（无线电物理专业论文）照明led恒流源驱动的设计.pdf

摘要 与人们日常生活息息相关的照明技术已经延续了一百多年的发展，近年来 l e d ( 1 i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) 作为一种较新的电光源，有着高效、耐用、安全等 优点，在照明领域有着非常广阔的应用前景。目前，l e d 的小功率照明应用已经 出初具规模并趋于成熟，而在大功率照明领域应用时间较短，市场潜力还很大， 本论文正是以汽车照明为应用背景，研究在大功率照明领域的l e d 驱动解决方 案。 l e d 的发光亮度主要受其驱动电流的影响，因此最佳的l e d 驱动方式应是恒 流源驱动。与其它恒流源驱动方式相比，开关电源技术有着高效灵活的优点，因 此本文基于开关电源技术给出了一种l e d 驱动电路。本文设计的l e d 驱动结构是 个具有高开关频率的降压型d c - d c 转换器，专门用作一个恒定电流源而设计， 内部的基准电流源和采样电路负责监视输出电流，非常合适于驱动大电流l e d 。 开关频率高允许使用小型的外围元件，电流模式p w m 调制提供了快速瞬态响应和 逐周期限流，特别设计的调光电路可以实现很宽的调光范围。 具体设计时，首先阐述了的开关电源b u c k 拓扑的基本工作原理，详细分析 了各种调制方式和控制模式的优缺点；然后结合大功率l e d 照明的应用特点提出 了采用p w m 调制的电流控制模式的驱动电路，并初步分析了其工作过程；接着说 明了各个主要子电路模块的性能要求和设计思路；最后利用仿真手段对整体设计 进行功能验证，并对频率选择，输入电压范围和调光控制给予了具体的应用说明。 关键词：l e d ；开关电源 a b s t r a c t l i g h t i n gt e c h n o l o g yr e l a t e dw i t hp e o p l ed a i l yl i f eh a sd e v e l o p e df o r m o r et h a no n eh u n d r e dy e a r s l a t e l y ，a san e wk i n do fe l e c t r o n i cl i g h t s o u r c e ，l e d ( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ) h a sa d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y ， d u r a b l ea n ds a f e t y ，s oi tw o u l db ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e a tp r e s e n t ， l o wp o w e rl e da p p l i c a t i o n sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，b u tt h eh i s t o r yo fh i g h p o w e rl e da p p l i c a t i o n si sn o tv e r yl o n g ，s oi ts t i l lh a sap o t e n t i a lm a r k e t t h et h e s i si sa b o u tt of i n do u ta w a yt od r i v eh i g hp o w e rl e d s ，w h i c hc o u l d b eu s e di na u t o m o t i v el i g h t i n g l u m i n a n c ei sm a i n l yc o n t r o l l e db yl e dd r i v i n gc u r r e n t ，s oi ti sb e s t t od r i v el e d sw i t hac o n s t a n t c u r r e n ts o u r c e c o m p a r e dw i t ho t h e rd r i v i n g m o d e ，s w i t c h i n gp o w e rt e c h n o l o g yh a sh i g he f f i c i e n c y ，s ot h et h e s i sg i v e s al e dd r i v e ri nd e t a i lw i t hs w i t c h i n gp o w e rt e c h n o l o g y t h ed r i v e ri nt h i s p a p e ri sah i g hf r e q u e n c ys t e p - d o w nd c d cc o n v e r t e rd e s i g n e dt oo p e r a t e a sac o n s t a n t c u r