（微电子学与固体电子学专业论文）高亮度白光led驱动电路设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 高亮度白光l e d 驱动电路是为便携式l e d 照明或者便携式l e d 闪光灯等 应用产品所研究开发的。白光l e d 是电流驱动的器件，其亮度与流过l e d 的 正向电流大小成比例。高亮度白光l e d 驱动电路为单个高功率白光l e d 提供 能源，并输出恒定的l e d 驱动电流。 文章分析和设计了一种恒流驱动单个功率为l w 白光l e d 灯的驱动电路， 并成功通过整体电路的仿真，达到了预期的功能和性能的要求。驱动电路的结 构是采用电感式直流升压转换器，采用p w m 方式进行输出电流的控制。驱动 电路包含了一个最低输入电压仅为1 v 的启动电路，启动电路通过开环的升压 转换方式将输出电压提升到一个较高的电压值。在启动电路将输出电压提升到 较高电压时，启动电路关断，同时主控制环路从输出获得电源电压并开启工作： 输出检测电路通过检测输出电流的大小，将输出电流和一个基准电流的差值反 馈给p w m 控制电路来调制方波信号的占空比，最终达到恒定输出电流的目的。 驱动电路的输入电压的范围为1 0 v 3 2 v ；工作温度范围为4 0 。c - 一8 54 c 。 在完成了驱动电路原理分析与电路结构设计的基础之上，主要采用c a d e n c e s p e c t r e 等e d a 软件及c h a r t e r e d0 3 5 g mc m o s 工艺对各个模块子电路和系统 电路进行了仿真。仿真结果均达到了预定的指标，验证了理论设计。本论文重 点对以下子电路进行了理论分析和详细设计：1 v 带隙基准、p m o s 同步整流 管衬底控制电路、基准电流、传感放大器和p w m 逻辑控制电路等。 与其他的白光l e d 驱动电路相比，该高亮度白光l e d 驱动电路的主要创 新点在于其最低输入电压仅为1 v ，并且其输出电流精度高。输入电压低可以延 长电池的使用时间，输出电流精度高意味着l e d 的亮度误差小。 关键词：白光l e d 驱动器，p w m ，升压转换器，恒流输出 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i 曲i n t e n s i t yw h i t el i g h tl e d d r i v e ri sd e s i g n e df o rp o r t a b l el e di l l u m i n a t i o n a n df l a s hl a m p w h i t el i g h tl e di sc u r r e n t - d r i v e nd e v i c ea n di t sl u m i n a n c ei s p r o p o r t i o n a lt ot h ea m o u n to fc u r r e n tf l o w i n gt h r o u g ht h ed e v i c e t h el e dd r i v e r s u p p l i e sp o w e rf o ras t a n d a l o n eh i l g hp o w e rw h i t el i g h tl e da n do u t p u t ss t a b l e c u r r e n ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s t h i st h e s i sp r e s e n t st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fs i n g l e1ww h i t el i g h tl e dc i r c u i t d r i v e rb yc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs u p p l y t h ec i r c u i tm e e t st h ee x p e c t e df u n c t i o na n d p e r f o r m a n c ew i t hs u c c e s s f u ls y s t e ms i m u l a t i o n t h ed r i v e ri sm a i n l ya ni n d u c t a n c e d c d cb o o s tc o n v e r t e ra n dt h eo u t p u tc u r r e n ti sc o n t r o l l e db yp w mb l o c k t h e d r i v e rh a sas t a r t u pc i r c u i ta n di t sm i n i m u mi n p u tv o l t a g ei sj u s t1vt h es t a r t u p c i r c u i tb o o s t st h eo u t p u tv o l t a g et oah i g h e rl e v e lb ya no