（电工理论与新技术专业论文）冷阴极荧光灯电源控制芯片的研究与设计.pdf

上海人学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yo fl c d ，t h ed e m a n do fl c di nt h e w o r l di si n c r e a s i n g t h ec c f l ( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tt a m p ) b a c k l i g h th a s b e e nw i d e l ya p p l i e di nt h eb a c k l i g h tm a r k e te s p e c i a l l yi nt h el a r g es c a l e ，b e c a u s e t h ec c f lh a st h ep r o c r e a t i v et e c h n o l o g ys u p e r i o r i t ya n dt h ep r i c ea d v a n t a g e 。 b e c a u s eo ft h i s ，t h ep o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i tc h i pb a s e do nb i c m o st e c h n o l o g y w h i c hi su s e dt od r i v et h ec c f li nl c di sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc c f l , w ec h o s ep w mm o d u l a t i o nt o c o n t r o lt h es w i t c hp i p ei nt h ei n v e r t e rc i r c u i tw i t hh a l f - b r i d g es t u c t u r et ot u r no no r t u r no f f , c h o s ei s o l a t e ds t e p u pt r a n s f o r m e rw i t hr cr e s o n a n tn e t w o r ki nv i c ee d g e t op r o v i d eh i 曲v o l t a g ew h i c hw o u l dl i g h t e nt h el a m p w em a d ei te a s yt oc h a n g e t h ef r e q u e n c yo ft r i a n g l ew a v eo u t p u t e db yo s c i l l a t e rb yt h ew a yo fc h a n g i n gt h e v a l u eo ft h er e s i s t a n c ea n dt h ec a p a c i t a n c ee x t e r n a lt od r i v ed i f f e r e n tl a m p s w ed e s i g n e daf r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o d u l et o a d a p tt ot h ew o r k i n g f r e q u e n c yc h a n g i n go ft h er e s o n a n c ec i r c u i tb e f o r ea n da f t e rt h el a m pl i g h t e n e db y c h a n g i n gt h ef r e q u e n c yo ft h ec o n t r o ls i g n a l t h ec h i pc o u l ds e l e c td i m m i n g m o d e ( i n p h a s eo rr e v e r s e d - p h a s e ) t og e tt h eb e s td i m m i n ge f f e c to c c o r d i n g t ot h ei n p u t v o l t a g eo u t s i d eo ft h ec h i p t h ec h i pc o u l dp r o v i d e2 - c h a n n e lo u t p u tt oi n c r e a s et h e a m o u n to fd r i v i n gc c f la n dt h eb r i g h t n e s so ft h eb a c k l i g h ti nl c d t oo b t a i n e da l a r g er a n g em o d u l a t i o n , t h ec h i pc o u l da d j