽取了三 个白光l e d 的正向电流随正向电压变化的曲线嗍，从图中可以看出，用某个固定的 正向电压驱动时，l e d 的正向电流会发生较大的变化。 堇 嘏 星 峭 l1 r | | | | f ， | 。，? ? 。，。 + t ，7 彩t 一一。 a 厂随即抽取的i 正d r 么- 二- ” l b 厂随即抽取的工王d i 二；考= 一。 _ ii 2 83 卫3 工3 43 3 上4 卫 正向压阵m 图卜1 六个随机白光l e d 的正向电压一电流曲线 另外在正向电压不变的情况下，白光l e d 的正向电压特性和电流特性会随着 温度变化发生很大的交化嗍。随着温度升高，白光l e d 的开启电压会降低，它允许 的最大额定电流也会降低，因为白光l e d 的亮度与电流相关，因此只用恒压方式 驱动白光l e d 的方案可靠性较差，用恒流驱动的可靠性就会较高，且可以使多个 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 l e d 获得亮度的一致性。因此为了白光l e d 的发光亮度一致，需要开发专门的驱动 电路来实现恒流驱动，否则白光l e d 的优点无法体现。而且由于单节l i + 电池的典 型电压为3 6 v ，因此不能用单节l i + 电池直接驱动白光l e d ，所以也需要驱动电路 来对输入电压进行升压。 随着科技和社会的发展，白光l e d 的需求越来越大，结构更加紧凑、效率更 高的白光l e d 驱动电路的需求也越来越大。面对如此巨大的市场，像t i 、m a x i m 、 p h i l i p s 等国际知名半导体厂商纷纷开发自己的白光l e d 驱动电路，而国内还处于 起步阶段，而且还有很大的需求，所以开发白光l e d 驱动芯片有很大的市场前景。 1 2 2 白光l e d 驱动电路的功能 随着白光l e d 的应用越来越广，白光l e d 驱动电路功能也越来越多。对于一 个自光l e d 驱动电路，它应该具有以下功能： ( 1 ) 恒压驱动或恒流驱动 白光l e d 需要恒定的电压或电流来驱动它发光。随着工作时间的增加，电池 的供电电压会逐渐下降，因此需要驱动电路舞压来达到稳定的输出电压。另外由 于白光l e d 发光的亮度由它的电流决定，所以需要在驱动电路中增加电流调整电 路来保证恒流驱动。串联白光l e d 只需要一个电流调整电路即可实现，而并联白 光l e d 则需要多个电流调整电路。 ( 2 ) 电流调整 白光l e d 需要恒定的电流来驱动，但是它的电流会随着温度或电源电压等的 变化而发生变化，因此驱动电路需要具有电流调整电路来使它的电流保持稳定， 常用电流反馈控制来实现。 ( 3 ) 电流设置 白光l e d 在不同的应用情况下需要不同的亮度，这就需要驱动电路能够根据 不同的需要设置不同的白光l e d 电流。常见的都是在电路外面接一个电阻，通过 调整这个电阻的阻值就可以方便的设置白光l e d 的电流。 ( 4 ) 高效率 闪光灯或背光是照相机等设备消耗能量最大的地方，因此高效率的驱动电路 显得尤其重，为了得到高的转换效率，需要驱动电路的功耗要非常小。而且高效 率可以使电路的温度降低，提高了可靠性。 ( 5 ) 体积小 随着便携设备的体积越来越小，小体积的驱动电路更有利于便携设备体积的 减小。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 i 2 3 白光l e d 驱动方式 白光l e d 驱动电路基本上有两种驱动方式：电荷泵和电感式d c d c 交换器。 电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用 电容器来贮存能量，由于没有电感，所以没有电磁干扰，且体积较小。一般的电 荷泵最大能实现2 倍的输出电压，所以适合驱动多个并联的l e d 而不适合驱动多 个串联的l e d 。