p e nl o o pc o n v e r s i o n w h e n t h eo u t p u tv o l t a g er e a c h e sas p e c i f i e dl e v e l ，t h es t a r t u pc i r c u i ti sp o w e ro f fa n dt h e m a i nc o n t r o ll o o pb e g i n st ow o r k ：b yt h ea m o u n to fo u t p u tc u r r e n t ，t h eo u t p u t c u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i tr e t u r n st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo u t p u tc u r r e n ta n da r e f e r e n c ec u r r e n tt ot h ep w mc o n t r o lc i r c u i t p w mc o n t r o lc i r c u i tt h e nt u n e st h e d u t yc y c l eo ft h es q u a r ew a v e f o r mt oa t t a i nas t a b l eo u t p u tc u r r e n t t h ei n p u tv o l t a g e o ft h ed r i v e rr a n g e sf r o m1 0 vt o3 2 va n dt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r ei sf r o m 4 0 。ct o 8 5 b a s e do nt h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g nt h e o r y so ft h ed r i v e r , t h i st h e s i sa d o p t s c a d e n c es p e c t r es i m u l a t o ra n d0 3 5 一g mc m o sm o d e lt os i m u l a t ee a c hb l o c ka n d s y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed r i v e rc i r c u i tm e e t st h ee x p e c t e ds t a n d a r d w h i c hp r o v e st h ed e s i g np r i n c i p l e s t h i st h e s i sh a sa ne m p h a s i so nt h ed e s i g na n d a n a l y s i so ft h ef o l l o w i n gb l o c k s ：l - vb a n d g a pr e f e r e n c e ，p m o ss y n c h r o n o u s r e c t i f i e rb o d yc o n t r o lc i r c u i t ，r e f e r e n c ec u r r e n t ，s e n s ea m p l i f i e ra n dp w m l o g i c c o n t r o lc i r c u i ta n ds oo n v i 上海大学硕士学位论文 c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lw h i t el i g h tl e dd r i v e r , t h em a j o ri n n o v a t i v e p o i n t so ft h i sh i g hi n t e n s i t yw h i t el i g h tl e dd r i v e ra r ei t sm i n i m u mi n p u ts u p p l y v o l t a g ea n dh i g ha c c u r a c yo u t p u tc u r r e n t l o wi n p u ts u p p l yv o l t a g ec a l lp r o l o n gt h e w o r k i n gt i m eo fb a t t e r i e s ，a n dh i g ha c c u r a c yo u t p u tc u r r e n tm e a n st h el u m i n a n c e e l t o ro fl e di sv e r yl o w k e y w o r d s ：w h i t el e dd r i v e r , p w m ，b o o s tc o n v e r t e r , c o n s t a n tc u r r e n to u t p u t v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：学期：丝竺 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蛐师签名：奎鞋 i 1 1 日期：矽眵3 兰 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 白光l e d 驱动电路是白光l e d 应用的一个核心器件。