u s tt h eb r i g h t n e s so fc c f lb yc h a n g i n g t h ef r e q u e n c yo ft h ed i g i t a ll o w - f r e q u e n c ys i g n a l i nt h ed e s i g n ，c o n s i d e r i n gt h e c c f lp a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i cs u c ha s t h em a x i m a le m i t t i n ge f f i c i e n c yi nt h e i n t r i n s i cf r e q u e n c y , t h eu s i n gt i m eo fc c f la f f e c t e db yt h em a g n i t u d eo fc u r r e n t t h r o u g ht h el a m p ，t h ec h a n g eo ft h er e s o n a n tf r e q u e n c yi nt h ep e r i p h e r a lr e s o n a n t n e tf r o mt h eo n o f fo fc c f l ，a n ds oo n ，t h ec h i pt a k e sc o n s i d e r a t i o n sa n dm e a s u r e s i no r d e rt oa v o i dt h es u r g ep h e n o m e n o ni nt h es t a r t i n g t h ec h i pc o u l da d o p tt h e s o f ts t a r tc o n t r o la n da l s op r o v i d e dt h es t a n d - b ym o d et os a v ee n e r g ys o u r c e s v i 上海大学硕士学位论文 a l lt h em o d u l e sa n dt h ew h o l es y s t e mh a v eb e e ns i m u l a t e db ys p e c t r eu n d e r t h ee n v i r o n m e n to fc a d e n c e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec h i ph a sa c h i e v e d t h ee x p e c t a t i o ns p e c i f i c a t i o n t h e l a y o u to fs o m ei m p o r t a n tm o d u l e sh a sb e e n f i n i s h e da n dv e r i f i e db yv i r t u o s o k e y w o r d s ：c c f l ，v o l t a g er e f e r e n c e ，p w m v 上海大学硕上学位论文 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。 一竿慨掣 一：午嗍：华 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：逝导师签名：酬日期： i i i 海 学硕i 学位论空 1 1 背景资料 第一章绪论 一直以来，追求更完美的视觉享受都是显示设备的h 标，同顾多年柬的显示 技术发展历程，我们不难发现它揶是围绕着同样个主题“追求更佳的人类 肉眼视觉舒适性”! 液晶显示器( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 因其画面柔和精细、还原图像准确、 显示文字锐利、体积纤薄轻巧、环保无辐射、能耗低、散热小等优点已经成为市 场的宠儿，广泛应用于计算机最示器、电视、手机以及各种显示设备上【i - 3 。 1 11 液晶显示器的发光原理 由于液品分子不能自己发光，所以液晶显示嚣需要靠外界光源辅助发光。液 晶显示的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管( 即 背光源) 构成画面。 偈色光 一u 旺圜窭班圜翌墨匿四 命命俞 口寸口口仃寸 。型露蹙霪霎l o ”n 什光扳夏腱 蚓】一i 一1 液- m 叫扳“均 如图1 1 1 所示，显示屏两边都设有作为光源的灯管，在液晶显示屏背 面有一块背光板和反光膜，他们的作用主要足提供均匀的背景光源。背光 源发h 的光线首先穿过第一层偏振过滤层，然后穿过透明的电极，就进入 上海大学硕士学位论文 了包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小 的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。