r e n ts o u r c e a ni n t e r n a lc u r r e n tr e f e r e n c ea n das a m p l e c i r c u i tm o n i t o rt h eo u t p u tc u r r e n ta l l o w i n ga c c u r a t ec u r r e n tr e g u l a t i o n ， i d e a lf o rd r i v i n gh i g hc u r r e n tl e d s t h eh i g hf r e q u e n c yp e r m i t st h eu s e o fs m a l le x t e r n a lc o m p o n e n t s ，ac u r r e n tm o d ep 1 j l ma r c h i t e c t u r ep r o v i d e s f a s tt r a n s i e n tr e s p o n s ea n dc y c l e b y c y c l ec u r r e n tli m i t i n g ，u n i q u e d i m m i n gc i r c u i t r ya l l o w saw i d ed i m m i n gr a n g e t h ed e s i g np r o c e s si sa sf o l l o w ：f i r s t l y ，e x p l a i nt h eb a s i co p e r a t i n g p r i n c i p l e s o fb u c kc o n v e r t e ra n d a n a l y s e st h ed i s a d v a n t a g e sa n d a d v a n t a g e so fe a c hm o d u l a t i o nm o d ea n dc o n t r o lm o d e ：s e c o n d l y ，c o m b i n i n g t h ea p p li c a t i o n so fh i g hp o w e rl e d s ，ac u r r e n tm o d ep 1 j l ma r c h i t e c t u r ei s u s e df o rc o n t r o ll in gt h ed r i v e r ，a n dt h eo p e r a ti o n a lp r o c e s sisin iti a l l y a n a l y z e dh e r e ：t h i r d l y ，e x p l a i nt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n d t h e d e s i g nc o n s i d e r a t i o na b o u te a c hs u b c i r c u i t ：f i n a l l y ，s i m u l a t et h ew h o l e s t r u c t u r et ov e r i f yf u n c t i o n sa n dc o n c r e t e l yg i v ea p p li c a t i o n i n f o r m a t i o n a b o u tt h es w i t c h i n gf r e q u e n c ys e l e c t i o n ，t h ei n p u tv o l t a g er a n g ea n dt h e d i m m i n gc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：l e d ；s w i t c h i n gp o w e r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：渺钐 年厂月沙日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( , 5 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 妇粝 硇 1 日期：炒7 年厂月w 日 日期：磊夕年，月羽e l 第一章绪论 1 1 照明领域的发展历史 第一章绪论 电光源的发明改变了人们的生活方式，使人们在夜间的工作和生活也如同白 天一样自由方便。电气照明一百多年来已经经历了三个重要的发展阶段，这三个 阶段的代表性光源分别为白炽灯，荧光灯和高强度气体放电灯。 白炽灯是最早成熟的人工电光源，其工作原理是灯泡中的钨丝通电后受热激 发灯泡中的气体而发光。白炽灯具有以下特点：体积小，成本低，显色性好，色 温度低，给人以舒适感，适用于卧室客厅灯的生活居室照明；启动性能好，特别 适用于应急照明：工作电压范围较宽，光输出随电压变化而连续变化，便于实现 亮度调节；但其发光效率低下，寿命也较短。 