目前，白光l e d 主 要应用在手机和p d a 等低电源领域中。但是随着白光l e d 制备工艺的发展， 白光l e d 的发光效率和功率都得到了很大的提高，目前白光l e d 的应用开始 朝着照明的方向发展。白光l e d 新的应用方向也对白光l e d 驱动电路的设计 提出了更多的挑战，要求白光l e d 驱动电路有更高的转换效率、更高的输出功 率、更精确的亮度匹配与控制，对于便携式应用还应具有更长的使用时间。 1 1 选题意义 近年来，随着l e d 制备技术的进步，白光l e d 的发光效率逐渐得到提高。 白光l e d 具有无污染、长寿命、耐震动、抗冲击、发光效率高、高低温特性好 等诸多优点【l 】。与传统的照明工具相比，半导体照明工具，尤其是g a n 基白光 l e d 照明，在功耗及寿命方面均有不可比拟的优越性。传统白炽灯泡采用热发 光技术浪费了9 0 左右的能源，而发光二极管的效能转换率却非常高。专家指 出，白光l e d 照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的1 0 2 0 。普通灯泡寿命 只有1 0 0 0 小时，而白光l e d 灯寿命却可以达到1 0 万小时。白光l e d 用作照 明等用途受到极大的关注。 虽然目前白光l e d 在照明领域还没有完全能够从商用转为民用，但其在手 持便携式设备的背光照明、电子仪表显示照明等方面，已经显示出巨大的市场 潜力。尤其在手机和p d a 等低电源应用领域中，用户对背光和显示色彩的要求 越来越高。过去电致发光( e l ) 和冷阴极荧光灯( c c f l ：c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n t l i g h t ) 被广泛用于产生白光光谱，但这两种方式需要高压驱动，这在手机和p d a 应用中显然是不利的。因此，结构非常紧凑的白光l e d 正好满足其对体积和功 耗的苛刻要求，并且其无须高压电路，仅需要一个相对简单的l e d 驱动器驱动 即可，其可以减少电池消耗及节省空间，增加可靠性，成为理想的低成本方案。 当然，白光l e d 驱动器是白光l e d 获得稳定输出、亮度匹配以及节能等的基 础，所以对白光l e d 驱动电路的研究与设计成为本文的重点。 上海大学硕士学位论文 白光l e d 驱动电路的研究对白光l e d 灯这一新型照明器件的普及使用具有 巨大的促进作用。因为白光l e d 驱动器随着白光l e d 灯的出现而出现，白光l e d 因为白光驱动器的发展而得到广泛的应用，它们是相互依存，互相促进的关系。 也可以说白光l e d 驱动器的出现使白光l e d 灯的市场前景豁然开朗。 白光l e d 驱动器是在电源输出电压变化的情况，它通过升压、降压以及升 降压等调节模式，输出相对额定的或者可调节的电压电流，而使白光l e d 灯 的亮度相对恒定或者可调节，并且电能的转换效率很高，从而达到使白光l e d 灯亮度稳定、延长电池寿命的目的【2 1 。这样即达到了所“驱动的目的。本课 题研究的是用于便携式照明或者便携式l e d 闪光灯的高亮度白光l e d 驱动器 电路。在低电压( 1 0 v - 3 2 v ) 输入情况下，它将为单个大功率白光l e d 灯提 供恒定的输出电流；从而电池输出电压在使用过程中变化时也能使白光l e d 灯 亮度稳定，并具有很高的转换效率；到达了便携式应用中使用方便、电池使用 时间长、白光l e d 灯亮度稳定等要求。 1 2 国内外研究概况 目前已有白光l e d 驱动芯片产品的芯片设计公司主要包括凌特、a d i 、安森 美、t i 、美国国家半导体、美信、s i p e x 等公司。这些都主要是国外的设计公司， 国内主要有贝岭股份有限公司 3 】和新进半导体有限公司【4 1 几款关于l e d 驱动芯 片，国内其它的设计公司很少有专门设计此类芯片的。而国外的设计公司又主要 是凌特、美信及美国国家半导体的专用白光l e d 驱动芯片的种类相对较多。 而凌特公司的大多数l e d 驱动芯片【5 】，包括l t l 9 3 7 、l t 3 4 7 6 等都是驱动低功 率白光l e d 灯的，他们主要用于驱动蜂窝电话、p d a 、手持计算机、数码相机、 m p 3 播放器和g p s 接收机等便携式设备上的背光用白光l e d 或是手持电话和数码 相机等的闪光灯上的白光l e d 的驱动。这些驱动芯片具有体积小、效率高和调光 精确度高等特点；其他像l t 3 4 7 5 、l t c 3 2 1 6 等则是大电流( 1 a 左右) 驱动芯片， 主要用于建筑物、汽车、手电筒等照明应用。 美国国家半导体公司的l e d 驱动芯片主要分为高亮度l e d 驱动器和低功耗 白光l e d 驱动器【6 】。