（电力电子与电力传动专业论文）led显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究.pdf

a b s t r a c t t h el e dp a n e lh a se x p 硪e n c e dr a p i dd e v e l o p m e n ts i n c eb e i n g i n v e 嫩e d ，n o wl t h a sa l r e a d yb e c o m ea u li m p o r t a n tp r o d u c to fp a n e ld i s p l a y w i t h c h a r a c t e r i s t i c so 士h i 醣 嘶g h 恤e s s ，1 0 wp o w e tc o n s u m p t i o n a n db r i g h tc o l o r s , t h el e dp a n e lc 觚c o m p l e t e r e a l 也e ，d i v e r s 埘a n dd y n a m i ci n f o r m a t i o nt a s k ，i t i sc o m p e t e n te a c hk i n do fp u b l i c s i t u a t i o n n o w 啦幽ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h a sb e c o m ea n i m p o r t 龇tw o r l di s s u e t h e r e f o r e , t op r o v i d ee f f i c i e n t p o w e rs o u l ：c e i st h ek e yl s s u e 计l e t h e rl e dd i s l ；i l a yt e c h l l 0 1 0 9 yc a nb ee x t e n s i v e l ys p r e a d o n t h i sq u e s t i o l l ，al e d p a n e ld r i v i n gs o u r c eo fl o wp o w e r l o s sa n ds m a l lc o s ti sd e s i g n e di nt i f f st l l e s l s ，a 1 1 da s c 刹n ga l g o r i i sr e s e a r c h e di n t h i sf o u d a t i o n i nt h i st h e s i s , h a l fb r i d g e 删c m g p o w e ri su s e da st h eb a s i ct o p o l o g yo f t h el e dp a n e ld r i v i n gs o u r c e e m if i l t e r ，m 如 c i r 毗，c o n t r o la n dd r i v i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d ；f p g a a n dt h ev h d ll a n g u a g e1 s 岫e d t 0 d e s i 殴c l o s e d 1 0 0 p f e e d b a c kw h i c hi sb a s e do np w mt e c h n o l o g y , t h i s m e t h o dh a s r e a l i z e dt h eb 2 u s i cr e q u i r e m e n to fp o w e rs o u r c e w h o s eo u t p u ti sc o n s t a n tv o l t a g e ； b e s i d e s ，蜘咖o n o u sr e c t i f i c a t i o n i su s e di nt h er e c t i f i c a t i o np a r t o _ f 也ep o w 髓 s o u r c e ，t h el o s to fr e c t i f i c a t i o ni sg r e a t 1 yr e d u c e dw i t ht h eu s e o fl o w - r e s i s t a n c ep c w e r m o s f e t 1 1 1m en e x tp a n ，t h eb a s i cs c a n n i n ga l g o r i t h m o ft h el e dp a n e lh a s b e e n r e s e a r c h e d ，s o m eg e n e r a lk n o w l e d g ea n dc o n c e p to ft h el e d p a n