气体放电灯的发光原理是利用两电极之间的气体受电子激发而发光。根据放 电管中放电气体的气压不同又可以分为两种：低压气体放电灯和高压气体放电灯 ( 也叫高强度气体放电灯) 。荧光灯作为低压气体放电灯的典型代表，是室内照明 的主要光源，具有白炽灯无法比拟的优点，光效高，寿命长，显色性好，色温范 围宽，不影响视觉。目前荧光灯还主导着商业和工业照明。 高强度气体放电灯主要包括高压汞灯，高压钠灯，金属卤化物灯等，这类灯 的发光原理基本相同，但有不同的光输出。高压汞灯光效相对较低，显色性差且 寿命较短，主要应用于室外照明及某些工矿企业的室内照明，而高压纳灯和金属 卤化物灯则具有光效高，显色性好，发光集中等优点，广泛应用于大型场所照明 和车用照明等领域。【1 1 1 2l e d 照明的原理及其优点 l e d ( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 是近些年开发的一种新的电光源材料，基本 结构是个发光二极管，由i i i 一族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、 g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成的，其核心是p n 结，因此它具有般p n 结的 i n 特性，即正向导通、反向截止和击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有 发光特性。在正向电压下，电子由n 区注入p 区，空穴由p 区注入n 区。进入对 照明l e d 恒流源驱动的设计 方区域的少数载流子( 少子) 一部分与多数载流子( 多子) 复合而发光。相对于 白炽灯，荧光灯和高强度气体放电灯，l e d 有着非常显著的优势。1 2 】 一、效率高。传统光源采用黑体辐射，发射的能量中仅有约1 0 可以转化为 可见光，要获得某一颜色的光需要使用滤色片，会造成能量的浪费。而l e d 效率 高，光谱窄，单色性好，且无需过滤，直接发出有色光。 二、节能好。它具有电压低，电流小，亮度高的特性。一个l o w 的l e d 光源 发出的光能与一个3 5 w 的白炽等发出的光能相当，同样照明效果的l e d 比传统光 源节能7 0 - 8 0 。 三、寿命长。自炽灯利用灯丝发光，钨丝受热易烧断，光衰较为迅速，且玻 璃泡壳易损坏，一般使用寿命大约1 0 0 0 小时。大功率l e d 利用固态半导体芯片 将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和振动。l e d 的 单管寿命l o 万小时以上，即使每天连续使用1 0 个小时，也可以连续用上2 7 年。 四、光色多。可以选择白色或彩色光，红色，黄色，蓝色，绿色等，并可根 据需要制造出多色组合和循环变色的艳丽灯饰。 五、安全性好。l e d 发光稳定，能精确控制光色，眩光小，发热量低，并且 由于其是冷光可以安全触摸。 六、符合环保趋势。l e d 的发光材料是半导体化合物，并不含有汞等对环境 有害的元素。白色l e d 的光谱中不含有紫外线等辐射，被誉为“绿色光源。 1 3l e d 电气特性和驱动方案 l e d 可以通过直流供电系统驱动，这里我们以飞利浦l u m i l e d s 公司的产品 l u x e o ni i is t a r 系列的白光l e d 为例来研究其直流特性。图1 1 表明了2 5 。c 白 光l e d 平均正向电流与正向压降的关系益线。从图1 1 上可以很清楚地发现，白 光l e d 有一个正向开启工作电压，大小约为3 2 v ，l e d 的平均正向电流随着正向 电压的增大呈现大幅度的线性增长，因此微小的正向电压波动就会引起较大幅度 的正向电流波动。图1 2 表明了2 5 。c 白光l e d 标准发光量与正向电流的关系曲 线。当白光l e d 正向电流大于1 0 0 m a 时白光l e d 才能有效地发光，标准发光量 的变化与正向电流几乎呈线性关系。 3 1 2 第一章绪论 v f f o r w a r dv o r , 均et v o 髓) 图1 12 5 。c 白光l e d 平均正向电流与正向压降的关系曲线 。 ! o2 柏o d 暑仍杈m f o r w a r dc a m l m t 垂峨l 图1 22 5 。c 白光l e d 标准发光量与正向电流的关系曲线 下面列举四种直流供电系统中典型的应用方案。1 4 1 1 3 1 电阻限流法 这类应用的原理图如图1 3 所示，一般根据l e d 参数和发光强度，可以得到 l e d 的直流电流，从而可知l e d 的两端的电压，限流电阻值r = ( v d c - v l e d ) i l e d 。 这个应用方案简单易行，只需要一个限流电阻就可以控制l e d 的光强，但是限流 3 啪咖蛳黜瑚峨薏枷ii挑啪。 一vuli薹2鲁。謦鐾曼若墨枣。暑 2 o 8 6 2 o 坦 蜘 髓 旺 秘 。