其中低功耗白光l e d 驱动器( 如：l m 3 5 9 0 、l m 2 7 5 3 ) 的l e d 2 上海大学硕士学位论文 驱动电流从2 0 m a 至u 2 4 5 0 m a ，效率从6 2 到9 2 不等，主要用于移动电话、p d a 等的屏幕及键盘背光照明和一般用途的l e d 照明。高亮度l e d 驱动( 如：l m 2 7 3 4 、 l m 5 0 0 7 ) 的驱动电流从5 0 0 m a 至1 2 0 0 0 0 m a 不等，效率基本上是9 0 以上，不过 对于目前l e d 的发展来说，有些驱动芯片都还超前了一点，其用途还未在l e d 驱 动领域大展拳脚，目前已经使用的l e d 驱动芯片主要用于数码相机和移动电话的 闪光灯，工业、汽车等照明方面。 目前国外已有公司销售采用l e d 驱动芯片的高亮度白光l e d 手电筒，其 功率有1 w 、3 w 和5 w 的规格。由一节或两节锂电池供电，根据其使用亮度不 同，可使用时间从2 小时到2 5 小时不等。目前已有“基于s p 6 6 4 8 的手电筒l e d 照明电路实现 的文章，专门介绍其驱动l e d 手电筒的驱动应用方案【7 1 。 1 3 课题内容、研究目标及创新点 1 3 1 课题内容 课题根据目前白光l e d 的照明应用发展趋势，设计驱动单个功率为1 w 的 白光l e d 驱动电路。设计出的驱动芯片主要应用于便携式l e d 照明或者便携 式l e d 闪光灯。 本课题是以电感式直流直流转换器的结构为基础，根据驱动l w 白光l e d 的具体要求来实现和完成驱动电路。课题首先根据要求，构建出整体的驱动电 路结构，然后再详细分析和设计各个模块子电路；接着采用具体的电路来实现 子电路的功能和性能要求，并通过电路仿真来验证其功能和性能；最后再通过 对整体电路的系统级仿真来验证驱动电路的整体功能和性能。 1 3 2 课题研究目标 课题的最终研究目标完成满足设计要求的高亮度白光l e d 驱动芯片的系统 级电路设计以及各个模块子电路的设计，通过软件仿真通过，并验证通过。 芯片主要满足以下几个指标：单个1 w 白光l e d 的恒流输出：3 5 0 m a ，误 差不超过3 5 m a ；具有低电压启动的功能：在输入电压仅为1 v 时芯片也可以 上海大学硕士学位论文 工作；负载开路的条件下，芯片具有保护功能；芯片具有较宽的工作温度范围： 一般为- 4 0 - - 8 5 。 1 3 3 课题创新点 虽然目前市场已经有不少白光l e d 驱动芯片出售，但是这些白光l e d 驱动 器主要都是驱动多个串联或者并联的小功率白光l e d 为主，主要用在中小屏幕 的l c d 背光灯中。而白光l e d 的一大发展趋势是大功率，因此本论文是根据 这样的需要来研究驱动大功率的自光l e d 驱动电路。相比于其他l e d 驱动电 路，本文的主要创新点在于： ( 1 ) 最低输入电压仅为1 v 。目前绝大部分的l e d 驱动电路都是采用锂电 池供电，其最低输入电压远远超过1 v 。输入电压低可以延长便携式应用时电池 的使用时间，提高电池的使用效率，减小频繁充放电对电池的损害。 ( 2 ) 输出电流的精度高。本文通过采用检测输出电流和基准电流的误差的 反馈方式来调节输出电流的大小，在输入电压范围内和使用温度范围内输出电 流的变化非常小，达到了很高的恒流输出精度。 1 4 论文主要结构及内容安排 本文的主要内容是研究设计一种恒流驱动单个功率为1 w 白光l e d 灯的驱 动电路。并对直流升压转换电路、p w m 调制以及恒流驱动等理论进行较深入 的分析。全文主要分为六个章节。 第一章：绪论。介绍自光l e d 驱动电路的国内外发展现状，本文的选题意 义、课题内容、创新点以及本论文的各章节安排。 第二章：白光l e d 及其驱动器。简要介绍白光l e d 的特点和应用领域以 及白光l e d 驱动器的特点和分类等。 第三章：白光l e d 驱动电路的整体结构。针对驱动单个l w 白光l e d 的具 体要求，设计适当的结构来构建驱动电路的系统框架图。 第四章：驱动电路各模块子电路的设计与实现。针对系统的要求，对驱动 电路中各个模块子电路进行研究与设计并通过仿真来验证其功能和性能。 4 上海大学硕士学位论文 第五章：整体电路的仿真。通过模块子电路构建出整个驱动电路。并通过 仿真验证其功能。 第六章：结论及展望。对本论文所作的工作进行小结，并对以后的工作提 出期望和要求。 上海大学硕士学位论文 第二章白光l e d 及其驱动器 半导体照明是本世纪最具发展潜力的高科技技术领域之一，白光l e d 将成为 2 1 世纪的新一代光源，可以替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源， 因此白光l e d 孕育着巨大的商机。随着白光l e d 的发展，它的应用越来越广泛。 以前，白光l e d 最常见的应用是作为小尺寸l c d 彩屏的背光。现在白光l e d 的发 光亮度得到提升，它的应用已普及到其它方面；例如手电筒照明或手机照相辅助 照明。本章主要介绍白光l e d 的特点、应用领域以及白光l e d 驱动器的分类等。 