e li si n t r o d u c e d , a n d w i t ht h eu s eo ff p g aa n dt h ev h d l l a n g u a g e ，as i m p l el e d d i s p l a ya r r a y1 sd e s l g n e d 砥s 枞a ：t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi n d i c a t e dt h a t t h i s e l e c t r i cc 侧i th a sa s m l es t n l c n 螅a n di sc o m r o l l e dc o n v e n i e n t l y ，a n d 也es c a n n i n ga l g o d m m 1 ss l m p i ea n d f e a s i b l e i th a ss a t i s dt h eb a s i cr e q u e s to f t h es c a n n i n gc o n t r 0 1s e q u e n c eo ft h el e d p a n e l k e y w 。r d s ：l e dp a n e l ；h a l fb r i d g es w i t c h i n gp o w e r ；s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n ； p w mt c c h n o l o g y ；s u c c e s s i o ns c a n n i n g c o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明i 本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：l 呈q 垦丞屋的堡动鱼遗逯让塑扫描篡法婴究= = 。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：兰互鱼塑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：匀钮幻导师签名：刁镭 日期砌哆年7 月乡日 l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 第1 章前言 1 1 课题背景 发光二极管( l e d ) 是6 0 年代末发展起来的一种半导体显示器件。7 0 年代， 随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和p n 结形成技术的进展，发光二极管 的发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速批量化和实用化。进入8 0 年代后，l e d 在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品，即l e d 显示屏。 l e d 显示屏由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳等特点，决定了它作为公众多媒 体显示产品，有着其它平板显示，如背投电视、液晶、等离子、电视墙等无法比 拟的优势。因此，l e d 显示屏在国内外市场上广泛应用，并不断拓展用途，市场 前景巨大i 。 我国的l e d 显示屏产业经过十多年的发展，已经形成了一批具有一定规模的 骨干企业。如图1 1 所示，我国的l e d 显示屏市场规模已经从0 6 年的4 0 5 亿元 产值增长为2 0 0 8 年的5 8 1 亿元，预计2 0 1 0 年将达到7 5 5 亿元【2 1 。目前，国内l e d 显示屏产品的发展比较齐全，档次越来越高，技术水平也与国际同步。我国在9 0 年代初即掌握了1 6 级灰度、2 5 6 色视频控制及无线遥控等国际先进技术。近年在 全彩色屏、2 5 6 级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面均出现 了达到国际水平的技术和产品。同时，l e d 显示屏的应用领域也在不断拓展。证 券交易、金融信息显示是l e d 显示屏的主要需求行业，占总需求量的5 0 以上。 机场的航班动态信息显示系统、国内重要火车站、港口、体育场馆也普遍采用了 国产l e d 显示屏。此外，l e d 显示屏还广泛用于邮政、电信、商场等服务领域的 业务宣传及信息显示。 在现代信息社会中，作为人机视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展， 二十一世纪必将是平板显示的时代。作为平板显示的主要产品之一，l e d 显示屏 无疑会有更大的发展。l e d 显示屏正朝着高亮度、全彩化、规范化、产品结构多 样化的方向蓬勃发展，并有可能成为二十一世纪大屏幕平板显示的代表性主流产 品。 