曩芷童星一；3-l曩互重主 照明l e d 恒流源驱动的设计 电阻会消耗大量的功率使得系统的效率比较低，另外电阻调节精度有限，微小的 电压输入变化就会导致白光l e d 亮度的变化以及颜色纯度的变化，所以这种应用 方案适合于低成本、对发光效率和效果要求并不高的情况。 1 3 2 线性控制法 v d c l e d 图1 3 电阻限流法 r 与电阻限流法相比，线性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是 在电路中对l e d 并联( 如图1 4 ) 或者串联( 如图1 5 ) 一个工作于线性区的功 率管，通过负反馈系统调节功率管的阻值大小使得流过l e d 的电流维持在一个恒 定的值。但是由于功率管工作在线性区，消耗了较多的功率，系统的效率不高。 r l o a d 图1 4 并联型线性控制法 4 l e d r s 第一章绪论 1 3 3 电荷泵升压电路 图1 5 串联型线性控制法 l 印 r s 电荷泵升压电路( 图1 6 ) 又称为开关电容升压控制器。它利用分立电容将 电能从输入端传送到输出端，整个电路不需要任何的电感，设计简单。但是由于 升压增益有限，绝大多数的电荷泵升压电路的输出电压不会超过输入电压的两 倍，所以在驱动多个l e d 时通常采用并联的方式，为了防止并联直流上电流分配 不均，每个输出支路都需串联入一个限流电阻，这样系统的效率并不高。 c 1 图1 6 电荷泵升压电路 照明l e d 恒流源驱动的设计 1 3 4 开关电源电路 开关电源电路通过调节开关功率管的通断比可以调节输出电压的大小，理论 上将功率管的损耗降低为0 v 。采用b u c k 拓扑可以实现低于输入电源电压的输出， 采用b o o s t 可以实现高于输入电源电压的输出幅值。与电荷泵电路不同的是 b o o s t 理论上的升压增益可以无穷大，所以在连接多个l e d 方式时可以采用串联 方式，保证了每个l e d 的发光亮度都相同，并且限流电阻也只需要一个，有效的 提高了整个系统的效率，可以说是所有驱动电路中效率最高的。不过与电荷泵升 压电路相比，需要电感元件，增加了系统的成本和体积。图1 7 示出了三种基本 的开关电源拓扑结构。 v o u t + b u c k d 1 v i n 0 1 b u c k - b o o s t 图1 7 开关电源的三种基本拓扑结构 6 第一章绪论 1 4l e d 的应用现状和前景 目前，小功率l e d 的应用发展速度很快，手机、p d a 、m p 3 等一系列消费电 子产品日趋普及，随着用户对时尚和个性的需求，多种背光色彩和夜光照明等光 电功能已经不能满足用户，彩色显示屏和集成多媒体应用已经开始走向主流市 场。就显示技术来说，市场上有两种基本的l c d 显示技术，分别采用超扭曲向列 ( s t n ) 或薄膜晶体管( tf 1 ) 显示，而这样两种方式都需要白色背光照明。因为背光 光谱包含了所有颜色，而显示器的滤色镜会从白色光谱中挑选所需要的颜色。目 前已经广泛应用的产生白光光谱是过去电致发光( e l ) 与冷阴极荧光管( c c f ，i i ) ，白 光l e d 凭借更低的功耗，更长的寿命，因而成为将来最具前景的便携产品照明选 择方案。 中大功率l e d 作为新型的固态光源可以广泛应用于白光通用照明，装饰照明， 汽车信号灯，交通信号显示，背景显示，大屏幕，特种工作照明，军用照明及旅 游，轻工产品等。目前应用时间较短，市场潜力还很大，其中最有发展前途的是 将现有汽车上的白炽灯更换成l e d 灯。现在汽车上已有刹车灯，转弯灯，散雾灯 等采用l e d 来代替白炽灯，从发展来看，车内的照明灯，倒车灯和前车灯都有可 能用大功率l e d 来代替，虽然其中有些是红色l e d 或者是黄色l e d ，但是目前超 高亮度白色l e d 光强最大，可以利用红色或黄色的透明塑料罩滤色来实现比直接 利用红色l e d 或者黄色l e d 更好的效果。由于l e d 机械强度很大，抗震寿命长( 比 汽车本身的使用寿命还长) ，可以有效的节约维修成本，甚至可以免于维修。汽 车的电瓶电压目前是1 2 v ，由于汽车的用电量越来越大，将来的标准电压是4 2 v ， 则未来开发的4 2 v 供电的汽车用驱动器将是主流产品需求。1 5 6 i 1 5 汽车照明l e d 的电气环境简述 汽车照明l e d 的直流供电系统是汽车电池，汽车电池工作时的电压范围 为9 v 至1 6 v ( 典型值为1 2 v ) 。一个消耗电量的电池在汽车起动之前电压也许 降至9 v ，汽车起动后交流发电机对其充电，使其电压回复到高达1 4 4 v 。在冷 车发动时，电池电压也许会降至4 v ，这时只有关键的电子电路必须工作。在电 池和底盘上不同位置之间的长电缆以及电子噪声环境使得汽车中总是存在高电 7 照明l e d 恒流源驱动的设计 压尖峰，因此在为汽车设计或选择开关l e d 驱动芯片时，必须考虑3 6 v 的瞬态 电压，通常用简单的保护二极管或滤波器来处理较高的电压尖峰。 7 1 8 第二章开关电源原理 第二章开关电源原理 本章将介绍开关电源d c d c 变换器b u c k 拓扑的基本结构，b u c k 结构的变 换原理、调制方式和控制方式，根据l e d 驱动的特点选取了电流控制模式，并对 其性能、精度及稳定性问题进行了理论分析。 