2 1 白光l e d 2 1 1 白光l e d 的特点 白光l e d 是最被看好的l e d 新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。 与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，白光l e d 具有体积小( 多只、多种组合) 、发热 量低( 没有热辐射) 、耗电量小( 低电压、低电流启动) 、寿命长( 1 万小时以 上) 、反应速度快( 可在高频下操作) 、环保( 耐震，耐冲击不易破，废弃物可 回收，无污染) 、可平面封装、易开发成轻薄短小的产品等优点。白光l e d 是被 业界看好在未来1 0 年内成为替代传统照明器具的一大潜力产品。 目前白光l e d 仍处于初期发展阶段，在使用寿命上仍待改进，价格过高是其 未能普及的主要原因。日本业者估计，l e d 晶粒成本需由1 9 9 9 年的每只1 美元降 至0 2 美元以下，市场才有更高的接受度【s 】。未来白光l e d 的应用市场将非常广泛， 包括手电筒、装饰灯、l c d 背光光源、汽车内部照明、投影灯源等，不过最被看 好的市场以及最大的市场还是取代白炽灯及荧光灯。 白光l e d 的亮度和功率的每一次提高，都进一步扩展了它的应用领域。从 2 0 0 0 年开始，功率型白光l e d 已被用于特殊照明领域。2 0 0 2 年，三菱电机用它作 为可拍照移动电话的闪光灯。此外，目前白光l e d 的景观照明、庭院灯等方面已 大量应用。从发光效率看，一旦其跨进6 0 1 m w ( 相当于2 0 w 的荧光灯) ，白光 l e d 将迅速普及。未来5 6 年中，若发光效率突破1 0 0 1 m w ，再加上单价继续下 6 上海大学硕士学位论文 降，则到2 0 0 8 2 0 1 0 年，白光l e d 照明将逐渐普及至一般家庭的照明灯具，正式 成为2 1 世纪的照明新光源【9 1 。 2 1 2 白光l e d 应用领域 自2 0 世纪9 0 年代陆续开发出磷化铝镓铟( a 1g a i n p ) 与氮化镓( g a n ) 等二种材 料后，长期以来，可见光l e d 发展趋势主要以高亮度化、全彩化及白光技术为主， 虽然相关技术专利多由日本大厂掌握，不过由于其应用层面相当广泛，且很具市 场规模，因此在各国纷纷投入后，已突破垄断。至于其主要应用层面如下【1 0 】： ( 1 ) 汽车方面 汽车车内照明的应用是l e d 大力发展的重点之一，目前已使用在仪表板背光 源、开关指示灯、功能指示灯及第三刹车灯等辅助光源，并扩大用途至门灯、阅 读灯、照明灯、方向灯、尾灯等开发。此外，b u s 为其另一个新应用市场，使用 的灯具有标示灯、刹车灯、转弯灯、尾灯等。由于l e d 具有使用寿命长、维护成 本低及节省电力的优势，高功率、高亮度l e d 在汽车市场的应用应有相当大的发 展空间。 ( 2 ) 交通信号 由于l e d 灯较白炽灯具有节约能源价值，且因多集结为一个信号灯，不似单 一灯泡故障后功能全无而影响交通安全，因此在交通信号灯上的使用渐趋普遍， 在我国推展l e d 交通信号灯已十余年。由于交通信号需面对严苛的户外气候条 件，l e d 具有省电、寿命长、维修频率大为减少等优点，取代传统灯泡应用交通 信号应是未来趋势。 ( 3 ) 照明应用 白光l e d 具有发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、体积小、可平 面封装等优点，而就发光效率约3 0l m w 来看，已超过传统灯泡( 效率15l m w ) ， 而距荧光灯管( 效率8 01 m w ) 尚有一段差距。再加上照明设备发展已超过百年， 其价格早已相当普遍化，因此相关厂商大量投入技术研发。 7 上海大学硕士学位论文 2 2 白光l e d 驱动器 驱动器可以看作是向白光l e d 供电的特殊电源，可以驱动正向压降为2 8 4 3 v 的白光l e d ，并根据需要驱动串联、并联或者串并联的多个白光l e d ，满足 驱动电流的要求。对驱动器的主要要求如下： ( 1 ) 为满足便携式产品的低电压供电，驱动器应有升降压功能，以满足1 3 节碱性n i m h 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为 止。 ( 2 ) 驱动器应有高的功率转换效率，以提高电流的寿命或者两次充电之间 的时间间隔。目前高的可达8 0 9 0 ，一般可达到6 0 8 0 。 ( 3 ) 在多个白光l e d 并联使用时，要求各白光l e d 的电流相匹配，使亮度 均匀。 ( 4 ) 功耗低，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态 电流应小于1 衅。 ( 5 ) 白光l e d 的最大电流i l e d 可设定，使用过程中可调节白光l e d 的亮度。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 小尺寸封装，并要求外围组件少而小，所占印刷板面积小。 ( 8 ) 对其他电路的干扰影响小。 ( 9 ) 使用方便，价位低。 2 2 1 驱动电路的分类 从供电电压的高低可以将驱动器分成三类： ( 1 ) 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 ，它主要采用升压式直流变换器或者升压式( 或升降压式) 电荷泵变换器，少数采用l d o 电路的驱动器。 ( 2 ) 大于5 v 供电，如6 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v 或者更高，有稳压电源或蓄电池 供电，它主要用降压式或升降压式直流直流变换器。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 直接由市电( 2 2 0 v ) 或相应的高压直流电( 如4 0 - 4 0 0 v 供电) ，主要 用于驱动大功率白光l e d 串，采用降压式直流直流变换器驱动电路。 过去认为有电感的升压式直流变换器可输出较大的电流【l l 】。近年来，电荷泵 式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1 2 a ，并且两者在转换效率上也不相 上下。对于采用l d o 电路的驱动器，无需外围组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。这种驱动器主 要用于l 节锂离子电池的场合，并需要正向电压低的白光l e d 。可以用作白光l e d 驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型： ( 1 ) 恒流源 绝大多数l c d 背光照明装置都配有亮度控制器以便使用中根据环境光线的 强弱进行相应调节。由于l e d 的光子发射源于电子、空穴对的复合，故其发射速 率以及发光强度均与l e d 的正向电流成比例。为此，可控恒流源也是实现亮度控 制最简单的方案。但因白光l e d 的“色温 也与工作电流直接相关，这类控制方 案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变差，故而仅能用于按钮照明之 类对于颜色保真度要求很低的场合。l c d 背光装置则大多采用p w m 电源为l e d 供电，以避免这一“色偏 问题。 从使用的角度来看，对于电源电压较高的车载设备，南于多个白光l e d 可以 串联使用，所以采用配有脉宽调制器的集电极开路( o c ) 或电流镜输出级即可 构成简单的l e d 驱动器。 在电源电压较为有限的应用场合，多个白光l e d 只能以并联方式工作。此时， 按照传统的设计方法，通常需为每只白光l e d 配备独立的限流电阻，借以克服白 光l e d 正向压降一致性差以及不可直接并联工作的弊端。不过目前多已改用集成 恒流源为白光l e d 供电，可以消除电源电压变动所造成的不利影响。 ( 2 ) 电荷泵 白光l e d 的正向压降可以高达4 v ，但是目前的大量手持电子设备多以单一锂 电池供电，此时已经无法再由设备电源直接驱动白光l e d 而必须借助于各类电源 变换器件。可以用作白光l e d 驱动器的电源变换器件包括不少种类，其中应以电 压输出型电荷泵电路最为简单。目前市场上类似的产品有国半( n a t i o n a l 9 上海大学硕士学位论文 s e m i c o n d u c t o r ) 的l m 3 3 5 4 开关电容变换器，其电源电压范围为2 5 v - 5 5 v ，输 出电压有一系列标称值可供选择，用作白光l e d 驱动器时应选择4 1 v 标称输出电 压。l m 3 3 5 4 的开关工作频率为1 m h z ，故而可以采用容量较小的开关电容器。 l m 3 3 5 4 的最大输出电流为9 0 m a ，带有片内过热保护电路，静态电流与关断状态 电流分别为4 7 5 肛a 和5 肚a 。 ( 3 ) 开关电源 电荷泵是以电容器作为储能元件，但以升压式开关电源作为白光l e d 驱动器 的应用也较为广泛。事实上，以电感式作为储能元件的电感升压式开关变换器， 在电压提升的效能方面要优于电荷泵变换器。用作白光l e d 驱动器的电感升压式 开关变换器多为电流输出型。 目前，小功率集成电感升压式开关变换器多带有作为功率开关的片内n 沟 m o s f e t 管，对于效率要求比较高时也采用p 沟m o s f e t 管作为同步整流管，但 是储能电感通常仍需外接。但是，无论是车载、便携还是手持电子设备的设计， 电源效率都是一个不可忽略的重要问题。然而，对于白光l e d 驱动电路来说，各 类集成器件变换效能的比较来看并不是那么简单。按照常规，器件生产厂商提供 的电源变换效率指标均定义为输出电功率与输入电功率之比，但是白光l e d 的正 向压降往往相差数百毫伏之多，足以影响其实际消耗功率在驱动器件输出总功率 中所占的比例，即白光l e d 驱动电路中消耗于限流电阻或电流镜输出管压降之类 的无用功率对于实际的电源变换效率往往具有很大影响，采用不同电路结构形式 的驱动器件时尤为显著。而测定白光l e d 工作于特定正向电流时的电源输入功 率，才是比较驱动电路变换效率的可靠方法。采用多只白光l e d 串联使用的方案 有利于提高驱动电路的整体效率，但是在实际应用时这一方法将会受到以下两方 面的限制： ( 1 ) 驱动电路的最高输出电压值通常为有限值，所以同一支路中自光l e d 的串联个数不可能太多。 ( 2 ) 目前白光l e d 产品的一致性并不令人满意，同一支路中通常须用同一 厂商统一生产批次的白光l e d ，才能基本保证整个照明面积具有足够均匀的照 度。 l o 上海大学硕士学位论文 目前提高驱动电路变换效率的余地可以说已经相当有限，然而从白光l e d 本身的发光效率看来却还大有潜力。所谓的白光l e d ，其实是利用一种紫蓝光 l e d 所发出的短波长紫蓝光激发涂布于输出光学透镜内壁的荧光材料，进而生 产波谱较宽的白色复合光【1 2 】。由此可见，白光l e d 的紫蓝光管芯、荧光材料乃 至光学透镜均可影响其发光效率。近年白光l e d 生产厂商研发的新一代 n s c w 2 1 5 系列产品的发光效率较上一代整整提高了5 0 。另外，在大功率白 光l e d 的开发方面亦有所进展，目前已经研制成功正向电流达到安培级的白光 l e d ，在作为交通信号等适合白昼使用的照明指示光源方面颇有竞争力。 2 2 2 高亮度白光l e d 驱动电路 高亮度白光l e d ( h i g hi n t e n s i t yw h i t el e d ) 是一种半导体器件，只允许电 流按一个方向流动。它是由两种半导体材料结合后所形成的p n 结构构成的。 白光h i l e d 与标准白光l e d 的差别在于它的输出功率，传统白光l e d 的输 出功率一般都限定在5 0 m a 以内，而白光h i l e d 可达1 - s w 。 在正向电压v f 超出内部门槛电压前，白光h i l e d 上几乎没有正向电流流 过。如果正向电压v f 进一步升高，曲线将以线性斜率突然快速上升。白光 h i l e d 的输出亮度与正向t 乜流成正比【1 3 】。因此，如果输出电流i f 未得到适当 控制，输出亮度可能达不到理想的效果。另外，正向导通电流如果超过规定的 最大i f 的限制，还可能严重缩短白光h i l e d 的使用寿命。 就系统的设计的观点而言，驱动白光h i l e d 有三个主要相关问题： ( 1 ) 提供一个高效率电源。 ( 2 ) 调节白光h i l e d 的电流。 ( 3 ) 当灯光关闭时，确保白光h i l e d 完全从电源端切断。 白光h i l e d 工作时的正向导通电压为3 5 v 左右，典型的正向电流为3 5 0 m a 。 较高的白光h i l e d 正向电流( f l a s h 模式，5 0 0 - - - 7 5 0 m a ) 导致较高的正向电压， 较低的正向电流( t o r c h 或v i d e o 模拟，1 0 0 - - 3 5 0 m a ) 则产生较低的正向电压。 而正向电压也会随温度呈反向变化，白光h i l e d 的正向电压会随着温度的上升 产生数百毫伏的漂移。所以，高效率的供电是保证白光h i l e d 正常工作的前提， 上海大学硕士学位论文 因为白光h i l e d 的正向电压将依据工作状况而变化。 最常见驱动白光h i l e d 的解决方案是利用一个传统直流升压( d c d c b o o s t ) 变换器，搭配一个从反馈端至地端的电阻器以调节白光h i l e d 的电流。 以此方式，升压变换器的输出会连接至白光h i l e d 的正极，而白光h i l e d 的电 流则由阴极经反馈电阻器流至接地端。其输出电压会一直上升直到白光h i l e d 的电流达到反馈电阻器的设定值，即跨接在反馈电阻器两端的电压下降到反馈给 定电流。虽然此方式可提供精确的电流调节，但也有很多缺点，最严重的是效率 不佳。但在短时间f l a s h 的应用场合中，高效率并不是主要的，而t o r c h 或v i d e o 模式的效率将因长时间工作而成为关键，升压变换器的效能在t o r c h 模式下是最 低的。以一个升压式的电路架构而言，输入电流将保证大于或等于输出电流，因 为白光h i l e d 的正向电压通常低于电源电压，即使在最佳情况下，相对于一个 降压或全桥式电路而言，升压式电路的效率是不很好的。此外，由于升压变换器 无法控制输出电压低于输入电压v n ，一个相对较高的反馈电压因而成为必需的， 以确保调节器永远为升压，以高输入电压及低l e d 电压状态调节白光h i l e d 的 电流。对于高反馈电压的需求降低了效率，因为l e d 电流和反馈电阻上的电压的 乘积i l e d v f b 代表额外的功率损失。在多数高亮度相机闪光灯应用中，6 0 7 0 的效率为一般升压式电路的典型值。 2 3 本章小结 任何一款集成电路芯片的设计都是以应用前景或者市场导向为基础的。虽 然集成电路己应用在生活和社会的各个方面，但是随着科学和技术的进步，对 集成电路的设计提出了更多更高更新的要求。本文就是在以目前发展潜力巨大 的l e d 照明应用为基础，设计一款应用于白光l e d 照明的驱动芯片。 本章首先简要介绍了当前白光l e d 的一些技术特点和应用领域，体现它相 对于目前市场成熟产品的一些优点。其次本章还介绍了对白光l e d 驱动电路的 设计要求以及主要的一些用于驱动白光l e d 的电路结构。在本章的后面部分， 针对本文所要设计的高亮度白光l e d 驱动电路做了一些技术和特点的分析。从 第三章开始将对本文所设计的高亮白光l e d 电路做具体的分析与介绍。 