而且电荷泵多采用倍压方式的输出电压，则在提供恒定电压的时候 需要牺牲掉多余的电压( 比如输入电压为4 v ，它的输出一般是其1 2 的整数倍，即 2 v 、4 v 、6 v 等，如果要得到5 v 的输出，则需要在6 v 的情况下牺牲掉多余的电压) ， 这就造成了其转换效率低，且输入电压越高，转换效率越低。 电感式d c d c 转换器采用电感来贮存能量，可以通过开关控制器将电压升压 到( 升降压降压) 一定的值并保持一定的电流输出，而且它还可以通过调整开关信 号的占空比可以使输出电压连续变化。由于它的输出电压可以很高，所以可以驱 动多个串联的l e d ，并且保持很高的电源转换效率，这一点电荷泵结构很难做到。 针对白光l e d 驱动电路方案的选择，不同的应用场合对l e d 驱动器的要求的 差别非常大，需要综合考虑其成本、体积、功耗等因素【9 】。 1 。3 本文工作 本文针对白光l e d 在照相机闪光灯中的应用，设计了一种白光l e d 驱动电路， 对该电路的具体要求如下： ( 1 ) 可以驱动多达5 个的串联自光l e d ： ( 2 ) 具有四种工作模式：闪光、预充电、摄像、关断( 摄像和闪光模式下可以 方便的设置输出电流，且在摄像和闪光模式下输出电流分别是设置电流的i 0 0 倍 和i 0 0 0 倍；预充电模式下电压升高到2 4 v = 关断模式下静态电流小于0 5ua ) ； ( 3 ) 2 6 v 5 5 v 的宽输入电压范围，低于2 6 v 时关断： ( 4 ) 带有2 4 v 输出过电压保护功能； ( 5 ) 摄像模式时转换效率：8 0 ； 本次设计的主要工作如下： ( i ) 在分析总结现有白光l e d 驱动电路的基础上，对所设计的白光l e d 驱动 电路进行了总体设计，并进行了内部模块的划分。 ( 2 ) 通过对电路结构和控制方式的分析和研究，确定了本文电路的拓扑结构、 控制方式和调制方式。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 对电路的各个子模块进行了设计和仿真。 ( 4 ) 利用h s p i c e 对电路的总体性能进行了仿真( 按照项目要求，进一步的版 图设计等后续工作将交由合作单位完成) 。 ( 5 ) 总结工作，完成设计。 1 4 论文安排 第一章绪论。本章主要介绍了白光l e d 以及白光l e d 驱动电路的原理和现 状，并给出了本次设计的主要工作和论文的安排。 第二章电路结构和控制方式的分析与选择。本章主要介绍了d c d c 交换器 的基本拓扑结构，控制方式和反馈方式，并给出了本次设计中的选择，最后给出 了本次设计的总体电路框图以及各个子模块的功能。 第三章通用模块的分析与设计。本章主要介绍了带隙基准、振荡器和比较 器的基本原理和结构，给出了论文中所设计的带隙基准、振荡器和比较器的结构， 并对它们进行了分析和设计。 第四章其他关键模块的分析与设计。本章主要给出了论文中所设计的模式 选择电路、电流调整电路以及升压转换控制电路的结构，并对它们进行了分析和 设计。 第五章总体仿真和结果分析。对芯片的应用典型电路进行了总体仿真，并 对仿真结果进行了分析，仿真结果验证了设计的正确性。 第六章总结。总结了全文的工作。 1 5 本章小结 本章简单介绍了自光l e d 的产生和发展，并介绍了它对照明带来的影响以及 所蕴涵的巨大的市场以及它在照相机闪光灯应用上的优势。另外本章还介绍了白 光l e d 驱动电路的重要性，以及它的性能和驱动方式。最后介绍了本文的主要工 作和论文具体内容的安排。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章电路结构和控制方式的分析与选择 第二章电路结构和控制方式的分析与选择 白光l e d 驱动电路实际上是一个d c - d c 变换器。d c d c 变换器就是直流一直流 变换器的英文缩写，它是把没有经过调整的输入直流电压转换成稳定的直流输出 电压。