s k 9 l o i 2 i 降压型开关电源变换器( b u c k ) 取代线性变换器的开关型变换器早在2 0 世纪6 0 年代就开始应用。它将快速 通断的晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均 值。降压型的开关电源b u c k 变换器的原理图如图2 1 所示。其中开关器件q l 与直流输入电压v o c 直接相连。在每个周期t 内，q l 导通时间为k 。在q l 导通 时，y t 点电压为v o c ( 设q 1 导通时两端的电压降为零) 。q l 关断时y - 点的电压 迅速下降为o v ( 假设续流二极管d l 的两端的电压降也为零) ，则矿t 点的电压波形 为矩形波，如图2 2 所示，t 硼时的电压为，其余时间电压为零，则y t 点一 个周期内的平均电压直流值为v o ct 。t 。l c 滤波器接在y t 和v o 之间它使输出 点v o 成为幅值等于v o ct 蛳t 的无尖锋无纹波的直流电压。 i q l q l 图2 1 开关电源b u c k 拓扑的原理图 9 照明l e d 恒流源驱动的设计 b u c k 电路最大的优点是损耗低，效率高，下面就详细的分析一下整个电路 的工作过程和波形变化，假设输出为v o 。 v 锯齿 0 v l 0 v w m 0 i q ! o i d i o i l o 0 l 1r 。 1 _ v r e a ：t o n ： ：一 厂 厂厂 l 图2 2b u c k 变换器连续工作模式下各节点波形 在每个周期开始时，电感l 上的初始电流为j t ，q 1 由控制信号驱动后导通， 二极管反偏截止，加在l 上的电压的大小为v o c 一圪，由于电感两端的电压恒定， 所以流过电感的电流线性上升到，：，其斜率为d 心：( w c v 。彳。当控制信号使 q 1 关断时，由于电感的电流不能突变，所以电感两端电压极性迅速颠倒，二极 管导通续流，这种电压极性颠倒的现象称为电感反冲。如果没有接二极管d 1 ， 则n 点的电位会变得很负以保持电感l 上的电流方向不变，这会让q 1 两端的电 i 0 第二章开关电源原理 压差过大而损坏开关，接上二极管后，实际y - 点的电压被箝位于比地低一个二 极管导通压降。电感两端的电压极性反转后，电感中的电流线性下降，其斜率为 = 。l + v 。q i 关断结束后，电感上的电流降低到，t 。当q 1 再次导通时， d l 的电流减少，q l 上的电流迅速增加并取代了二极管的d 1 正向电流直到d 1 上 的电流为零，d 1 再次反偏，矿t 恢复到，电感的电流开始重复前一个周期的变 化过程。在整个周期内，电感的电流会有，z 一，t 的上下波动，输出电流如的大小 就是，l + 去( 1 2 一1 1 ) 。虽然o 会根据负载的变化而变化，但是整个电感电流上升和 z 下降的斜率却和负载无关。i s ) 以上讨论的b u c k 变换器的工作过程是基于稳定工作时电感上的电流在下降 的过程中没有下降到0 ，也就是， 0 ，我们称这种模式为连续工作模式，如图2 2 中所示。如果电感上的电流在下降的过程中下降至零，也就是在电感上的储能被 完全释放，我们称这种工作模式为不连续模式，如图2 3 所示。 0 t r 图2 3 不连续工作模式下的电流波形图 不连续工作模式输出c a 压和输入电压的关系推导如下。在一个周期t 内，当 q 1 开启时，电流从。开始增加，则直到q 1 关断时电感电流为j ：( 一圪) ? ， w o o h 0 刚 也 k b 照明l e d 恒流源驱动的设计 q 1 关断期间砌，假设经过乃时间( 也就是二极管d 1 导通得时间) 后电感中的 能量完全释放供给负载，为保证l 的电流在q 1 下次导通之前已经下降到0 ，则 乃+ 丁。因电感电流上升和下降的绝对值相等，则( 一) 勺：圪， 化简得圪= 坐l 。 2 2 开关调制方式 开关电源电路的调制方式主要有脉宽调制和脉频调制这两种调制方式。 2 2 1 脉宽调制( p 删：p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉冲宽度调制方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占空 比，从而实现对能量向负载传递的控制，称之为“定频调宽”。 p w m 调制方式是开关功率变换器中最常采用的方式，通过反馈端的反馈信号 和基准信号的差值与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一路恒频变宽的方波 信号对功率开关管进行控制，可以依据负载快速调节开关管的导通时间，从而稳 定输出电压。 p w m 调制方式具有以下的优点：在负载较重的情况下效率很高，电压调整率 高，线性度高，输出纹波小，适用于电压和电流控制模式；p 1 | l m 调制方式存在以 下的缺点：输入电压调制能力弱，频率特性差，轻负载下效率下降。 