1 2 上海大学硕士学位论文 第三章高亮度白光l e d 驱动电路的整体结构 一个完整的白光l e d 驱动电路除了具有良好的性能之外，其还应该具有各种 辅助的功能，能够应用在不同的解决方案之中；并且驱动电路还应具备保护功能， 以应对外界环境对驱动电路的影响。 本章从高亮白光l e d 的驱动要求出发，提出了具体的系统框架图，并对驱动 电路的一些主要参数进行了分析。 3 1 驱动电路的整体结构 本文设计一款单个l w 高亮白光l e d 驱动器，其提供了一个恒定电流输出。 它是一个高转换效率的升压型d c d c 转换器，可采用单节或者两节n i m h 或碱性 电池作为工作电源，可产生3 5 0 m a 的恒定电流输出。因为本文所设计的l w 高亮 白光l e d 驱动电路主要应用于便携式照明或者便携式照相机中的闪光灯。所以， 其应该具有如下特点： ( 1 ) 芯片外部元件少并且小：即可提供比较简单的应用方案，并且外部可 以采用贴片器件等体积较小的元件以节约空间以供便携式应用。 ( 2 ) 转换效率高：作为便携式应用，首要考虑的问题就是电池的使用时间， 提高驱动电路的转换效率是最直接的延长电池使用时间的方法，同样较低的静态 电流也是提高转换效率的另一种方法。 ( 3 ) 能在较低电压下工作：能在较低电压下启动，可以减小电池的充电时 间间隔，延长电池的使用时间。 ( 4 ) 具有负载开路的保护功能：如果负载开路或者损坏，根据直流升压电 路的原理，输出电压会不断升高，如果输出电压不加以限制，这样有可能造成驱 动电路不可逆的损坏。 根据上面对单个l w 白光l e d 驱动器的要求，在本文的设计中选用电流反馈 控制模式和电感式直流升压转换结构，电路工作于连续性( c c m ) 工作模式【1 4 】。 电流反馈模式本文采用通过检测l e d 导通电流与基准电流的差值放大进行反馈 控制的方式来实现，这样可以使输出电流变化做出较快响应，并且可以维持电流 上海大学硕士学位论文 的稳定。本设计的系统框图如图3 1 所示： = 图3 1高亮度白光l e d 驱动电路结构框图 图3 1 中：虚线框中为本设计中芯片内部电路，虚线框外为外部元件。外部 原件包括：一个电感器和一个输出电容器。 3 2 驱动电路的工作原理 驱动电路的工作原理如下： ( 1 ) 当输入电压v n 上电时，启动电路工作，并且反馈控制主环路是关断的。 这个时候电路形成一个开环并具有固定占空比的直流升压电路。启动电路可以在 输出电压仅为l v 的时候工作。 ( 2 ) 当输出电压被提升超过2 5 v 时，反馈控制主环路打开并从输出端获得 工作电源，并同时关断启动电路。 ( 3 ) 反馈控制主环路中传感放大器通过检测输出电流和参考电流的差值， 1 4 上海大学硕士学位论文 然后将其缓慢变化的差值通过p w m 调制电路调节占空比从而达到稳定输出电流 的目的。其中，传感放大器采用积分电路来实现。 ( 4 ) 由于本驱动电路是一个试图向负载输送驱动电流的升压型转换器，因 此，一个负载开路或者高阻抗负载将导致稳压器环路提高输出电压。这个时候过 压检测放大器会将输出电压限制于4 5 v 。 ( 5 ) 芯片工作的整个过程中，迟滞比较器和控制电路将p f e t 同步整流管的 衬底始终与输入电压和输出电压的最高者相连，以保证芯片工作的整个过程中 p f e t 同步整流管的衬底和源极始终反偏。 设计中可按不同功能划分芯片内部电路。这些功能模块主要包括：基准电压 源、基准电流源、r c 振荡器、锯齿波发生器、p w m 逻辑电路、传感放大器、l e d 电流控制电路、功率管控制和驱动电路、开关n f e t 峰值电流限制电路、输出电 压限制电路和p f e t 衬底控制电路。对于各个模块的具体功能将在下一章中详细 介绍。 本芯片的各个输入输出引脚如下： ( 1 ) v t s ：电源输入管脚； ( 2 ) s w ：开关输入，连接内部功率n f e t 开关和p f e t 同步整流管的漏极； ( 3 ) c a p ：滤波电容器，应将一个4 7 心低e s r 电容器连接至该管脚； ( 4 ) l e d ：至l e d 的输出驱动电流； ( 5 ) g n d ：电路地。 3 3 芯片外部元件参数的选择 3 3 1 电感器参数的选择 本文设计中采用较高的工作频率一1 3 m h z ，因此设计中允许采用小型表面贴 装电感器。最小电感值与工作频率成比例【15 1 ，并受限于以下约束条件： 三手日 n ， 以及 上海大学硕士学位论文 其中： 仁工作频率( h z ) 坚嗟骆警浏日 ( 3 2 ) 一 f 木纹波幸v o ( m a ) 【) “ v 一7 v i n ( m i n ) = 最小输入电压( v ) v o u t ( m a x ) = 最大输出电压( v ) 电感器电流纹波通常被设定为电感器电流的2 0 至4 0 。峰值电感器电流由 下式给出： il p k2 i o 汀 ! 竖丛! q 塑：墨! 二墨盟：丛+ y l n r n 卑i 时 其中： v 旷输入电压( v ) v o = 输出电压( v ) i o v r = l e d 驱动电流( a ) i i n = 输入电流= v o u t 玳* i o t r r ( a ) r p = p f e t 同步整流管的r d s o n ( q ) r n = n f e t 开关的r d s o n ( q ) 为了获得高效率，应选择一个采用高频磁芯材料( 例如：铁氧体) 的电