l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 流( z c s ) 软开关脉宽调制技术在开关电源模块中的应用，新型产品的工作频率已 经提高至2 5 0 3 5 0 k h z t 引。 我国于1 9 6 3 年开始研制可控整流器，1 9 6 5 年开始研制逆变器和晶体管d c d c 变换器，当时我国的技术水平与国外相比有很大差距。随着开关电源技术的不断 发展成熟，目前，我国开关电源的自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的 有十多家。一些大公司自主开发的电源系列产品已获得广泛认同。如华为、中兴 等厂家开发的高频开关电源，已经做到功能齐全、质量稳定，并能实现全智能、 无人值守，基本接近国际先进水平【4 】。 在国外，开关电源的研究取得了很大进展。国外已经研制出开关频率高达 1 m h z 的高速p w m 、p f m 芯片，典型产品如u c 3 8 4 2 、u c l 8 6 4 等。日本原田研 究室的n o s o k a l 等曾分别做出1 2 w 、1 4 m h z 、效率为9 2 和4 0 w 、1 5 m h z 、效 率为8 3 的e 类变换器，其功率电路中含有l c 谐振支路，且拓扑比较简单。近 几年来，软开关技术又引起了人们极大关注。就现有的文献来看，目前人们讨论 的软开关技术大多是在桥式变换器上的应用。如关国o l i v e rd p a r s o n 等利用谐振 极电位的变化实现全桥变换器的软开关应用；r i c h a r dr e d l 等人通过在全桥变换器 中加入转换电感和嵌位二极管实现了软开关条件；s h a m a d a 等人提出了饱和电感 用于全桥电路的软开关变换器等等【5 1 。 新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的基础，集成化是开关电源技术 的一个发展方向，开关电源模块轻、小、薄，高频化是开关电源技术的必然发展趋 势。随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅 提升，动态响应得到改善。但高频化又必然使传统的p w m 开关功耗加大、效率降 低、噪声提高，且达不到高频、高效的预期效益，高频寄生参数以及高频e m i 等 新的问题也将随之产生。因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为 开关电源技术未来的主流 6 】。 1 3l e d 显示屏的时序扫描控制 l e d 显示屏的实际显示效果已经成为现阶段各生产厂商关心的重要方面，它 第1 章前言 直接影响了人们对l e d 显示屏的接受程度。寿命、单位面积亮度、三基色的偏差 程度、对比度、灰度等级等指标性能是衡量或横向比较大型显示设备好坏的标准。 而这些指标性能的优劣，很大程度上决定于扫描控制器的性能。因此对l e d 大屏 幕显示系统的扫描控制算法的研究有着重要的意义r 7 1 。一个l e d 显示屏的设计参 数有屏宽、屏高、场频、基色、色彩灰度级等。决定扫描方法的参数主要有驱动 时钟个数、屏体分块数、锁存信号时序、使能信号时序等，同时还有c p u 软件扫 描或是逻辑电路硬件扫描之间的选择问题。 图像视频的信号频率高、数据量大，要求实时处理能力强，加之全彩大屏幕 l e d 控制器实现的数字逻辑相当复杂，因此采用c p l d f p g a 设计控制电路，可 以简化系统结构，便于调试。在l e d 显示屏扫描控制电路中，f p g a 是其中最主 要的逻辑控制器件，主要实现视频数据接收、非线性灰度校正和扫描信号产生功 能。f p g a 内部各个电路模块相互协调运作，将数据输入和显示输出连接起来，实 现了l e d 显示屏的全彩视频播放1 8 j 。 1 4 课题的主要内容 本课题理论研究和系统搭建等工作的实现，主要基于大连高新区达明科技有 限公司的l e d 大屏幕显示系统。课题结合开关电源技术、电力电子技术以及f p g a 技术，主要进行半桥式开关电源的p w m 脉宽调制、同步整流的理论研究和软硬件 的设计实现，以及应用f p g a 设计l e d 大屏幕显示系统的时序扫描控制算法。主 要进行的工作有：l e d 显示屏的供电电源决定采用半桥式开关电源拓扑的设计方 案，利用f p g a 和v h d l 语言完成基于p w m 脉宽调制技术的闭环反馈控制，电 源变压器副边采用同步整流的设计方案，利用f p g a 以及v h d l 语言完成l e d 显 示屏扫描控制系统的顶层和底层模块。在此基础上，完成下面几个部分的设计： ( 1 ) 开关电源e m i 滤波器的设计： ( 2 ) 开关电源主电路的参数设计； ( 3 ) 开关电源p w m 脉宽调制电路的设计； ( 4 ) 开关电源驱动电路的参数设计； l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 ( 5 ) f p g a 与外围器件的选择； ( 6 ) l e d 显示屏扫描控制系统的顶层模块设计； ( 7 ) l e d 显示屏扫描控制系统的底层模块设计。 