d c d c 的基本拓扑结构有升压式、降压式和升降压式；d c d c 变换器根据输 出反馈的不同可以分为电压反馈和电流反馈两种；另外d c d c 变换器需要利用反 馈信号对开关脉冲进行调制，常见的调制方式有p w m 、p f m 、p w m p s m 和p s m 几种。 图2 - 1 基本的d c - d c 电源原理图 图2 1 是一个基本的d c d c 电源的原理框图。d c - d c 电源将输出的反馈与基准 电压进行比较，比较的结果输入控制电路，控制电路经过处理后输出开关信号给 驱动电路，通过驱动电路控制开关的通断，以此来对输出进行调整。图2 1 中的 反馈是电压反馈，实际中有电压反馈和电流反馈两种，而且电流反馈也一般都是 转换成电压后再进行反馈的。 下面将对d c d c 交换器拓扑结构、控制方式和反馈方式做具体的分析和选择， 并在此基础上对芯片的总体结构进行了设计。 2 1 基本拓扑结构 目前d c d c 变换器的实现方式主要有两种：电感方式和电荷泵，在绪论中我 们介绍了它们各自的特点，这里不再介绍。本节对电感式d c d c 变换器进行分析 讨论，尤其是我们在设计中将要采用的升压式d c d c 变换器，不再对电荷泵方式 做具体的介绍。电感式d c - d c 变换器的基本电路结构有：降压型、升压型和升降 压型 1 1 “1 4 】，下面将对这三种基本电路结构进行分析，为了简单起见，这里假设开 关为理想开关。 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章电路结构和控制方式的分析与选择 2 1 1 降压型( b u c k ) + v 帆瞳 图2 - 2 降压型d c d c 变换器拓扑结构 图2 - 2 是降压型d c - d c 变换器的基本拓扑结构，它由开关s 、储能电感l 、输 出电容c 以及续流二极管d 构成。在开关导通时，加在电感l 两端的电压为 ( v 。v 。i i c ) ，这期间电感l 由电压( v l 。v o i l i ) 励磁，磁通增加量为： = ( f i n v o u t ) t o ( 2 1 ) 开关断开时，由于电感电流不能突变，二极管d 变为导通状态。电感l 两端 电压为v 。，其方向与开关导通时所加电压的方向相反。在这个期间电感l 消磁， 其磁通减少量为： 谚w = v o u t ， ( 2 2 ) 当达到稳态后，电感l 中磁通的增加量与减少量相等，则把式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 变换后就可以得到降压型变换器的电压变换比： m ：竺丝：d ( 2 3 ) 胁 其中d 为开关信号的占空比，由于d i ，所以m i ，因此输出电压低于输入电 压，即降压型变换器。 2 1 2 升压型( b o o s t ) + 啪 图2 - 3 升压型d c d c 变换器拓扑结构 魄豳三峨曲 西北工业大学硕士学位论文第二章电路结构和控制方式的分析与选择 升压型变换器电路如图2 - 3 所示，其开关闭合和断开时的工作图如图2 - 4 。在 开关导通期间，加在电感l 两端的电压为v 。一i l r l ( 其中i l 为流过电感的电流， r l 是电感的直流电阻) ，由于开关导通，故二极管d 由于反向偏置而截止，电感 电流从i l 到地。由电感的特性我们可以知道，电感中的电流将会不断增大，由于 加在电感两端的电压v 。- - i l x r l 为恒定值，故电感电流将会线性增大，可以用下 式计算： 矿：l x 竺生j ，：垒丁( 2 - 4 ) 。 出 。 三 在开关导通期间电感电流的增加量可以由下式得出： a a + ) ：半 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中的世，( + ) 就是电感上的纹波电流，在这个期间，负载电流完全由 输出电容c 提供。 