（通信与信息系统专业论文）大功率led驱动芯片的研发.pdf

学位论文的主要创 一、芯片中锯齿波振荡器采用c m o s 工艺， 二、电流采样电路采用无损采样s e n s e f e t 联采样电阻的方法，降低了损耗。 摘要 白光l e d 具有发光强度大、效率高、体积小、寿命长等优点，被认为是当前 最具有潜力的光源之一。为了充分发挥其优势，良好的驱动是不可或缺的。大功 率白光l e d 驱动芯片已成为目前电源管理芯片市场的研究热点。 驱动白光l e d ，关键是要提供恒定的电流，以保证发光强度的稳定和均匀。 利用升压式d c d c 转换器来驱动白光l e d 具有高效率、高精度、高匹配度、应用 灵活等优点。本文主要研究用于大功率白光l e d 驱动的升压式d c d c 芯片。 本文首先搭建了芯片的整体构架，芯片采用了功率管内置的电流模式p w m 调 制方式，从而提高了转换效率。接着，设计了芯片中的带隙基准电路、运算放大 器电路、振荡器电路、比较器电路、电流采样及斜率补偿电路、误差放大器电路、 输出过压保护电路、过热保护电路、功率管栅极驱动电路等，并给出了仿真结果。 其中，电流采样电路采用无损采样s e n s e f e t 方法代替传统的直接串联采样电阻 的方法，降低了损耗。在各个单元模块分别仿真成功的基础上，并对芯片进行了 全局仿真，转换效率在7 0 0 , 6 以上，输出电压达到1 5 v 时可以实现有效地过压保护， 能够实现p w m 亮度调节功能，仿真结果表明设计的芯片达到了预期的要求。 版图设计是芯片设计的重要步骤，文中详细介绍了模拟芯片版图设计的注意 要素以及设计技巧，并针对内置的高宽长比m o s 管进行了详细介绍。 关键词：大功率l e d ；升压式d c d c ；带隙基准电路；电流采样电路；斜率 补偿电路；输出过压保护电路；过热保护电路； a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gl i g h ts o u r c e s ，w h i t el e d h a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha sh i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y , h i g hl u m i n o u si n t e n s i t y , l o n gl i f ep e r i o de t c i n o r d e rt og i v ef u l lp l a yt oi t sa d v a n t a g e s ，ag o o dd r i v ei se s s e n t i a l h i g h 。p o w e rw h i t e l e dd r i v e ri ch a sb e c o m eaf o c u si nt h ep o w e rm a n a g e m e n tc h i pm a r k e r i no r d e rt oe n s u r eas t a b l ea n du n i f o 瓶l u m i n o u si n t e n s i t yo fw h i t el e d ，a c o n s t a n tc u r r e n tm u s tb ep r o v i d e d u s i n gs t e p u pd c d cc o n v e r t e rt od r i v e rw h i t e l e di sam a j o rm e t h o do fp o r t a b l ea p p l i c a t i o n s t h ed e s i g no ft h es t e p u pd c d c c o n v e r t e rc h i pi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s i nt h em a i np a r to ft h i st h e s i s ，t h ew h o l ec h i p ss t r u c t u r ei sc o n s t r u c t e d i no r d e r t oi m p r o v ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , t h ep o w e rm o s f e t si sb u i l t i na n dt h ec u r r e n t m o d ep w mc o n t r o li su s e d a n dt h e n ，t h es u b c i r c u i t ss u c ha sb a n d g a p ，o p a m p ， o s c i l l a t o r , c o m p a r a t o r , c u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i t a n ds l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，e r r o r a m p l i f i e r , o u t p u to v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，o v e r - t h e r m a lp r o t e c t i o nc i r c u i t ，g a t e d r i v e rf o rp o w e rm o s f e t sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls e r i e sr e s i s t o rt e c h n i q u e ，t h el o s s l e s ss e n s e f e tt e c h n i q u e i su t i l i z e d ，w h i c hr e d u c e st h ep o w e rd i s s i p a t i o n f i n a l l y , t h ew h o l ec h i ps i m u l a t i o n r e s u l t sb ys p e c t r ea r eg i v e n ，t h ee f f i c i e n c yi sa b o v e7 0 ，a n dt h eo v e r - v o l t a g e p r o t e c t i o na n dp w m l u m i n a n c em o d u l a t i o na r ee f f e c t i v e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g no fc h i p st oa c h i e v et h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s l a y o u t i sa ni m p o r t a n ts t e pi nc h i pd e s i g n t h ea n a l o gc h i pl a y o u td e s i g n e l e m e n t sa n dd e s i g ns k i l l sa r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r ，a n dt h eh i g hw i d t hl e n g t hr a t i o a r ed e s c r i b e di nd e t a i l k e yw o r d s ：h i g h p o w e rl e d ，s t e p u pd c d c ，b a n d - g a p ，c u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i t ，s l o p e c o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，o u t p u to v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，o v e r - t h e r m a lp r o t e c t i o nc i r c u i t 目录 第一章绪论1 1 1 人类照明历史的发展1 1 2l e d 发光原理及特点一l 1 2 1 白光l e d 的产生方式2 1 2 2 白光l e d 作为照明光源的特点2 1 2 3 国内外l e d 的研究现状3 1 2 4 大功率l e d 的应用5 1 3 大功率白光l e d 驱动电路现状和趋势5 1 3 1 线性电源6 1 3 2 电容式开关电源7 1 3 3 电感式开关电源8 1 4 白光l e d 的电学模型9 1 5 论文主要研究内容和结构安排1 0 第二章驱动电路原理和设计方案确定1 1 2 1d c d c 变换器的主要拓扑结构1l 2 1 1b u c k 变换器1 1 2 1 2b o o s t 变换器1 1 2 1 3b u c k - b o o s t 变换器一1 2 2 1 4c u k 变换器1 2 2 2b o o s t 变换器的工作原理1 3 2 2 1 连续模式c c m 的稳态特性分析1 4 2 2 2 断续模式d c m 的稳态特性分析1 6 2 3d c d c 变换器的调制方式1 8 2 3 1p w m 调制方式1 8 2 3 2p f m 调制方式1 9 2 3 3 调制方式选择1 