2 2 2 脉频调制( 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 ) 脉冲频率调制方式，其脉冲宽度恒定，通过调节频率改变开关的通断比，从 而实现了对能量的控制，称之为“定宽调频 ，原理如图2 4 所示。 p f m 也是开关功率变换中经常使用的一种调制方式。通过负载端反馈信号与 基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出一路恒定脉宽 的变频方波信号对功率开关管进行控制，依据负载状况实时调节开关管的导通时 间，从而稳定输出电压。 1 2 第二章开关电源原理 图2 4 脉频调制方式 目前p f m 控制方式在开关电源中已经比较普遍，具有以下优点：在负载较轻 的情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者 电压控制模式。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。 2 3 控制方式 开关电源d c d c 变换器从控制模式上可以分为两类，电压控制模式 ( v o l t a g ec o n t r o lm o d e ) 和电流控制模式( c u r r e n tc o n t r o lm o d e ) 。下面以 p w m 调制方式为例，介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点。 2 3 1 电压控制模式 电压模式控制的基本原理就是通过将误差放大器的输出电压与一个锯齿波 进行比较，产生控制用的p 1 j | m 信号。p w m 电压模式的控制原理图如图2 5 所示， 其原理为：采样电阻r 1 和r 2 检测输出电压v 。，并将其输入误差放大器e a 与参 考电压v 耐进行比较，被放大的误差电压v 。被输入到脉宽调整器( 电压比较器) 。 照明l e d 恒流源驱动的设计 i q l q l 图2 5p w m 电压模式控制原理图 p w i d 电压比较器的另一个输入是周期为t 的锯齿波，如图2 2 所示，其幅值 一般为3 v 。e a 的输出v 馥与锯齿波进行比较，当锯齿波电压高于的时候p w m 电压比较器的输出由高电平转为低电平，q l 关断，以此来调节q 1 的导通时间， 保证输出电压恒定。其逻辑关系是，当上升时，则k 上升，误差放大器输出 电压v 下降，锯齿波高于的时间提前，也就是q 1 导通时间缩短，使得 v o = v d c t o t 保持不变；同理，如果下降，则q 1 导通时间延长，最终的 结果也保证v o 不变。由此可以总结出，无论输入电压v d c 如何波动，电压控制 系统都会改变q l 的导通时间，使得最终的输出电压维持在v o = ( 1 + 足2 欠- ) 。 从控制理论的角度分析，电压模式控制在整个控制电路中只有一个反馈环 路，是一种单环控制系统。电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变 量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件稳定系 统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统 方能稳定的动作，开关电源的电流流经电感，对电压信号有9 0 度的相位延迟。 因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号时产生 振荡，从而损坏功率器件。 电压控制模式的优点是：1 单环反馈的设计和分析比较容易进行；2 锯齿波 振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余度；3 低阻抗功率输出，对多 1 4 第二章开关电源原理 输出电源具有较好的交互调节特性。 电压控制模式的缺点是：1 动态响应速度较慢；2 输出滤波对控制环增加了 两个极点，这就需要一个零点补偿；3 由于环路增益随输入电压而变化，使得补 偿变得更加复杂化。 2 3 2 电流控制模式 针对电压控制模式的缺点，最近十几年发展起来了电流控制模式技术。电流 控制模式可以分为峰值电流模式控制( p c m ：p e a kc u r r e n tm o d e ) 和平均电流模 式控制( a c m ：a v e r a g ec u r r e n tm o d e ) ，a c m 是在p c m 的基础上发展起来的，通 常情况下电流控制模式所说的就是峰值电流控制模式。 电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电 感电流不再是一个独立变量，从而使开关电源变换器成为一个一阶无条件的稳定 系统，它只有单个极点和9 0 度相位滞后，从而很容易不受约束的得到大的开环 增益和完善的小信号、大信号特性。根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统 是最优控制系统，可以实现最小的动态响应的误差平方积分指标。因此，在p 删 中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的。 