第2 章相关技术与工具介绍 第2 章相关技术与工具介绍 2 1 半桥式开关电源的主电路拓扑 2 1 1 开关电源常用拓扑结构 开关电源的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关器件 和储能器件的不同配置。开关变换器的拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型 和隔离型。非隔离型在工作期间输入电源和输出负载共用个电流通路，而隔离 型开关变换器的能量转换是用一个相互耦合的磁性元件来实现的【9 】。 非隔离开关变换器有4 种基本拓扑结构，它们分别是： ( 1 ) b o o s t 电路：升压斩波器，将输入电压变换成较高的稳定输出电压。输入 输出的极性相同。 ( 2 ) b u c k 电路：降压斩波器，将输入电压变换成较低的稳定输出电压。输入 输出的极性相同。 ( 3 ) b u c k b o o s t 电路：降压或升压斩波器，将输入电压变换成稳定的较低值 或较高值的反相输出电压。输入输出的极性相反，通过电感传输能量。 ( 4 ) c u k 电路：降压或升压斩波器，将输入电压变换成稳定的较低值或较高 值的反相输出电压。输入输出的极性相反，通过电容传输能量。 隔离开关变换器有5 种基本拓扑结构，它们分别是： ( 1 ) 单端反激变换器：反激变换器在功率晶体管受控导通时，高频变换器将 电能变为磁能储存起来；而在晶体管受控截止时，高频变压器将原先储存的磁能 变为电能，通过整流二极管向负载供电，并向输出电容充电。此电路的整流二极 管是在功率晶体管截止时才导通的，故称之为反激型。 ( 2 ) 单端正激变换器：正激变换器的工作原理与反激变换器恰好相反，正激 变换器在功率开关管受控导通时，整流二极管也同时导通，输入电能通过整流二 极管传递给负载，同时将部分能量储存在输出回路的储能电感中。 ( 3 ) 推挽型变换器：推挽变换器是典型的逆变整流型变换器，它由两个单端 正激变换器叠加而成的，它的输出电压是单个单端正激变换器输出电压的两倍， l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 因此它能获得较大的输出功率。 ( 4 ) 半桥型变换器：半桥变换器中有两只容量、耐压都相等的电容器和两只 特性相同的晶体管组成一电桥。输入电源电压加于电桥一对角线的两端点上，而 高频变压器的原边绕组则接在电桥的另一对角线的两端点上。高频变压器副边的 输出回路维持推挽型变换器的接法不变。 ( 5 ) 全桥型变换器：全桥变换器的拓扑结构与半桥变换器基本相同，只是将 半桥中的电容也换成了开关管。这样全桥变换器的电桥上有四个相同的晶体管， 分别分成两对开关重复交互通断。这样使得全桥变换器的输出功率较半桥变换器 得到大大提高。 非隔离开关变换器的输入输出之间无变压器的磁隔离，不利于开关电源的安 全工作，因此本文不采用非隔离型的开关电源拓扑结构。另外本文所设计的开关 电源的额定输出功率为2 0 0 w ，正激和反激型变换器虽然开发成本都比较低，但它 们的输出功率范围只有0 1 5 0 w 1 0 】，因此这两种拓扑结构都不予以采用；全桥型变 换器的输出功率范围很大，但它的开发成本是这些开关电源拓扑结构中最大的， 因此也予以舍弃；另外由于推挽型变换器的开关管所承受的反向电压高、集电极 电流尖峰大等缺点【l l 】，因此本设计最终采用半桥变换器作为开关电源的主电路拓 扑。半桥变换器的开发成本一般，它的输出功率范围为1 0 0 5 0 0 v ，典型效率为7 5 。 2 1 2 半桥电路的拓扑结构 半桥电路的主电路拓扑如图2 1 所示，其中u i n 为输入直流电压，c 1 、c 2 为 输入直流电压的滤波电容，c 1 、c 2 两端各并接等值放电电阻r 1 、r 2 来均衡两者 的电压。主开关为两个互补控制的功率m o s f e t ( q 1 和q 2 ) ，c 3 和c 4 分别是两 个开关管的寄生电容。隔直电容c 5 用来抑制变压器产生的磁通不平衡和直流磁饱 和【l2 1 。带中间抽头的功率变压器由理想变压器串联一个漏感l r 。输出侧是采用带 有同步整流的全波整流电路，q 3 、q 4 为整流m o s f e t ，d 1 、d 2 是整流m o s f e t 的反向并联二极管。l 1 是输出滤波电感，c 6 为输出滤波电容，r 3 是负载电感， u 叭n 端为输出直流电压。 第2 章相关技术与工具介绍 u j l l + l 十 吐 _ t + c lm o s e 巨工点| = 。、 l p - 一 一卜抽 + 、j 旺竖m 0 8 皿刊量 千 u i n 1 图2 1 半桥电路的主电路拓扑 f i g 2 1s c h e m eo f h a l fb r i d g ec o n v e r t e r 半桥电路中，变压器一次侧的两端分别接在电容c 1 、c 2 的中点和开关管q 1 、 q 2 的中点。