9 2 4d c d c 变换器的控制方式1 9 2 4 1 电压控制模式2 0 2 4 2 电流控制模式2 0 2 5 本章小结2 1 第三章芯片整体设计2 3 3 1 设计要求2 3 3 2 顶层结构的搭建2 3 3 2 1 芯片结构图2 3 3 2 2 芯片模块介绍2 4 3 3 芯片的应用2 4 3 4 本章小结2 5 第四章芯片模块电路的设计及仿真2 7 4 1 带隙基准电路2 7 4 2 多值偏置产生电路的设计3 0 4 3 运算放大器3 2 4 3 1 增益提高技术3 2 4 3 2 整体电路结构3 3 4 4 振荡器产生电路3 4 4 4 1 充电电流i 的设计3 4 4 4 2 比较器电路3 5 4 4 3r s 触发器的设计。3 6 4 4 4 振荡器性能仿真3 7 4 5 电流采样及斜率补偿电路3 8 4 6 过热保护电路4 1 4 7 输出过压保护4 3 4 8 功率管驱动电路4 4 4 9 逻辑控制电路4 6 4 1 0 整体电路仿真4 7 4 1 1p w m 方法亮度调节。4 7 4 1 2 本章总结4 8 第五章驱动芯片的版图设计4 9 5 1 版图设计介绍4 9 5 1 1 版图之前的准备工作4 9 5 1 2 版图设计中注意的因素4 9 5 2 模块电路的版图设计5 2 5 2 1 运算放大器的版图设计5 2 5 2 2 基准电压源的版图设计5 3 5 2 3 输出级功率n m o s 管的版图设计5 3 5 2 4e s d 保护电路的设计5 4 5 2 5 其它电路模块的版图设计5 5 5 3 整体电路的版图设计5 8 5 4 版图验证及后仿真5 9 5 5 本章小结6 0 第六章总结与展望6 1 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况说明6 5 一、发表论文6 5 二、参加的科研项目6 5 致谢6 7 i i 第一章绪论 1 1 人类照明历史的发展 第一章绪论 人类照明史的发展主要经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明三个阶段。 从本质上讲，照明器件的发展过程就是人类在4 2 5 n m 一6 7 5 n m 可见光谱内不断寻求 一种具有高发光效率的发光方式的过程。最近兴起的固体照明被认为是继荧光灯 照明之后，人类照明史上的又一次历史性飞越。最原始的火光照明，通过燃烧树 木，油等燃料发出火光来满足人类所需的光源。但由于火光的大部分光谱位于可 见光光谱的范围之外，而且燃烧产生的9 0 的能量均转化成了热能，因此火光照 明的效率非常低。加上化学燃料的燃烧经常伴随着对环境有污染的气体的产生， 人们便开始寻找和开发发光效率更高的照明器件。1 9 世纪末，爱迪生发明了白 炽灯，从此改写了人类照明的历史，人类走向了用电照明的时代。首先，它摒弃 了传统的化学燃料，而采用电能作为发光驱动能源，因此具有无污染、易输运的 优点。其次，虽然其发光频谱大部分还是；落在可见光频谱之外，但它的出射光 的峰值位于可见光谱的附近，因此发光效率比火光照明有很大的提高。再接下来 是荧光灯，荧光灯利用电能作为驱动能源来激发低压气体产生窄带出射光，通过 控制将窄带出射光的波长几乎全部集中在可见光谱的某一窄带范围内，因此其发 光效率大大高于白炽灯。同时，气体灯，如高压钠灯也出现在户外照明的应用中。 近几年，固体照明，尤其是小功率、大功率白光l e d 照明开始出现在人类 照明生活中。l e d 灯的光效目前可达1 1 0l m w ，裸芯寿命约1 0 0 0 0 0 小时，封装 后的成品也可达5 - 6 万小时。而且随着技术的发展，l e d 灯的光效也在迅速的增 长。因此，l e d 照明产品备受大家的青睐，被称之为第四代照明光源。 1 2e e l ) 发光原理及特点 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是发光二极管的英文简称，是一种直接将电能转 换成可见光的半导体器件，属于高效固态冷光源产品。通常由i i i v 族元素的化 合物，例如砷化稼( g a a s ) 、氮化稼( g a n ) 等化合物制成的半导体光源。发光原理 是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体材料的p n 结中注入的空穴与电子复合时引起光子发射而产生光，从而把电能直接转换成光 能2 1 。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 1 白光l e d 的产生方式 如何制造出具有高显色性、高发光效率的白光l e d ，是l e d 能够在一般照 明中广泛使用的一个前提。对于白光l e d 而言，发光效率、显色性以及成本都 决定着它在照明市场中的竞争力。当前制备自光l e d 的方法可以分为三种口1 ： ( 1 ) 光转换型：单芯片加荧光粉合成白光技术，是现在使用最广泛的方法， 但存在能量损失和光效率不高现象。 ( 2 ) 多色组合型：红、绿、蓝( r g b ) 多芯片组合白光技术，由于发光全部 来自l e d ，不需要进行光谱转换，能量损失较小，效率最高，但供电系统和安 装结构较复杂，颜色空间分布不均匀，成本较高。 ( 3 ) 多量子阱型( m o c v a ) ：在芯片发光层的生长过程中掺杂不同杂质生长 出能产生互补色的多量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合发射白光，该 方法技术要求很高，目前还难以达到产业化。 1 2 2 白光l e d 作为照明光源的特点 白光l e d 作为新型的半导体照明光源，其特点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 节能 白光l e d 照明第一个突出的特点就是节能。虽然按一般光效定义的l e d 的发 光效率并不算高，但由于l e d 的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到 8 0 9 6 - 9 0 9 6 ，而白炽灯的可见光转换效率仅为1 0 一2 0 。预计未来大功率l e d 照明 的耗电量仅为相同亮度白炽灯的1 0 一2 0 。 ( 2 ) 光色纯，光线质量高 单一颜色l e d 的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光波段。 ( 3 ) 寿命长 普通白炽灯和荧光灯的寿命只有1 0 0 0 小时，而大功率l e d 灯的寿命却可以 达到1 0 万小时。 ( 4 ) 可靠、耐用 大功率照明l e d 以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠 性，甚至在水下也能长时间稳定的工作。并且它没有传统灯泡的钨丝、玻璃壳灯 易碎部件，维修费用低廉。l e d 的工作温度范围很广，在一4 0 一8 5 之间均能正 常工作。 ( 5 ) 发光体接近点光源 l e d 的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源， 而点光源的光源辐射模型是最简单的，这有利于l e d 的灯具设计。其他光源都不 第一章绪论 能看成点光源，在灯具设计时首先要建立一个光源辐射模型，处理起来有一定的 难度。 ( 6 ) 响应快 白炽灯的相应时间为毫秒级，而大功率照明l e d 的开关相应时间为纳秒级， 无频闪。因其响应时间段，用作汽车灯时反应快，可延长刹车的反应时间，从而 减少交通事故的发生几率。 ( 7 ) 控制灵活 通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。 ( 8 ) 环保 大功率照明l e d 的工作电压为3 4 v 左右的直流电，没有电磁干扰。而且不 同于日光灯点亮后会产生汞蒸气及二氧化碳和其它温室气体污染物，l e d 产生的 废物很少。同时，其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的十分之一，利于稀土资源 的可持续利用。 综上所述，l e d 在作为照明光源与其他照明方式相比具有相当大的优势，在 照明应用方面具有诱人的前景。近年来，照明白光l e d 的发光效率正在逐步提高， 商品化的器件已达到1 0 0 1 m w 左右。但是，白光l e d 想要在照明中全面普及，还 需要解决一些技术性问题，主要包括光提取效率低、散热问题以及价格偏高的问 题，其中价格偏高是影响l e d 普及的最主要问题。 1 2 3 国内外l e d 的研究现状 全球第一款商用化发光二极管( l e d ) 是在1 9 6 5 年用锗材料做成的，随后 不久m o n s a n t o 和惠普公司也推出了用g a a s p 材料制作的商用化l e d 。这些早期 的红色l e d 每瓦大约能提供0 1 流明( 1 u m e n s ) 的输出光通量，比一般的6 0 至1 0 0 瓦白炽灯的1 5 流明要低上1 0 0 倍。1 9 6 8 年，l e d 的研发取得了突破性进展， 利用氮掺杂工艺使g a a s p 器件的效率达到了1 流明瓦，并且能够发出红光、橙 光和黄色光。到1 9 7 1 ，业界又推出了具有相同效率的g a p 绿色裸片l e d 。1 9 7 2 年开始有少量l e d 显示屏用于钟表和计算器。几乎与此同时，惠普与德州仪器 也推出了带7 段红色l e d 显示屏的计算器。到2 0 世纪7 0 年代，由于l e d 器 件在家庭与办公设备中的大量应用，l e d 的价格直线下跌。事实上，l e d 是那 个时代主打的数字与文字显示技术。随着第二代半导体材料氮化镓的突破和蓝、 绿发光二极管的问世，以及随之而来的白色l e d 的成功研制，大大拓展了l e d 的应用领域，从此开始形成了一个快速发展的l e d 照明产业。 