电极分为行 和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶 材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱 动电路部分。当l c d 中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而 将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏 幕上显示出来。通常，在彩色l c d 面板中，每一个像素都是由三个液晶单 元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。 这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色 3 - 4 】。 1 1 2 液晶显示器的发展历史 液晶是一种几乎完全透明的物质。它的分子排列决定了光线穿透液晶的路径 【6 1 。在2 0 世纪6 0 年代，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光 线的扭曲或折射，由此引发了人们发明液晶显示设备的念头。 2 0 世纪7 0 年代初，世界上第一台液晶显示设备t n l c d ( 扭曲向列) 液晶显示器出现了。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。 8 0 年代，s t n l c d ( 超扭曲向列) 液晶显示器出现，同时t f t - l c d ( 薄膜 晶体管) 液晶显示器技术被研发出来，但液晶技术仍未成熟，难以普及。 8 0 年代末9 0 年代初，日本掌握了s t n l c d 及t f t - l c d 生产技术，l c d 工业开始高速发展。 2 0 0 1 年以后l c d 技术开始走上成熟发展之路，但仍然生存在技术非常 成熟且廉价的传统c r t 显示器阴影下。 从2 0 0 3 年开始，l c d 响应时间技术开始飞速发展，拖影时间从早期的5 0 m s 到0 6 年的l m s ，这完全是一个质的改变。 从2 0 0 4 年开始，l c d 已经慢慢取代c r t 显示器成为显示设备的主流 产品。至今已经全面取代c r t 显示器成为市场主宰。 1 1 3 背光源的发展状况 背光源的发展可以追溯n - 战时期。当时用超小型钨丝灯作为飞机仪表的背 2 上海大学硕上学位论文 光源。这是背光源发展的初始阶段。经过半个世纪的发展，如今背光源已经成为 电子独立学科，并逐步形成研究开发热点。 随着液晶显示技术的不断发展，液晶显示器特别是彩色液晶显示器的应用领 域也在不断拓宽。受液晶显示器的市场拉动，背光源产业，呈现一派繁荣景象。 液晶显示器作为为非发光性的显示装置，须要藉助背光源才能达到显示的功 能。背光源性能的好坏除了会直接影响l c d 显像质量外，背光源的成本占l c d 模块的3 - 5 ，所消耗的电力却占模块的7 5 ，可说是l c d 模块中相当重要的零 组件。高精细、大尺寸的l c d ，必须有高性能的背光技术与之配合，因此当l c d 产业努力开拓新应用领域的同时，背光技术的高性能化( 如高亮度化、低成本化、 低耗电化、轻薄化等) 亦扮演着幕后功臣的角色【蹦】。 背光源具有亮度高，寿命长、发光均匀等特点。目前主要有e l 、c c f l 及 l e d 三种背光源类型。 e l 背面照明对于像手表、数字台式钟和单色p d a 等需要极度微弱的照明以 便在光线朦胧或昏暗条件下使用的小型反射式l c d 应用而言是较为适用的。然 而，低效率、低亮度以及短寿命使其不适用于诸如膝上型电脑和平板桌上型监视 器所要求的大型l c d 这样的透射型背面照明用途。 l e d 背光源的使用寿命比e l 长( 超过5 0 0 0 小时) ，且使用直流电压，通常应 用于小型的单色显示器，比如电话、遥控器、微波炉、空调、仪器仪表、立体声 音频设备等。但是，其亮度目前也不足以为大型透射式显示器提供背面光源。 c c f l 背光源与l e d 背光源在结构上基本是一致的，其中主要的区别在于 l e d 是点光源，而c c f l 是线光源。c c f l 提供了用于大型l c d 所需的亮度和 寿命以及灯光管制能力，这就是它至今仍是背光照明最为常用的方法的原因【6 。】。 1 1 4 冷阴极荧光灯c c f l 的简介 冷阴极荧光灯( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n c el a m p ) 是一种辉光放电灯，它 由电极、引入线和玻璃灯管组成。c c f l 的电极使用冷阴极，用于发射电子。 在玻璃管内壁涂有一层荧光粉，可以用来展宽c c f l 的发光光谱范围。荧光粉 材料有钨酸钙、硼酸镉和硅酸锌等，能分别发出不同颜色( 波长) 的光。当在 灯管两级上加高压时，气体电离产生紫外( u v ) 光。紫外光激励内部磷光粉涂 海大学瑚十学位论文 层，产生可见光吼 c c f l 具有很多非常好的特性，包括极佳的白光源、低成本、高效率( 7 2 i m w ) 、长寿命( 25 万小时) 、稳定性好、操作方便等“。 