若电容c 1 、c 2 的容量基本相等，则它们连接点处的电压近似为输入 直流电压的一半，即u i n 2 。 当q 1 导通、q 2 截止时，直流输入电压u i 。向c 2 充电，c 2 两端电压便通过 开关管q 1 加到高频变压器的原边绕组两端，使原边绕组端电压也等于u i 。2 ，其 极性为上正下负。q 2 两端承受的电压为直流输入电压u i n ；当q 2 导通、q 1 截止 时，直流输入电压u i 。向c 1 充电，c 1 两端电压便通过开关管q 2 加到高频变压器 的原边绕组两端，使原边绕组端电压也等于u i n 2 ，其极性为下正上负。q 2 两端承 受的电压同样为直流输入电压u 如q 1 、q 2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值 为u i n 2 的交流电压。改变开关管的占空比，就可以改变变压器二次侧整流电压的 平均值，再经过储能电感l 1 ，电容c 6 滤波后，也就改变了输出电压u o u t 。 2 2 同步整流电路的基本原理 本设计的设计规格为：额定输出功率2 0 0 w ，其中额定输出电压5 v ，额定输 出电流4 0 a ，这是一种低电压、大电流输出的开关电源应用场合。这时整流二极 管的导通压降较高，整流损耗会变得尤为突出。快恢复二极管或超快恢复二极管 的正向导通压降可达1 0 1 2 v ，即使采用低压降的肖特基二极管，也会产生 o 4 v o 8 v 的正向导通压降，导致整流损耗增大，电源效率降低【1 3 】。因此，传统的 l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源的高效率需要。同步整 流是用电力m o s f e t 来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。由于低电 压的m o s f e t 具有非常小的导通电阻( 珑q 级) ，因此可以极大地降低整流电路的 导通损耗，减轻散热应力，从而达到很高的效率【1 4 1 。但在变压器二次侧电压u r 的 零电压区，由于栅极驱动电压u 。= u 。：= 0 ，q 3 和q 4 均处于关断状态。为了维持 输出电流连续，则m o s f e t 内部寄生的反并联二极管d 1 和d 2 会同时导通。由于 d l 和d 2 导通压降较大，电路在这一时段的损耗也会增加【1 5 1 。 d l 图2 , 2 同步整流电路原理图 f i g 2 , 2p r i n c i p l ec h a r to fs y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n 图2 2 所示为同步整流的电路原理图。如图中所示，当变压器t 1 原边承受正 向电压时，这时给整流m o s 管q 4 提供触发脉冲，变压器副边绕组b c 工作，电流 从变压器中间抽头b 流出，经过滤波电感l 1 、负载以及整流管q 4 构成导通回路， 输入电能通过整流管q 4 传递给负载；当变压器t 1 原边承受反向电压时，这时给 整流m o s 管q 3 提供触发脉冲，变压器副边绕组a b 工作，电流从变压器中间抽头 b 流出，经过滤波电感l 1 、负载以及整流管q 3 构成导通回路，输入电能通过整流 管q 3 传递给负载【1 6 】。 功率m o s f e t 实际上是一种双向导通器件，其完整的漏一源极伏安特性应包括 第一象限和第三象限，是关于原点对称的，功率m o s f e t 的工作特性如图2 3 所 示。其中，第一象限表示m o s f e t 的正向导电特性，第三象限表示m o s f e t 的反 第2 章相关技术与工具介绍 向导电特性。同步整流技术正是利用了功率m o s f e t 的这种双向导电特性来达到 提高整流效率目的。 当u 凼 o 时，对栅极施加高于变压器二次侧电压u r 幅值的正栅压，栅底p 型区 会反型并形成导电沟道。由于 u ( 2 1 ) lu p = u g ， 0 7 u 。是正栅极电压幅值。该式表明，在同步整流电路中，功率m o s f e t 将工作在正 向阻断的反向导通状态。 2 3p w m 脉宽调制技术 开关电源稳压特性的实现是通过改变开关器件接通时间乙和通断周期t 的比 例来实现的。根据时间比例控制原理，开关电源共有三种稳压调制方式，即：脉 冲宽度调制方式( p w m ) ，脉冲频率调制方式( p f m ) 和混合调制方式【1 8 】。p w m 调制方式因其单一闭环设计结构简单、有较好的抗噪声裕量、对负载变化的响应 调节好等特点，成为了这三种调制方式中应用最为普遍的一种【1 9 1 。该设计所采用 的开关电源稳压调制方式即为：p w m 脉宽调制。 p w m 控制技术的理论基础源于采样控制理论中的一个重要结论，其一般表述 为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲 量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本 相同。各输出波形的低频段非常接近，仅在高频段略有差异。