目前，世界l e d 产业投资是很热的一个重点项目，全球各国对l e d 的研发 生产都比较重视。日本已经实现1 9 9 8 2 0 0 2 年耗资5 0 亿日元推行白光照明，整 天津工业大学硕士学位论文 个计划的财政预算为6 0 亿日元。美国2 0 0 0 年制定的“下一代照明计划 被列入 了能源法案，计划从2 0 0 0 2 0 1 0 年，投资5 亿美元，用l e d 取代5 5 的白炽灯 和荧光灯，预计到2 0 2 5 年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年 节点额达3 5 0 亿美元，形成一个每年产值超过5 0 0 亿美元的半导体照明产业市场叫。 中国也正在加快l e d 发展的步伐。我国科技部、国家发改委与信息产业部 等有关政府部门共同组织实施的“中国国家半导体照明工程”早期为两面 ( 2 0 0 3 2 0 0 5 ) ，投入经费1 2 0 0 0 万元。中期规划将实施与国家的第十一个五年计 划中( 2 0 0 6 2 0 1 0 ) ，以一个平台两条链( 研发+ 产业) 为主体。根据国家固体照 明战略，还将于2 0 2 0 年前投入经费5 0 亿1 0 0 亿人民币。这些都充分说明国家对 半导体照明工程的高度重视，也标志着中国高亮度l e d 产业进入加速发展的新 阶段，为l e d 产业发展提供了良好的契机。半导体照明产业本身是一个技术密 集型和劳动密集型的产业，如果中国能够在外延、芯片的制备以及封装技术方面 自主创新，完全有可能实现中国半导体照明产业的跨越式发展。而科技部也已批 准上海、大连、南昌、厦门、深圳、石家庄、扬州7 地作为l e d 产业化基地。 预计2 0 1 0 年中国整个l e d 产业的产值将超过千亿元璐1 。 美国在l e d 照明的产业技术开发上一直处于领先地位。由p h i l i p sl i g h t i n g 和a g i l e n t ( 原h p ) 于1 9 9 8 年合资兴办的l u m i l e d s 是一家致力于功率型白光l e d 生产和封装研究和开发的公司。该公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专 利技术。到目前为止它所生产的1 w 、3 w 和5 w 的l u x e o nl e d 发光效率已超过 1 0 0 1 m w 。2 0 0 3 年1 0 月美国c r e e 公司封装出1 2 0 0l m 的白光l e d 集成灯，发 光效率达到3 2l m w 。目前，c r e e 公司研制的冷白光l e d 发光效率达到了1 2 9 l m w ，是目前在蓝色和白色波长的光谱范围内报道的l e d 发光效率的最高值。 日本在功率型高亮度l e d 的研制与产业化开发方面在国际上处于领先水 平，日亚化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。日亚公司由于在i n g a nl e d 技术和生产白色l e d 的荧光粉材料上拥有多项专利，在i n g a n 白色l e d 芯片供 应上一直占有优势地位。其2 0 0 3 年5 月份报道的紫外光l e d ，发光波长为3 6 5 n m ， 在工作电流为3 5 0 m a 时光功率超过2 0 0 m w 。s u m i t o m o 住友电子向美国c r e e 公司一年内订购了一亿美元的l e d 合同，这将是c r e e 一年的全部生产能力， 住友很显然是想独霸整个高亮度l e d 的市场。2 0 0 3 年8 月，松下电工开发出亮 度达到3 0 0l m 的白光照明灯具，相当于4 0 w 白炽灯的亮度，并于2 0 0 4 年春开 始了商品化销售。 德国的o s r a m 号称建立了世界上最先进的芯片生产线，将主要用来生产 l e d 和半导体激光器。由于o s r a m 是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用l e d 制成新型节能长寿灯是他们的新目标。 第一章绪论 在台湾，l e d 相关的公司有几十家，其产能也在迅速的膨胀，已成为世界 上最大的l e d 生产基地。2 0 0 2 年，日本住友和台湾博达共同投资在台湾成立了 博友科技，专门从事单芯片z n s e 白光l e d 芯片的生产。由于看到白色l e d 在 下一代光源新技术应用中的巨大潜力，2 0 0 2 年9 月台湾成立了由1 1 家项级l e d 公司组成的“下一代光源新技术研发集团 ，该组织专注于以白色l e d 为核心的 下一代l e d 新技术的研发。 1 2 4 大功率l f d 的应用 大功率l e d 大大扩展了l e d 在各种信号显示和照明光源领域中的应用，主 要有汽车外灯和各种交通信号灯，包括城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、 安全警示灯等。