参 i ：c c i i 。 作为l c d 显示屏的背光源，c c f l 已广泛崩丁二笔记本电脑、台式机和电视 机等领域。虽然因为c c f l 被认为不够环保台汞、色彩饱和度只有7 0 8 5 ，远低于发光二极管( l e d ) 的1 0 0 等原网在近年来受到l e d 的挑战，但l e d 成本高、发光效率相对低、发光不均匀、无彩膜( c o l o r f i l t e r l e s s ) 技术不成熟，c c f l 成本低廉、技术成熟等原因，c c f l 仍将是未来几年内l c d 背光源的主流光源。 尤其在大尺寸t f t _ l c d 显示器领域，特别是液晶电视用显示器方面，c c f l 是 目前的主流产品占有绝对多数的市场份额。 发光二极管( l e d ) 是c c f l 的竞争对手，但是l e d 要能够对c c f l 构成实际 威胁，真正取代c c f l 还需要时问。其中，价格是影响l e d 背光模块普及的最 主要凶索，同时在这个过程中还要考虑c c f l 技术的进步。所以，如果存在所谓 “替代过程”的话，那么这个过程将会是较长的过程，而且很町能出现c c f l 和 l e d 长期并存的态势。因此现阶段研究c c f l 电源控制芯片还是很有市场价 值的1 5 刊。 1 2 课题方向的选择 c c f l 由高频高j 矗功，需要专门的逆变控制1 c 和高频升压变压器米驱动 c c f l 发光。目前国内厂商大多采用国外公司如r o h m 、t i 的控制= 芒= 片，国内 上海大学硕上学位论文 来设计驱动电路板。不仅大多数利润被国外厂商剥夺，而且技术上受制于人， 很难实现大的突破，这对我国的经济发展与国防建设都非常不利。所以，开发 具有自主知识产权的电源控制芯片很有必要【5 】。 基于此，本课题的任务就是设计一款c c f l 电源控制芯片，将尽可能多的 功能集成其中，再辅以少数外围元件组成一个控制系统，驱动c c f l 启动并稳 定工作。为了便于论文的撰写与读者的理解，将在对c c f l 特性的分析与外围 电路的简单设计之后，从整体到局部对芯片各方面进行逐步深入地阐述。 本论文的开发环境： ( 1 ) 硬件环境：s u ns o l a d s 工作站。 ( 2 ) 软件方面：u n i x 环境下运行的c a d e n c e 系列e d a 软件工具：内部模 块的设计采用c o m p o s e r 软件包，仿真工具是s p e c t r e ，版图设计采用v i r t u o s o 。 ( 3 ) 工艺方面：采用s a n y o 公司提供的0 6 啪一层p o l y 两层金属双阱 b i c m o s 工艺器件模型。 1 3 本文的结构 本论文的章节安排如下： 第一章，介绍了l c d 背光源的相关背景知识，介绍了c c f l 的结构、特性及 市场价值。介绍了本课题的主要任务及开发环境，以及论文结构的安排。 第二章，芯片外围电路与总体设计。首先分析c c f l 的驱动特性，选择合适 的逆变电路、谐振网络、调制方式，设计反馈检测电路与保护电路，最后对控制 芯片进行总体规划设计。 第三章，芯片内部子模块电路设计。对芯片的各个子功能电路模块进行分析 设计仿真，包括使能模块、基准电压源模块、振荡器模块、调光模块、p w m 调 制模块、逻辑控制模块、输出模块、软启动模块、交频模块、保护电路模块、逻 辑电路等。最后对芯片进行总体分析仿真，以加强对芯片的总体理解把握。 第四章，芯片制造工艺及版图设计。概述版图设计及b i c o m s 制造工艺的 情况，介绍版图设计所遵循的原则和设计技巧，简介布局布线的基本原则与注意 事项，最后给出了部分主要电路模块的版图。 第五章，总结。对全文所做的主要工作及论文的主要特色进行总结。 上海大学硕：卜学位论文 第二章芯片的外围电路与总体设计 2 1c c f l 的特性 c c f l 为冷阴极荧光灯，不需要预热，当给c c f l 施加足够高的电压( 可高 达1 2 0 0 v ) 时，两电极之间将产生辉光放电。高压使灯管内的混合气体( 汞、氦 等) 电离放电，产生大量的紫外线激发灯管内壁上的荧光粉，于是发出一定颜色 ( 波长) 的可见光【引。 2 1 1c c f l 的电特性 c c f l 与其它很多气体放电灯一样，具有典型的负阻特性。荧光灯在启动期 间的电压( 阻抗) 很高，点火之后灯管两端电压迅速下降，最后趋于平稳进入稳 定工作状态。针对灯管测量的伏安特性曲线如图2 1 1 所示： v 孽 埏 硼 八 锩 “陟il v 。 u 1 v l l i sl 拳 弋 _ v l 帅v h 图2 - 1 1c c f l 灯管伏安特性 利用曲线拟合的方法对实测的灯管v _ i 特性曲线进行拟合，可以得到适当的 模型【9 】。根据图2 1 1 的实测曲线，c c f l 的电压、电流关系可以用下面的公式 来描述： = 警 ( 2 1 1 ) 置是由根据具体灯管的电压、电流变化实际测量出的常数系数。 c c f l 在稳定工作条件下，可以等效为两个背靠背的稳压二极管与一个电阻 6 上海大学硕士学位论文 的串联。