图2 6 为p 1 j | m 峰值电流控制模式的原理框图。与电压控制模式不同的是，电 流控制模式的p w m 电压比较器的输入由电压控制模式中的锯齿波信号换成了对 电感电流采样值转换成的电压v s ，比较器的另一端仍然是输出电压采样值与参 考基准的误差放大值。每个周期开始时，时钟信号控制将开关开启，流过开关和 电感的电流增大，当电流增大到v s 超过v 。时，触发器r 端置高电位，开关被关 断。如果增大，则开关导通时v s 上升速度加快，v s 超过v 。所需要的时间缩 短，于是被缩短；反之减小，则v s 超过v 。让p w m 控制信号翻转所需时 间更长，增加了维持对负载提供的能量大小。由此可以总结出，无论输入电 压如何波动，电流控制模式同样也能通过改变开关的导通时间t o ( 也就是改 变了占空比) ，使得最终的输出电压维持在v o = ( 1 + r 2 r , ) 。 照明l e d 恒流源驱动的设计 i q l q l 图2 6p w m 峰值电流型控制原理框图 从图2 6 上观察可以发现，与电压模式控制单一闭环相比，电流控制模式是 双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，由电压外环控制电流内环，即 内环电流在每个开关周期内上升，直到达到电压外环设定的误差电压阈值，电流 内环是瞬时快速地对每个周期的脉冲电流采样，检测输出电感的电流动态变化， 电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压控制模式大得 多的带宽，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流型控制比电压型控制有许 多优点，归纳起来主要有以下几点。 一、对输入电压变化的响应快。这可直观的从电路的工作原理中分析出来： 电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化，如电压升高， 则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉冲幅值达到预定的幅度，电流控 制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。而在电压控制模 式电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要等到输出电压发 生一定的变化后才会调节脉冲宽度。一般电压控制模式要5 - - 1 0 个周期才能响应 输入电压的变化。 二、过流保护和可并联性。在电流控制型d c - d c 变换器中，由于内环采用了 1 6 第二章开关电源原理 直接的电感电流峰值限制，可以及时准确地检测功率开关管和电感上的瞬态电 流，自然形成了对每个周期内峰值电流脉冲检测电路。只要给定或者限制参考电 流，就可以准确地限制流过功率开关管和电感中的最大电流，也可以有效地克服 输入电压浪涌产生很大地尖峰电流从而损坏功率开关管等这类故障诱因。同时， 在设计开关电源时不必给开关管的最大电流限制和电感最大储能留有较大的余 度，在保证可靠工作的前提下，尽可能的降低了成本。 由于电流控制模式特有的电流限制能力，当多台开关电源并联运行时，每台 电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使 各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以有多台开关电源之间并联均 流，这在当今电源规格要求繁多，电子设备整机可靠性要求提高的形式下，为模 块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。 三、回路稳定性好，负载响应快。电流型控制可以看作是一个受输出电压控 制的电流源，而电流源的大小就反映了电源输出电压的大小，这是因为电感中电 流的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。 2 4 电流控制模式存在的问题和补偿方法 在本章的前面三节已经比较详细的介绍了b u c k 电路的两种控制方式以及特 点，因为电流控制模式具有良好的控制特性，所以电流模式控制l e d 的驱动方式 是较为理想的选择。但是电流控制模式并不是完美无缺的，依旧存在两个比较大 的缺点。 2 4 1 平均电流非恒定 电流模式强制开关功率管峰值电流恒定的同时，要求提供负载电流所对应的 直流输出电压与误差放大器确定的输出电压相一致。直流负载电流是输出电感电 流的平均值，而恒定开关管电流峰值只是恒定了电感电流的峰值，并不能保证电 感电流的平均值恒定。这样，在上述的未改进的峰值电流模式中，直流输入电压 变化引起的直流输出电压变化时，这个输出电压变化会被误差放大器外环反馈调 整。控制峰值电流的内环，能保持电感峰值电流恒定，却不一定能提供与输出电 压对应的正确的电感电流平均值，从而导致输出电压的再次变化。反复的调整会 1 7 照明l e d 恒流源驱动的设计 造成输入电压变化时产生输出电压的振荡，并会维持一段时间。