功率型白光l e d 作为专用照明光源已开始用于汽车和飞机内的 阅读灯，在便携式照明光源如钥匙灯、手电筒、背光源及矿工灯等方面也得到越 来越多的应用。功率型l e d 在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗、广告灯 箱、庭院草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品相比显示出了它独有的特点。 使用超高亮度功率型红、绿、蓝三基色l e d ，可制成结构紧凑、发光效率比传 统白炽灯光源高得多的数字式调色调光光源，配合计算机控制技术，可得到极其 丰富多彩的发光效果。超高亮度功率型l e d 所具有的低电压、低功耗、体积小、 重量轻、寿命长、高可靠等优点，在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所 需的特种固体光源哺1 。 1 3 大功率白光l e d 驱动电路现状和趋势 目前市场上的大功率照明用l e d 驱动芯片大部分都采用恒流而非恒压驱动 方式，原因主要为以下两点酊1 ： ( 1 ) 为获得预期的亮度要求，并保证各个l e d 亮度、色度的一致性。 由于l e d 正向压降的离散性，若用相同电压驱动不同的l e d ，相应的正向 电流的差异将会很大，从而无法确保各个l e d 亮度、色度的一致性。 ( 2 ) 为避免驱动电流超出最大额定值，影响白光l e d 的可靠性 为保证可靠性，驱动l e d 的电流必须低于l e d 额定值的要求。若采用恒压 驱动方式，l e d 正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起正向电流的很 大变化，从而有可能导致其超过额定电流。 现在市场上基本电源分三种：线性电源、电容式开关电源和电感式开关电源哺1 。 天津工业大学硕士学位论文 1 3 1 线性电源 线性电源将电源电压降压输出，并通过负反馈使输出电压恒定。如果电源电 压与输出电压之差很小，则此时线性稳压电源又被称为l d o ( 低压降稳压器) ， 其电路结构如图1 1 所示9 l 。 = 寸i 一，i 图1 1l d o 电路结构 线性稳压方案的优点是电路结构简单、封装小、成本低、外围器件小。另外， 和开关调整型相比，线性稳压结构不存在开关状态引起的大电流脉冲干扰，可以 获得较低的输出噪声，适合便携式电子产品中的背光应用。 将l e d 负载串联在功率晶体管的漏端，就可以将线性稳压器改变为l e d 恒 流驱动。如图1 2 所示。通过误差放大器、电流采样电阻哪。与功率晶体管m 构成的负反馈环路来稳定驱动电流，这种方案也叫做串联饱和型l e d 恒流驱动。 为了提高检测精度，电阻哪。一般采用外接精密电阻。 图1 2 线性调整型原理图 第一章绪论 美国m a x i m 公司的心1 6 8 2 4 1 6 8 2 5 芯片就是采用线性调整方案，该芯 片就是采用线性调整方案，该芯片共有相同的三路l e d 驱动电路，适合混联应 用的大功率照明l e d 驱动。由于l e d 驱动电流直接流过心。哪，造成一定额外 功耗，降低了系统效率。比如取v d d 为标准的5 v 电压，驱动电流设定为4 0 0 m a ， 。溉取0 2 f 2 ，则电源总输入功率为2 w ，一消耗的功率为0 0 3 2 w ，系统电源 效率下降了1 6 。 m a x i m 公司的另一款产品m a x l 9 1 6 也是一款三路输出的白光l e d 恒流驱 动芯片，电路结构如图1 3 所示。该芯片通过片上取样m o s 管采样l e d 驱动电 流，因为取样m o s 管的宽长比是输出功率m o s 管的宽长比的1 2 3 0 ，所以流过 电流检测电阻飓e t 的取样电流很小，这就减小了r s e t 的功耗，提高了电源效率。 1 3 2 电容式开关电源 图1 3m a x l 9 1 6 电路结构 电容式开关结构也被称为电荷泵，是采用“泵式”电容器作为储能元件实现 d c d c 变换的。最早的理想电荷泵模型是j d i c k s o n 在1 9 7 6 年提出的，其基本 思想就是通过电容对电荷的积累效应而产生高压使电流由低电势流向高电势。图 1 4 为最简单的电荷泵式开关电源的结构。 几1 几2 几 3t _ 1 4 几v ? m d i m d 2 m d 3 m d 4m d 5 、一l 图1 4 四阶d i c k s o n 电荷泵原理图 工叭 天津工业大学硕士学位论文 当为低电平时，晶体管m d l 导通，v 科对与节点l 相连的电容进行充电， 直到节点1 的电压v l 为v 矾v t h ，v t l i 为n m o s 管的阈值电压；当变为高电平 后，由于电容电压不能突变，所以v i 变为v m + v i n v t h ，此时m m 导通，对与节 点2 相连的电容进行充电，直至v 2 变为v 中+ v i n 2 v t h ；当再次变为低电平， v 2 变成2 v 中+ v 琳2 v a a 。