由于荧光灯本身又具有电容效应，因此c c f l 的物理等效模型可以简化 为图2 1 2 的形式，这个简单等效模型在后面的谐振网络计算中将会用到。 r 图2 - 1 - 2c c f l 等效模型 在灯管内气体电离发生之前，灯管的等效阻抗为几兆欧姆，在典型应用中， 几乎可看成是纯容性的：在电离开始后，电流开始流入灯管，其电阻很快跌落至 数百k q ，几乎可看成是纯阻性的。因此，进行后面的电路仿真与调试的时候， 可以将稳定工作时候的灯管用一个1 0 0 k c l 左右的电阻代替，以简化后面的电路 分析及应用电路的设计。 c c f l 的发光亮度与工作频率有关【8 】【9 1 ，图2 1 3 给出了对同一支c c f l 在4 种不同大小的驱动电流下，亮度随驱动工作频率变化的曲线，其中驱动电流 i i 1 2 1 3 l t 。可见，对于不同的工作电流，其在特定频率时，灯管的效率最高， 发光亮度最大。因此，芯片输出的控制信号的频率在灯管稳定工作时应维持在一 个恒定的值上。 图2 1 3c c f l 发光亮度与频率的关系 7 上海大学硕士学位论文 2 1 2c c f l 的启动特性 当芯片控制灯管工作时，为保证灯管能正常点亮并稳定工作，控制系统必须 具备以下的主要功能： ( 1 ) 给灯管两端提供一个足够高的启动电压，使灯管正常启动。 ( 2 ) 在灯管点亮后，必须为灯管提供一个大小合适且稳定的工作电流。 可以利用升压变压器，在变压器副边以l c 串联谐振网络产生高的启动电压。 图2 1 4 谐振电路输出电压随频率变化曲线图 图2 1 - 4 是谐振电路输出电压随频率变化的曲线图，如果令控制芯片输出的 控制信号频率在电路刚启动时从石到正变化，当频率降到谐振频率时，谐振网络 产生最高的输出电压。可以把这个最高电压设为灯管启动电压，而把历频率处产 生的电压做为正常工作电压，这样就用普通变压器解决了高压启动的问题【1 0 】。 在荧光灯启动瞬间也即上电瞬间，电路中往往会产生很大的冲击电流，因此 合理的设计软启动电路对维护系统稳定及灯管的寿命有很大的影响。这在后面的 章节中会有详细的论述。 2 2 控制芯片外围主电源电路的设计 我们知道，c c f l 广泛应用于便携设备中，而便携设备供电源主要是电池， 因此需要将直流变为c c f l 需要的交流电，即d c a c 逆变。同时考虑到灯管的 高压启动，采用隔离式升压变压器，副边以谐振网络产生启动高压。 本课题设计的最终目标是一款c c f l 电源控制芯片，因此，将大部分控制系 统的功能集成到一个芯片上，仅在外部保留难于集成的逆变网络和部分电压、电 流采集电路。本节中将主要涉及的是逆变电路、谐振网络的设计及部分元器件参 上海大学硕士学位论文 数的选择等内容。 2 2 1 逆变电路的选择 现在常用到的电源应用电路拓扑结构主要有1 4 个大类，既有完成d c d c ， 也有完成d c a c 的应用功能1 1 】。对能完成d c a c 逆变转换功能的电路拓扑来 说，主要用到的有半桥、全桥、推挽式等，对它们各自的比较如下所述。 ( 1 ) 全桥式逆变电路【1 2 - 1 3 】 全桥式的电路结构如图2 - 2 1 所示，变压器一次侧承受电压为电源电压v 翻， 管子的耐压值也要达到v 甜。全桥结构的转换效率可达9 5 ，但相对其它结构来 说，m o s f e t 多两个，成本偏高，而且要采用性能优良的m o s f e t ( 集成肖特 基二极管) ，输出电阻要低，高频特性好。 t 图2 - 2 - 1 全桥式逆变电路结构 ( 2 ) 推挽式逆变电路 1 4 - 1 5 】 推挽式的电路结构如图2 2 2 所示，变压器一次侧承受电压为v d d ，管子的 耐压因为电感线圈感生电压的原因要达到2 。转换效率和全桥结构一样，外 围分立器件少。每个o s f e t 的漏极需要用电阻和电容来消除噪声及电感线圈感 生出的尖峰电压。 t 图2 - 2 - 2 推挽式逆变电路结构 9 上海大学硕上学位论文 ( 3 ) 半桥式逆变电路【1 6 。1 7 】 对称的半桥式电路结构如图2 2 3 所示，变压器一次侧承受电压为v d d 2 ，管 子的耐压为电源电压。减少了对变压器的耐压要求，变压器为双向励磁，没有变 压器偏磁问题，m o s f e t 数量少，成本低。 t 图2 - 2 3 半桥式逆变电路结构 考虑到半桥结构相应的优点和专利权限等因素，论文中采用半桥式结构作为 芯片应用电路的主要架构，将外部电源输入的直流电压转变为c c f l 所需要的交 流电压。 半桥式结构的工作原理如下：m l 、m 2 是两个m o s f e t 功率开关管，s l 、s 2 是来自c c f l 控制芯片的信号，电容c l 、c 2 的值相等。在灯管尾电流反馈信号 变化缓慢的前提下，半桥结构的两个m o s 管导通时间近似相等。当m l 导通时， 电容c l 将通过m l 和变压器原边放电，同时电源电压通过m l 和变压器原边为 c 2 充电，两个电容中点的电位将有所上升；当m 2 导通时，m l 截至，电容c l 被 充电，c 2 放电，电容桥路中点的电位下降；前后两个过程变压器原边流过方向 相反的电流，在次边感生出变化的交流信号。为了防止两个m o s 管出现同时导 通的现象，实际加于m l 、m 2 管上的驱动信号要保证一定的死区时间 2 6 2 8 。 