在开关断开时，由于电感电流不能突变，故电流从开关s 转移到二极管d 。由 于电感的电流减小，所以在电感l 上产生一个与导通时两端电压极性相反的感应 电压叠加在输入电压上面从而使二极管导通。由于电感电流不能突变，故此时加 在电感两端的电压仍为v i i l r l ，电感l 右边的电压为v o 呲斗- v d ( v d 是二极管 的正向导通电压) ，电感的电流从电源经过二极管d 和输出电容c 及负载r 后到 地。在关断期间，电感两端的电压恒等于。州d + i l x r d - - v 。，它与导通时两端 电压的极性相反，因此在开关断开期间，电感电流减小。且由于这个电压是恒定 的，故电感电流是线性减小，减小量由下式给出： 虬( 一) ：亟堂皇型业监 ( 2 6 ) 同样在这里，( _ ) 也是电感的纹波电流。 在电路达到稳态后，一个开关周期里电流的增加量与减小量相等，即 a t ( + ) = a 毛( _ ) ，否则就没有到达稳态，可以利用这两个等式计算出升压模式下电 压转换关系。稳态时输出电压v 。可以表示为： 圪。= ( 圪一l 咒) x ( 1 + 吾导旦_ ) 一 ( 2 - 7 ) i o f f 由于t s = t o n + t o f f ，d = t o n 厂r s ，l - d = t c 师厂r s ，故输出也可以表示为： = 等学一 ( 2 - 8 ) 通常认为v d 和r l 很小可以忽略，设v d 和r l 为0 ，则式( 2 8 ) 可以简化为： = 专 ( 2 9 ) 从式( 2 9 ) 的电压转换关系我们可以看出，通过改变占空比d 就可以调整输 西北工业大学硕士学位论文 第二章 电路结构和控制方式的分析与选择 出电压v o m ，由于d 在0 1 之间可以联系变化，故输出可以连续变化，且总是大 于输入。 另外，我们也可以从电感磁通变化的角度来说明其工作原理。 开关导通时，输入电压v i i l 加在电感l 上，电感l 由输入电压v 。励磁且在导 通期间的磁通增加量为： 谚，= v n t o n ( 2 1 0 ) 开关断开时，由于电感电流连续，二极管变为导通状态。电压( v 。- v 。) 加 到电感l 上，方向与开关导通时方向相反，电感l 消磁，开关断开期间磁通减少 量为： 谚w = ( v o u t v i n ) f f ( 2 1 1 ) 在达到稳定状态时，电感磁通的增加量与减少量相等，即： 丸= a q k o f fjv i n = ( g o u t v i n ) t o p e 即： i o f f = ( 1 + _ t o f f ) ， ( 2 1 2 ) i o nt o u 所燎鲁= 击 ( 2 - 1 3 ) 则升压型变换器的电压变化比为： m ：竖：上( 2 一1 4 ) 圪 1 一d 由于( 卜d ) 小于l ，因此输出电压高于输入电压，即为升压变换器。 还可以从能量的存储和释放的观点来说明其工作原理。电感励磁就是存储能 量，电感消磁就是释放能量。因此，对于这类变换器，开关导通时，来自电源的 能量存储在电感上；开关断开时，存储在电感l 上的能量释放给负载。这种方式 通过能量的存储和释放获得直流输出，所以也称为储能型。 2 1 3升降压型( b o o s t - b u c k ) + v e t l t 图2 - 5 升降压型d c d c 变换器拓扑结构 升降压型变换器的基本电路如图2 5 所示。开关导通时， 电感l 上，电感励磁，在此导通期间，电感的磁通增加量为： $ = f i n t ，n 1 0 输入电压v 。加到 ( 2 - 1 5 ) 西北工业大学硕士学位论文第二章电路结构和控制方式的分析与选择 开关断开时，由于电感电流连续，则使二极管变为导通状态。