如此循环，直到完成四级电容的充放电，可以推算出输 出电压v o l r r - v i 州( v 中v r a ) v r a 。以上便是电荷泵升压的基本原理。 适当改变电路结构，电荷泵也可以实现降压和反转电压的功能。通过分析 电荷泵内部工作机制，可知当输出电压与输入电压成一定倍数关系时( 例如1 5 倍或者2 倍时) ，最高的效率可达9 0 以上。但是效率会随着两者之间的比例关 系而变化，有时效率也可低至7 0 以下。由于储能电容的限制，输出电压一般不 超过输入电压的3 倍，而输出电流不超过3 0 0 m a 。电荷泵的优点是具有较高的 效率和相对简单的外围电路设计，电磁干扰( e m i ) 和纹波的特性居中，但是缺 点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力。 l i n e a rt e c h n o l o g y 公司的l t c 3 2 18 就是一款升压型电荷泵式l e d 恒 流驱动芯片，其整体应用电路如图1 5 所示。该款芯片的电源电压范围为 2 9 v - 4 5 v ，最大输出电流可达4 0 0 m a ，其内置2 0 0 m q 电流检测电阻，采用高边 电流检测方式，通过控制对泵电容的充电速率来控制l e d 驱动电流。在输出 3 0 0 m a 驱动电流时芯片的电源效率最高可到9 3 。 1 3 3 电感式开关电源 图1 5l t c 3 2 1 8 应用电路 与电荷泵不同，电感式开关电源以电感作为储能器件，在以升压方式驱动 l e d 时，电压的提升值往往要超过电荷泵，由于其输出电压较高，因此大多驱 动串联的l e d 。下面结合n a t i o n a l 公司的l m 3 4 0 4 h v 这块芯片来介绍电感式开 关电源工作原理及其性能。l m 3 4 0 4 h v 的典型应用电路如图1 - 6 所示n 们。 第一章绪论 7 图1 6l m 3 4 0 4 h v 芯片应用电路 l m 3 4 0 4 h v 是一款给大功率l e d 提供恒定电流的单芯片开关型调节器，工 作温度范围4 0 1 2 5 ，最大工作频率1 m ，输入电压范围是6 v - 7 5 v ，输出1 2 a ， 具有过热关断功能。 当内部功率管导通时，电流经由v 脚流入芯片，通过功率管从s w 脚流出， 经由电感l 1 、l e d 、r s n s 流入电源地，形成一个回路。在这个阶段，电路完成 给l e d 供电，给电容c 蹦充电和给电感l 1 储能的工作。 当内部功率管截止时，由电感l 1 、l e d 、r s n s 、肖特基二极管d 1 形成回路。 在这个时期，电感放电，继续维持l e d 工作。同时电源、电容c 补地形成另一 回路，电容放电。 在整个工作周期中，电感l 1 、l e d 、r s n s 中的电流是连续的，电容c i n 和 肖特基二极管d 1 中的电流是不连续的。 1 4 白光l e o 的电学模型 为了对驱动电路的恒流特性进行模拟，需要用一个电学模型来等效大功率照 明l e d n 。l e d 的伏安特性满足普通二极管方程，在小注入时，二极管方程可 以写为： = i o e x p ( q v e n k t ) 一1 ( 卜1 ) 式中n 为理论因子，其值由正向电压决定，在1 2 之间变化，i o 是反向饱和 电流，k 是玻耳兹曼常数，在室温时，k t q = 0 0 2 5 6 9 v ，因此，在外加电压大于 零点几伏时，e x p ( q v p n k t ) v 1l ，上式可以简化为： 厶s oe x p ( q 珞n k t ) ( 1 - 2 ) ：堕砌( 孕) ( 1 3 ) go 可以看出，照明l e d 的电流和电压呈指数的关系。但是指数关系并不适合 天津工业大学硕士学位论文 用等效电路模型来描述， 特性做一个线性近似： v p = 吃脚。+ ，9 0 因此可对工作于额定电流附近的照明l e d 的电流电压 ( 1 - 4 ) 其中，v 岫o n 为照明l e d 的开启电压，而且一般的大功率照明l e d 的开启 电压在3 v 左右。又已知该大功率l e d 在正偏电压为3 5 v 时正向电流i 劬等 于3 5 0 m a 因此计算可得：r = 1 4 2 9 q 。 由此该照明l e d 可用一个3 v 电压源和一个1 4 2 9 q 电阻串联的电学模型进 行等效，如图1 7 所示，使用这个模型将给整个电路的仿真带来极大地方便。 v d c = 3 v r = 1 4 2 9 图1 7l e d 等效电学模型 1 5 论文主要研究内容和结构安排 本文的主要工作是设计一款大功率照明用l e d 驱动芯片，该芯片采用开关 电源技术，通过p w m 控制模式的升压式b o o s t 变换器来实现电源管理。 