半桥结构要求两个电容的电容值一样，且精度要高，这样才能避免灯管亮度 不一致以及噪声的产生。从图2 2 3 所示的半桥逆变电路结构中可以看出，当电 源为阶跃函数时，由阶跃响应知，两电容c l 、c 2 中点电位会跃升为w 2 。由于 电容c l 、c 2 的取值较大，一般为1 0 u 量级，而p 、n 管的导通时间相同，因此 只要合理的选取p 管与n 管，即可使两电容中点的电压维持在v d d 2 上下波动。 当两个电容中点电压为v d 以时，半桥结构两个半周期在变压器原边上的压降分 别为v 砸v 硼2 以及v d d 2 ，承受相同的电压值。因此，当电容值很大时，副边产 1 0 上海大学硕士学位论文 生的电压、电流在两个半周期上对称，这样有利于变压器次边谐振出c c f l 驱动 电压需要的正弦波形。 2 - 2 - 2 谐振网络的设计 半桥式结构中谐振网络主要包含了谐振电感、谐振电容( 兼做电压检测电 容) 、灯管本身等效阻抗、灯管与显示屏之间的寄生等效电容以及为设置阻抗匹 配与灯管串联的电容等等。感性器件可以选用独立的电感，也可以选用变压器漏 感来作为谐振电感，之所以选择变压器漏感，原因在于实际应用中对驱动电路板 的体积要求。但选用变压器漏感做谐振电感会面临的一个问题是漏感值并不准 确，所以这是一种折衷的处理方法【1 9 1 。 整个c c f l 控制系统的主电源电路可以分成3 个部分：逆变_ 升压一谐振。 功率开关管首先将直流电压转化为变化的脉冲信号。假设在整个周期t 内，开 关管的导通时间总共为2 t d ，则通过傅立叶展开可以得到任意时间的电压函数： y ( f ) = 等喜扣万堪i n g 国。乃) c o s ) 一s 慨乃) 1 ) s i n g ，) 】 ( 2 2 1 ) 谐振所需要的基波分量为： y = 孚如( 纠c o s ( 驴等万) 汜2 经过变压器升压和谐振网络后，实际加于灯管两端的正弦信号为： v o ) = 孚s m ( 等万 c o s ( 吣一等万 詈q c 2 2 3 ， 其中，生为变压器匝数比，q 为谐振网络品质因数。 露s 上海大学硕士学位论文 t c l 锄p t 臼强 图2 - 2 - 4 谐振前后等效电路对比 由于灯管导通后等效物理模型会发生变化，因此谐振前和谐振后的谐振网络 并不相同，图2 - 2 4 是串联谐振电路启动前后的简化等效电路对比，且导通前后 的谐振频率分别为： 2 两l 2 川 q 2 ( 2 2 5 ) 2g + ( 2 2 6 ) 式2 2 4 为启动前谐振频率，式2 2 5 为启动后谐振频率。在理想情况下，上 面几个公式的组合可以用来确定谐振网络的参数。但由于c c f l 的负阻特性，半 桥结构m o s 开关管上的压降不能忽略，因此变压器原边上的压降并非是v 2 ， 且不断变化，因此精确的计算各器件参数不容易做到，但可以用来做预算。 因此灯管导通前后频响曲线如图2 2 5 所示：砺为启动前，五为启动后) 图2 2 5c c f l 点亮前后谐振频率曲线 在输入工作电压确定后，决定谐振网络各元件电气参数的因素主要有三个： ( 1 ) 完全谐振时谐振电容两端产生足以启动灯管的高压。 ( 2 ) 灯管正常工作时的额定电压，以及灯管本身的谐振频率。 ( 3 ) 对开关电源的负载能力要求，也既谐振网络的带负载能力，用来确定 m o s 开关管的工作电压和工作电流。 上海大学硕士学位论文 具体的设计方法，将在后面关于变频电路的介绍中详细说明。 2 2 3 调制方式的选择 控制信号的调制方式大致有以下三种【1 3 】【1 8 】： ( 1 ) 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写 为p w m ) 。其特点是：开关频率固定，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开 关周期也是固定的，故而设计滤波电路较方便，同时该调制方式噪音低、满负载 时效率高、且能工作在连续导电模式。目前集成开关电源大多数采用p w m 方式。 ( 2 ) 脉冲频率调制方式，简称脉频调制式( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，缩 写为p f m ) 。其特点是：脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比。静态 功耗小，但不能限流，同时不能工作在连续导电方式，只有少数开关电源采用这 种方式。 ( 3 ) 混合调制方式：指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，彼此都能改变的方 式，属于p w m 和p f m 的混和方式。它综合了p w m 与p f m 调制方式的优点， 具有很大的发展前景，但是因为混合调制方式实现的复杂而其它两种调制方式的 不断完善、成熟，目前市场上很少具有混合调制方式功能的单片集成芯片出售。 本设计中采用p w m 调制方式，这是由2 1 2 节所介绍的c c f l 本身固有的 发光特性决定的在特定频率时，灯管的效率最高。 