输出电压v m 加 到电感l 上，方向与开关导通时相反，此时电感消磁，磁通减少量为： k = v o u t t o f g ( 2 1 6 ) 达到稳态时，电感l 上的磁通增加量与减少量相等，则升降压型的电压变化 比为： m ：旦( 2 1 7 ) 1 一d 从上式可以看出，当d i ，是升压，当d 取0 1 之间的值时，m 可以是0 到无穷大。这种变换器的输出电压可以高于或低 于输入电压，而且可以任意设定，所以称为升降压变换器。 2 1 4 本次设计的选择 一般白光l e d 的正向导通电压3 2 4 8 v ，单个锂电池的电压为3 6 v 左右， 而本次设计需要驱动多达5 个的串联白光l e d ，发光时串联的白光l e d 两端的电压 至少要达到它们的正向导通电压之和，所以用锂电池直接供电显然无法驱动串联 的白光l e d 发光，因此需要采用升压式结构来实现单个锂电池驱动串联白光l e d 。 2 2 控制方式 要想依靠2 1 节中的三种d c - d c 变换结构获得稳定的直流输出，除了要设计 相应的振荡器作为开关s 的开关控制信号外，还需要引入负反馈环路。负反馈的 作用在于： 1 减小电路自身的噪声对输出的影响。 2 使输出与开环增益无关。在变换电路中引入负反馈，可以获得稳定的输出。 具体来讲，d c d c 变换器中一般包括两种基本的反馈控制机制：电压控制和 电流控制。 2 2 1电压控制 电压控制是从输出电压处检测信号，与基准信号进行比较，比较的结果通过 升压转换控制电路按照一定的调制方式( 如p w m ) 对振荡器的输出信号进行调制，调 制的结果作为开关控制信号，由于只对输出电压采样，所以是单环控制系统。 在电压模式控制中，它只响应输出( 负载) 电压的变化，也就是只有输出电 压发生了变化，它才开始响应。就意味着如果负载电流或输入电压发生了变化， l l 西北工业大学硕士学位论文第二章电路结构和控制方式的分析与选择 它就必须“等待”输出电压( 负载电流) 变化后才响应。这种等待延迟会影响变 换器的稳压特性。通常“等待”一个或多个开关周期，这样的话负载或输入电压 扰动会产生相应( 尽管不成一定比例) 的输出电压干扰。 2 2 ，2 电流控制 如果能有一种结构使控制电路可以在单个周期内响应负载电流的变化，则电 压控制模式中的“等待”问题和与电压控制模式有关的相应负载调整补偿就可以 消除，电流模式控制就可以做到这点。 电流模式控制是在电压反馈控制的基础上，增加电流负反馈环节，组成双环 控制系统，电流控制通过内部环路实现而电压控制通过外部环路实现。这样做的 好处是在每个开关脉冲上不仅仅可以响应负载电压的变化，还可以响应负载电流 的变化。 电流模式控制和电压模式控制一样在输出电压与占空比因数之间具有相同的 比例关系。而且电流控制模式还具有如下的特点：外( 电压) 控制环路设置闽值， 而在内( 电流) 环路调整开关或初级电路中的峰值电流。由于输出电流正比子开 关或初级电流，可以在逐个脉冲上控制输出电流，所以电流模式控制具有比电压 模式控制更优越的抗电源电压干扰和负载电流调整特性【l ”。 常用的电流反馈模式是从调整管上检测电流变化，检测的结果送给升压控制 电路用于对振荡器的输出信号进行调制。电流检测方法有多种，最常用的是将调 整管与一个电阻串联，通过检测电阻上的压降，就可以确定调整管上的电流。也 有通过检测电感上的压降或调整管的导通压降来实现电流检测的，但应用远没有 第一种普遍弘”j 。 2 2 3 本次设计的选择 对于自光l e d 我们关注的是它的亮度，而自光l e d 的亮度由流过它的电流决 定，所以白光l e d 驱动电路中更关注的是l e d 中的电流。另外从上面对电压控制 和电流控制的分析和比较可以看出，电流控制具有更好的优越性，所以在本次设 计中采用电流控制模式。它分为两个环路：内环检测l e d 的电流，外环检测输出 电压。其中内环检测电流是通过检测电压来实现的，具体办法是在设计一个调整 管，调整管的源极通过一个电阻接地，漏极通过一个反馈比较器控制在o 6 v ，这 样调整管就工作在线性区，电流的变化在漏极处就转化为电压的变化，通过检测 这个电压的变化就可以实现电流检测。 