如图2 5 a 、b 、c 所 示的三个窄脉冲形状不同，图2 5 a 为矩形脉冲，图2 5 b 为三角形脉冲，图2 5 c 为 n 第2 章相关技术与工具介绍 正弦半波脉冲，但它们的面积，即冲量都等于1 。那么当它们分别加在具有惯性的 同一个环节上时，其输出响应基本相同。 ( a )( b )( c )( d 】 图2 5 形状不同冲量相等的各种窄脉冲 f i g 2 5v a r i o u sp u l s e so fd i f f e r e n ts h a p eb u te q u i v a l e n t 如图2 6 所示，将形状不同而冲量相同的电压窄脉冲作为输入加在惯性环节 r - l 电路上，如图2 6 a 所示。i ( t ) 为电路的输出，图2 6 a 给出了不同窄脉冲时i ( t ) 的响应波形。从波形可以看出，在i ( t ) 的上升段，脉冲形状不同时i ( t ) 的形状也略 有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i ( t ) 波形的差异也越小。如果 周期性地施加上述脉冲，则响应i ( t ) 也是周期性的刚。 e ( t ) a b ( b ) 图2 6 冲量相同的各种窄脉冲的相应波形 f i g 2 6r e l e v a n tw a v e f o r m so fv a r i o u sp u l s e sw i t he q u i v a l e n ti m p u l s e l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 上述原理可以称之为面积等效原理，即只要窄脉冲所围成的面积相等，则系 统的响应或者输出波形的形状基本相同。p w m 脉宽调制技术就是对半导体开关器 件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲， 用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。 p w m 控制既可由硬件实现( p w m 专用芯片等硬件电路) ，也可以通过软件实 现，但其原理是一致的。预先给定一载形( 可以是三角波、锯齿波或其它波形) ， 再与反馈电路得到的调制信号进行比较，根据比较结果来决定是输出高电平还是 低电平，这样就得到一系列脉冲，其脉冲宽度与调制信号成线性关系。用此脉冲 去触发执行元件，执行元件就按照脉冲宽度的时间动作。当控制量小时，脉冲宽 度就增加，执行元件的动作时间就变长，使控制结果迅速接近所要达到的控制要 求；当控制量大时，脉冲宽度就变窄，执行元件的动作时间缩短，直到控制结果 与控制要求一致。 图2 7 数字p w m 的基本结构 f i g 2 7b a s i cs t r u c t u r eo fd i g i t a lp w m p w m 调制器采用数字化的设计方法，其基本结构如图2 7 所示。设计方法的 基本思想是：计数器电路在时钟信号e l k 的控制下循环输出递增或递减的计数数 据，同时反馈数字信号通过a d 转换寄存器输出一组数据，两组数据通过比较器 进行对比。当调制信号数据大时，比较器输出低电平，否则输出高电平；当计数 器发生溢出时由其产生控制信号l o c k 给a d 转换寄存器的使能控制端，反馈数字 第2 章相关技术与工具介绍 信号则将下一组数据送入寄存器，接着进行下一轮比较。这种电路设计方法的优 点在于：信号的产生、控制和对比等操作都可以通过数字电路来实现，因而有利于 将整个系统用单一芯片来实现( 比如通过f p g a 器件) ，既方便实现控制，又提高 了集成度和抗干扰能力，符合数字化的设计思想【2 1 1 。 2 4 c y c lo n ei 系列f p g a 器件 l e d 显示屏已从原来的单纯文字显示发展到现在的文字、图像、动画和视频 等各种多媒体显示，数据处理量也随之明显增大。f p g a 器件因其处理速度快，有 大量可编程逻辑单元和丰富的布线资源等特点，在处理大流量数据应用时具有独 特的优势【2 2 1 。本文以a l t e r a 公司的f p g a 为目标芯片，根据模块化设计的思想，着 重完成l e d 显示屏的时序扫描算法设计。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 通常被成为现场可编程门阵列，它是2 0 世纪8 0 年代中期出现的高密度可编程逻辑器件。f p g a 的结构类似于掩膜可编程 门阵列( m p g a ) ，它由许多独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这 些模块连接起来实现不同的设计。f p g a 兼容了m p g a 和阵列p l d 两者的优点， 因而具有更高的集成度、更强的逻辑实现能力和更好的设计灵活性【2 3 1 。f p g a 的 规模可以做得很大，一片芯片可以集成几十万至上百万的逻辑门。它的逻辑功能 单元可以具有较为复杂的逻辑功能，从而使得整个芯片的功能大大增强。 