具体情形可以用 电流模式电感电流在不同输入电压下的上升斜率和下降斜率来解释。图2 7 中， 一m 2 是下降斜率：m 2 = 誓么= 。，可见，它不随输入电压改变，当输入电压 较高时，导通时间短，当输入电压较低时，导通时间长。 i m a x i a w v d c l i a v h v d c h lj d h 1 一 么、 d 1 2 r _ t 图2 7p c m 下输入电压改变对电感平均电流的影响 由于开关管的峰值电流受p w m 电压比较器限制，所以电感峰值电流是恒定 的，输出v o 不变，则比较器的恒定，而恒定的比使采样电阻的压降峰值不 变，从而使晶体管和输出电感的峰值恒定。稳态下，导通时间内电流上升的值和 电流下降的值是相等的。从图2 7 可见，直流输入较低时的电感平均电流值要比 输入较高时的值大，这可以定量的从下面地等式分析得出。 厶y = 胁一警= 胁一( 孚) _ 胁一( 警) + ( 孚) 仫t ， 2 l 2 l2 l2 ”一7 由式2 i 可以发现，当输入电压较低时，导通时间变长，输出电感的平均电 流厶r 比较高。厶p 变高直接导致直流输出电压上升，直流上升后纥减小，导致 峰值电流的基准减小，导通时间因此减小，减小后输出电压就会下降，下降 后纥的上升最终又会使得输出电压上升，如此反馈调整，直流输出反复调整形 成振荡，严重影响了输出稳定性。 1 8 第二章开关电源原理 2 4 2 电流扰动 图2 8 和图2 9 示出了电流模式会引起振荡的第二个原因。在恒定输入电压 下，如果由于某种原因产生了初始扰动电感电流，则经过第一个下降沿后， 电感电流会偏移心z 。 a , a , 图2 8 占空比小于5 0 时电流扰动的变化 i2 图2 9 占空比大于5 0 时电流扰动的变化 若占空比小于5 0 ，则输出扰动z 会小于输入扰动t ，那么经过几个周 期以后，扰动就会逐渐减小，最终会自动消除。但若占空比大于5 0 ，那么经 过一个周期以后输出扰动：会比输入扰动t 更大。同样，可以用定量进行分 析。假设某个周期开始时电流出现微小扰动- ，则电流上升到限定峰值的时间 就会缩短，也就是缩短，缩短量为出：竺，从而可以得到在导通结束时刻， ，”l 1 9 照明l e d 恒流源驱动的设计 最终电流比原来电流变化了2 ：所2 出：l m 2 ，若m 2 m l ( 也就是t o n 砌) ， 则干扰将连续增加，然后再衰减，从而引起振荡。 2 4 3 斜坡补偿 针对前面峰值电流控制模式的两个缺点，提出了斜坡补偿的方法。从峰值电 流模式的原理可知，晶体管导通时间从每个时钟脉冲前沿开始到开关管的电流采 样信号v s 到达误差放大器的输出电压时结束，斜坡补偿就是将一个从时钟脉冲 j t ， 前沿开始且斜率绝对值为m = , l v _ e a 的负电压叠加到误差放大器的输出端v e a 。如 讲 图2 1 0 中，水平线0 p 是未被改进的误差放大器的输出电压v e a o ，斜率为一m 的 0 q 线是改进后的误差放大器的输出电压v e a ，合理的选取m 值的大小就可以有效 的克服峰值电流模式的缺点。 v e a o l o 图2 1 0 负斜率的斜坡补偿法 一个时钟脉冲后的时间内误差放大器输出为= 一m t o ，式中v e a o 是导通时间为零时误差放大器的输出( 也就是未被改进的误差放大器的输出 电压) ，则改进后峰值电流的大小为： ，一m t o n ， m t o 刀 拖戗= r s = r s = 舰囝一r s 一( 2 2 ) 一一， 2 0 第二章开关电源原理 式中i m a x o 是未被改进时的峰值电流。将式2 2 代入式2 1 时可以得到： 址妇一( 等) + ( 孚) = 如一百m t o 一( 警) + ( 等) = 妣一( 等) + ( 等) 一百m t o = 卜一( 等) + 詈一：ml t 泡 等式2 3 的右边分为两个部分，第一个部分可以认为是常数，第二个部分有两个 变量i l l 和t o n ，为了使输出电感的平均电流和导通时间无关，则需t o n 的系数为0 ， 即詈一虽= o ，则可得脚= 丁m 2 r s 。这样就可以克服第一个缺点。 斜率补偿法对第二个缺点也有一定的改进，从图2 1 0 分析可以得到： 拈m + m 1 ) 寿 如m 2 - m ) 南 两式相除的可以得到_ _ a 2 ：m 2 - - m ， a i im l + m 竺! 旦 l ，变换后得： 刀霸+ m 因为扰动快速消除的条件是竺a l 三1 ( 历2 一m t ) 。z 第三章l e d 驱动电路的结构 第三章l e d 驱动电路的结构 在前两章的内容中已经详细说明了本论文所设计l e d 驱动的应用环境和l e d 驱动设计需要考虑的各种基本模式，本论文所设计的l e d 驱动芯片采用电流模式 p 删控制的b u c k 结构。如第二章介绍，电流控制模式比电压控制模式相比具有 更高的效率，更好的负载调整率和线性调整率，由于是一阶闭环系统，也具有更 好的稳定性和更简单的设计方法。而采用b u c k 方式是因为汽车的电瓶电压的典 型值目前是1 2 v ，高于驱动l e d 所需的电压，所以需要采用降压拓扑来驱动。采 用p i a 憎i 控制方式是因