西北工业大学硕士学位论文第二章电路结构和控制方式的分析与选择 2 3 调制方式 有了上面所述的基本拓扑结构和反馈控制模式，再加入调制电路，就可以构 建一个完整的d c - d c 变换电源。从本质上讲，调制电路的作用就是利用反馈信号 对振荡器的输出信号进行调制，用调制的结果作为开关信号去控制调整管的开启 和关断，从而使输出达到使用者的需求。基本的调制方法主要有p w m 、p f m 、p w m p s m 和p s m 四种，下面分别介绍这几种控制方式的原理，并做出本次设计的选择。 2 3 1p w m p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 一脉冲宽度调制，就是在脉冲频率不变的情况 下，调整脉冲的宽度，即占空比。基本实现方法是由内部振荡器产生一个频率恒 定的锯齿波，与一个参考电压比较，输出方波作为调整管的开关控制信号。通过 调整参考电压的大小，就可以调整输出脉冲的占空比。因为开关周期是固定的， 这就为设计滤波电路提供了方便，而且这种方法在大负载时的效率高，对负载变 化跟随较好，而且噪声频谱恒定，利于进行电磁兼容设计。缺点是当负载较小时， 控制电路的工作电流占总工作电流的比例上升，导致效率降低，静态功耗增加， 而且受开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能做宽范围的调节。目前的商 用产品普遍使用的是这种控制方式如1 1 的t p s 5 1 0 2 ，t p $ 5 1 2 0 ，m a x i m 的 m a x l 6 8 4 1 6 8 5 。m a x 6 6 8 6 6 9 等【“ 2 0 j 。 v c 鼍洫堡距 n 汛 叫t sb 图2 - 6p w m 的原理和工作波形 p w m 原理和工作波形如图2 - 6 所示，v c 是参考电压，p w m 控制器是一个比较 器。将参考电压v c 与频率一定的锯齿波电压进行比较，锯齿波与控制信号v c 的 交点决定了p w m 的输出脉冲宽度t s ，且在相交点v c 与锯齿波最大电压的比值就 是占空比d 。除了锯齿波发生器，在集成控制电路中还包括一个频率一定的时钟 信号，这个始终信号的频率决定了p w m 开关电源的频率。 由于d c d c 变换器的输出输入电压比与占空比d 有关，所以当任何原因使 负载输出电压变化时，由于系统的负反馈控制作用，p w m 输出脉冲宽度( 即占空 西北工业大学硕士学位论文 第二章电路结构和控制方式的分析与选择 比d ) 自动调整，从而自动实现稳压，使输出电压的变化保持在给定值附近的允 许范围之内。 总的来说，p w m 保持开关频率恒定，而充放电时间随负载的不同而变化，此技 术可在高频情况下提供较宽的负载范围。此外由于开关频率是固定的，噪声相对 较小，所以使用较简单的低通滤波器就可以大幅度减小电压纹波。 2 3 2p f m p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 一脉冲频率调制。它有两种基本类型：一 种是导通时间不变，关断时间变化；另一种是导通时间变化而关断时间不变。在 这两种类型下，脉冲的频率都发生变化，故都称为p f m l 2 t - 2 3 。现在最常用的是将 脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的，在电路设计上要用固定脉宽 发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压频率转换器( 如压控振 荡器) 改变频率。 p f m 同样分为电压模式和电流模式。电压模式只对输出电压采样，是单环控制 系统；电流模式的p f m 控制电路由两个反馈环路构成：一个是通过采样电压监视 输出电压的环路，另一个是功率m o