第一章介绍了l e d 的发光原理及其特点，并对大功率白光l e d 及其驱动电 路的发展现状及趋势进行了阐述，同时对电源管理技术中的开关电源和线性电源 进行了简介。 第二章介绍了开关电源的概念与分类，给出d c d c 开关电源的基本拓扑结 构，着重分析了升压式d c d c 转换器的工作原理，从而为芯片设计提供了理论 依据。 第三章进行芯片整体设计：首先，搭建了芯片的整体构架，接着对芯片引脚、 内部模块进行说明，最后给出芯片应用实例电路及注意事项。 第四章对芯片的内部各个模块进行了电路设计和仿真，并对整个芯片进行了 全局仿真。 第五章对大功率l e d 驱动芯片版图层次化设计，介绍了版图设计的技巧， 并对版图进行了验证，包括d r c 、l v s 。 最后在结论和展望部分，总结工作所取得的结果，并分析其中存在的不足， 提出下一步的研究方向。 1 0 第二章驱动电路原理和设计方案确定 第二章驱动电路原理和设计方案确定 本文设计的大功率l e d 驱动芯片采用电感升压式的d c d c 变换器，即b o o s t 变换器。它可以驱动3 个串联的白光l e d 。这章节主要介绍d c 0 c 变换器的拓扑 结构、调制方式和控制模式。 2 1d c d c 变换器的主要拓扑结构 d c d c 变换器按照主回路拓扑结构可以分为四种：b u c k 变换器、b o o s t 变 换器、b u c k b o o s t 变换器、c u k 变换器【1 2 】。 2 1 1b u c k 变换器 b u c k 变换器也称为降压变换器，如图2 1 所示，s 闭合后，除了负载供电外， 还有一部分能量储存于电感l 和电容c 中，二极管v d 截止。s 断开时，l 上产 生极性为左负，右正的反电势，使二极管导通，l 中的电能传给负载，维持输出 电压不变。 2 1 2b o o s t 变换器 图2 1b u c k 型电路拓扑结构 b o o s t 变换器也称为升压变换器，如图2 2 所示，s 闭合后，l 上有电流流过 而存储电能，二极管v d 截止。s 断开后，l 上产生的反向电动势极性为右正， 左负，使二极管导通，l 上存储的能量经二极管向负载供电。 天津工业大学硕士学位论文 图2 2b o o s t 型电路拓扑结构 2 1 3b u c k b o o s t 变换器 b u c k - b o o s t 变换器如图2 3 所示。当s 导通时，电流经过l ，l 存储能量， 当s 断开后，电流有减小趋势，l 两端电压变成上负下正，二极管v d 导通，负 载上有了输出电压，电容c 充电储能。其输出电压与输入电压的极性相反。 2 1 4c u k 变换器 图2 3b u c k - b o o s t 型电路拓扑结构 c u k 变换器的电路如图2 4 所示，c u k 型电路可以看成是由升压型和降压型 电路前后级联而成。当开关闭合时，输入电流使l 储能，c 1 的放电电流使l 1 储能，并供电给负载，开关流过输入、输出电流之和。当开关s 断开后，电源输 入和l 的释能电流i l 向c 充电，同时l 1 的释能电流i l l 以维持负载，流过二 极管电流也为输入输出电流之和。 ll 1 褂二玉 卜 u o i i l l r u 1 5 ir 玉7 v d cr 一 1 图2 4c u k 型电路拓扑结构 第二章驱动电路原理和设计方案确定 2 2b o o s t 变换器的工作原理 由于本论文采用升压式d c d c 变换器的设计，下面将详细介绍b o o s t 结构 变换器的工作原理h 引。 b o o s t 型开关电源变换器主回路的电路如图2 5 所示，由功率开关管q l 、电 感l 、续流二极管d l 、负载电容c 、负载电阻r o 组成。其中电阻r l 是电感的 直流电阻，i k 是负载电容的等效电阻。当功率开关管q l 导通时，由于其导通电 阻r d s ( 叩) 很小，电感右端相当于接地，流过电感的电流增加，电能以磁能的形式 储存在电感中；续流二极管d l 反偏，处于截止状态；电容c 给负载提供电能。 当功率开关管q 1 截止后，流过电感的电流减小却不能突变，电感两端的电压反 相，使续流二极管d l 导通，电感通过续流二极管d l 向负载释放磁能，并为负载 电容充电。在分析该电路，并推导其电压比之前，首先介绍推导过程中用到的两 个基本定理： ( 1 ) 稳态条件下电感两端电压在一个开关周期的平均值为零。 电路处于稳态时，电路中的电压、电流等变量都是按开关周期严格重复的， 因此每一开关周期开始时的电感的电流值必然都相等。而且电感电流通常是不会 突变的，故开关周期开始时的电感电流等于上一个周期结束时的电感电流值，由 此可知开关周期开始时的电感电流值一定等于开关周期结束时的电感电流值。如 果电感两端电压平均值不等于零，则电感电流增加或减少，从而说明电路不处于 稳态，而处于过渡过程中。 ( 2 ) 稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零。这一原理与前一 个原理互为对偶