2 3 外围反馈与保护电路的设计 开关电源的反馈控制有电压、电流及双环多种，考虑到应用半桥结构的实际 电路，具体的反馈环设计主要考虑两个方面： ( 1 ) p w m 反馈调节的设置，包括电压反馈环的设计、电流反馈环的设计。 ( 2 ) 保护电路的设计，基本包括：对电压的过压、欠压检测；对电流的过 流、欠流检测；对温度的过温检测。 下面分别介绍这两个方面的设计。 上海大学硕士学位论文 2 3 1p w m 反馈电路的设置 ( 1 ) 对于电压反馈的控制，主要是检测变压器副边高压情况。由于电路刚 启动时会产生一个高于正常情况的电压，因此实际反馈回来的电压信号幅值在比 较时要考虑到这个特殊情况，以防止产生过高启动电压。 t 图2 - 3 1 电压反馈电路 假如只返回一个1 v 的电压检测信号，以图2 3 1 所示的实际灯管电路为例。 实际灯管正常工作电压在6 0 0 v 左右，而灯管导通阻抗在1 2 0 k q 左右。在这个 前提条件下，如果简单的用两个电阻的串联分压来得到一个1 v 左右的电压反馈 信号，而流经检测电阻的电流对灯管没有大的影响，则检测电阻的取值要非常大。 直接在灯管两端并联电阻对谐振网络也有很大影响。 如果先用谐振电容分压，取得一个较小的电平值，再用电阻r 。、r 2 分压得 到精确的反馈信号，由于电容c l 的容抗相对c 2 很小，这样就可以避免检测电阻 的加入对电路的性能产生不利影响。 由于流经灯管及变压器的是交流信号，而要求的反馈信号是以近似直流的形 式送到误差放大器【3 9 1 的输入端去跟基准电压比较。因此，电阻分压后，要跟一 个整流滤波电路，r 3 阻值为1 0 0 k q 左右，c 3 取值在i l f 量级。由于r c 常数很大， 因而图2 3 1 输出端v s 的电位接近一个恒定值。 ( 2 ) 由于灯管导通后的阻抗相对谐振电容容抗较小，因而流经变压器和灯 管上的电流基本相等。从谐振网络中可以选择两个电路节点作为电流检测点，如 图2 3 1 的a 、b 两点，当在这两点分别设置电流检测点时，他们的谐振等效电 路会略有不同。将电流检测电阻设在灯管尾端，由于灯管的等效电阻大，因而启 1 4 上海大学硕士学位论文 动前和启动后对谐振网络都没什么影响。类同于输出电压检测，电流检测信号也 要通过一个整流电路以近似直流的形式加到控制芯片的输入端。 2 3 2 保护电路设计 保护电路主要考虑的是一些可能出现的异常情况，这里以灯管的异常为例来 说明几种异常情况的处理及保护电路的设计方法。 ( 1 ) 部分灯管开路或故障引起的反馈导致变压器次边生成过高电压。 ( 2 ) 部分灯管短路引起的反馈导致灯管两端电压下降，灯管电流上升。 ( 3 ) 负载过大导致开关管驱动负载能力不足，导致部分灯管无法启动，或 者启动后熄灭发生频闪现象。 对于以上几种异常情况的处理，可以人为的设定一个反馈信号幅值比较的上 下限，作为两个比较电路的基准电压。由于设定基准电压源产生的基准电压为 1 2 5 v ，实际电压、电流反馈的信号幅值也设置在1 2 5 v 左右，其次考虑到误差 放大器的设计，因此可以设定两个比较器的比较电压分别为o 5 v 和2 o v 。反馈 信号分别与两个基准信号进行比较，从而决定是否启动保护电路，如图2 3 2 所 示。 图2 3 - 2 保护电路设计 保护电路作用后或者电路休眠时，整个芯片电路并不完全关断，基准源和振 荡器电路仍旧维持工作，以实现再次快速重新启动。 调光芯片的保护电路的设计会遇到偶然性的问题，当电路采用数字低频调光 方式时，灯管工作在一种不连续的状态，灯管两端的电压与电流会发生跳变，同 时可能还有外电路的一些干扰。这些影响会导致反馈信号的不稳定，这时候不能 上海大学硕士学位论文 关断整个电路，因此保护电路要做相应的设计。合理的保护电路的设计要加入芯 片延迟关断的功能，通过电容的充放电时间来判断电路是不是工作正常，具体的 设计方法会在后面的章节中详细说明。 系统关断后，如果导致系统保护电路启动的因素消失，芯片将控制系统将自 动重新启动。 在同样的工作电流下，温度的变化对灯管亮度的变化有非常明显的影响，如 图2 3 3 所示。 b r i g h t n e s sw , a m b i e n tt e m p e r a t u r e ， ， 、 、 一 、 ，。 、 l ， ， 一一 霉霉 口 号舄是霉8是2 8 8 t e m p e r i w r e ( c ) 图2 - 3 3 环境温度对灯管亮度的影响 尽管控制芯片的设计考虑到了芯片本身的过温保护，但对好的应用电路来 讲，也要考虑到过温的保护机制以防止器件过温烧毁。实际应用的温度控制电路 可以做到非常复杂，这里以一个简单的应用来说明一下原理。通过在图2 3 1 的 漏感l s 和谐振电容c s 之间插入一个正温度系数的串联热敏电阻，当电路受环境 的影响而温度上升时，热敏电阻阻值变大，谐振网络的o 值下降，输出谐振电 压下降，从而实现了自动调节灯管两端电压的目的。当温度上升到一定值，灯管 两端电压下降到不能维持灯管导通，保护电路作用，从而关断芯片输出。 2 4 控制芯片的总体规划设计 本课题所要设计的芯片是基于p w m 技术的具有驱动控制灯管功能的开关电 源芯片。根据芯片驱动c c f l 灯管的数目、灯管自身特性、芯片的应用环境等因 素，调制输出信号的占空比。值得注意的是输出信号占空比不能超过5 0 ，防止 芯片外围半桥逆变结构磁通饱和。 1 6 笱 柏 o l i 专l壬譬薯=一 上海大学硕士学位论文 2 4 1 芯片功能与特色 为了更好的适应l c d 背光源对c c f l 驱动控制芯片的要求，在满足主要功能 的同时，还设计了其它辅助功能，这也成为了本芯片的特色： 1 低频数字调光功能。能够灵活的调整l c d 背光源的亮度，实现0 - - - 1 0 0 的调光范围。 2 同相、逆相两种调光方案。根据芯片外部输入的电压大小，选择调光方 案，实现最优的调光方式。 3 在芯片上集成了两个独立的输出通道，每个通道都能够独立于另外一个 通道工作，增 $ 1 l c d 背光源的亮度。 4 软启动技术。在芯片刚刚上电时，输出脉冲信号的占空比逐渐增加，使 c c f l 逐渐由暗变亮，防止开启时浪涌现象的发生。 5 频率可调。通过改变芯片的外接电阻电容，产生频率高低不同的振荡波； 同时可适应不同灯管不同的频率特性。 6 变频。通过变频在谐振频率时产生启动高压；通过变频解决c c f l 点亮 前后对谐振网络谐振频率的影响。 7 电源电压过压、欠压保护功能。当电源电压过高( 高于l l v ) 、过低( 小 于5 v ) 时，关断芯片； 8 检测反馈流经c c f l 的电流，提供灯管欠流、过流保护功能。 9 过热保护电路，防止温度过高损害芯片。 1 0 设计迟滞电路，通过迟滞效应防止芯片关断时出现振荡，还防止误操作 关断芯片。 1 1 提供待机功能，节约能源。 2 4 2 芯片的工作条件 控制芯片的工作条件： 电源电压范围：5 1 l v 最大功耗：2 5 0 m w p w m 调制频率：2 0 k 1 5 0 k h z 1 7 上海大学硕士学位论文 低频数字调光频率：5 0 - - 5 0 0 h z 工作温度：3 5 c - - + 8 5 c 2 4 3 芯片内部功能模块划分 根据电路的功能，将芯片系统划分成如图2 4 1 所示的1 0 个模块，每一 个模块都实现特定的功能。 图2 - 4 1 系统模块划分 下面对这些模块做简单的功能描述： ( 1 ) 使能模块：由s t b 端口控制，在不断电的情况下关断或开启芯片，关 断芯片时，芯片休眠，外围电路停止工作，系统待机；且s t b 控制选择调光模式。 ( 2 ) 基准电压源模块：采用带隙技术生产带隙电压，为其他模块提供基本 工作电压v r e g ；为比较器提供各种参考电压。 ( 3 ) 振荡器模块：生成调光模块需要的低频三角波；生成p w m l e l , 较器需要 的高频三角波。通过改变芯片外接的r 、c 值可改变输出振荡波的频率。 ( 4 ) 调光模块：通过d u t y 端口的输入电压进行较大范围内调节灯管亮度； 通过s t b 端口的输入电压确定同相、逆相调光模式；通过输出两个独立的控制信 号以驱动两路并列的信号调制通道。后两者都是为了增加灯管亮度。 ( 5 ) p w m 调制模块：芯片核心模块，包括误差放大器和p w m i ：i 二较器。将 外围检测信号反馈给误差放大器反相端，与参考电压相比较，放大误差，以保证 系统工作时稳态精度。误差放大器的输出f b 作为p w m 比较器的反相输入，与高 频三角波相比较，输出一个脉冲频率不变，而脉宽不断变化的p w m 脉冲信号来 控制开关管的通断。 1 8 上海大学硕士学位论文 ( 6 ) 逻辑控制模块：调制p w m 脉冲信号，以避免半桥结构出现直通现象。 同时根据保护模块的信号，置位关断开关管，以确保系统稳定。 ( 7 ) 输出模块：内接逻辑控制模块，外接开关管。将经过逻辑控制模块调 制后的控制信号输出给开关管栅极。完成芯片内外电平转换，提高外围驱动电路 中开关管的驱动能力。 ( 8 ) 软启动模块：当芯片刚上电工作或者重启时，使c c f l 逐渐由暗变亮， 防止引入浪涌电流。 ( 9 ) 变频模块：通过改变振荡器发出的高频三角波信号频率，实现灯管的 高压点亮和解决灯管点亮前后灯管模型变化对谐振网络谐振频率的影响。 ( 1 0 ) 保护模块：在可能出现异常的情况下，保护芯片。如灯管过压、欠压、 过流、欠流、过温等。 2 5 本章小结 本章是芯片的外围电路与总体设计。介绍了c c f l 的伏安特性、等效模型、 发光特性、启动特性等；然后根据c c f l 的启动特性、工作环境以及各转换电 路特性选择了半桥式d c - a c 逆变拓扑结构；选择r c 谐振网络配合隔离式升 压变压器产生c c f l 点亮需要的高压交流电；根据c c f l 发光特性选择p w m 方式调制控制信号；简单设计了控制系统的反馈检测电路以及保护电路；最后 介绍了芯片的功能特色、工作条件、内部功能模块划分、以及各模块初步的功 能描述，为下一章节具体电路结构的设计打下了基础。 1 9 上海人学硕上学位论文 第三章芯片内部子模块电路设计 第二章中对芯片整体结构做了总体规划设计，划分了功能模块。本章将对这 些模块的电路结构、工作原理进行详细的分析设计仿真，最后对芯片整体进行分 析仿真，以加强对芯片系统全面的理解与把握。 3 1 使能模块 该模块在不断电的情况下，控制关断或开通芯片，可以使控制系统处于待 机休眠模式，大大的减小功耗，在3 1 2 节芯片整体仿真时，