一般来说，f p g a 由三部分构成：组合逻辑、连线、i 0 引脚。图2 8 给出了 由这三个部件构成的f p g a 基本结构。组合逻辑可分为相对较小的单元：逻辑器 件或组合逻辑模块。逻辑器件和组合逻辑模块通常可以用来构成一些典型的逻辑 门函数。由于连线关系逻辑设计的全局属性，f p g a 的设计者必须依赖预设计来设 计连线，因此f p g a 的连线系统是f p g a 设计中最复杂的一部分。i 0 引脚构成了 i o 模块( 1 0 b ) ，它们通常作为可编程的输入或输出，具有低功耗、高速连接的特 点 2 4 】。 l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 图2 8f p g a 的一般构造 f i g 2 8g e n e r a ls t r u c t u r eo ff p g a c y c l o n ei 系列f p g a 是a l t e r a 公司开发的基于1 5 v 、o 1 3 1 l t m 各层次铜工艺处 理s r a m 的处理器，它的工艺密度达到了2 0 0 6 0 个逻辑单元和高达2 8 8 k b 的r a m 单元。它的内部集成了用于定时的锁相环单元( p l l ) 以及为了达到d d r s d r a m 和 高速循环随机存储器( f c r a m ) 功能要求的d d r 单元，c y c l o n ei 系列f p g a 是 解决数据传输路径问题的很好应用。同时c y c l o n ei 系列f p g a 支持各种i o 端口 标准，包括传输速率高达6 4 0 m b p s 的l v d s 以及p c i 接口，用来接口和支持a s s p 、 a s i c 等器件【2 5 】。 2 5v h d l 语言 随着e d a 技术的发展，使用硬件描述语言设计c p l d f p g a 已经成为一种趋 势。目前最主要的硬件描述语言就是v h d l 和v e r i l o gh d l 。本系统的软件设计主 要是在q u a r t u si i 环境下对f p g a 进行编程，所应用到的硬件描述语言就是v h d l ：五宣 h j 口o v h d l 是由美国国防部开发，由i e e e 制定标准的一种硬件描述语言。v h d l 的功能强大，设计方式灵活多样；v h d l 易于a s i c 移植，产品上市时间短、成本 第2 章相关技术与工具介绍 低；它的移植能力很强，语法规范、标准，易于共享和复用，设计描述也和器件 无关【2 6 1 。 v h d l 语言采用自上而下的设计方法，第一层是行为描述，第二层是r t l 寄 存器级描述，第三层是逻辑综合。一个完整的v h d l 程序包括5 个部分，分别是 库、程序包、实体、结构体和配置。实体类似于原理图中的部件符号，是一个初 级设计单元，用来描述对外的输入输出接口以及一些用于结构体的参数定义；结 构体的功能是用来描述一个设计实体的内部结构或逻辑行为，建立一个设计逻辑 的输入和输出之间的关系；库用来存放已经编译过的实体说明、结构体、程序包 和配置等，程序包主要用来存放各个设计实体都能共享的数据类型、子程序说明、 属性说明和元件说明等部分；配置的功能是描述各种设计实体和元件之间的连接 关系以及设计实体和结构体之间的连接关系【2 7 】。 设计实体 图2 9 v h d l 语言的结构组成 f i g 2 9c o m p o n e n tp a r to fv h d ll a n g u a g e 与其它的硬件描述语言相比，应用v h d l 进行工程设计有以下的优点：v h d l 具有更强的行为描述能力，强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑 行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证：另外对于用v h d l 完成的一个确 l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综合和优化，并自动把v h d l 描述设计转 变成门级网表；最后，v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬 件的结构，也不必对最终设计实现的目标器件有很深入地了解【2 引。 第3 章半桥式开关电源的设计与实验结果分析 第3 章半桥式开关电源的设计与实验结果分析 3 1 电源的总体结构框图 图3 1 所示为半桥式开关电源的总体结构框图。输入端l 、n 分别为交流单 相电源的火线和零线，从l 、n 端至整流桥块d o 部分为e m i 滤波器，r t l 为具有 负温度系数特性的热敏电阻，用来限制在电源接通瞬间较大的冲击电流。u i n 至电 源输出端u o u t 部分为2 1 节所述的半桥电路的主电路拓扑。开关电源输出u o u t 经过由运算放大器和线性光耦h c n r 2 0 1 构成的隔离反馈电路，输入到a d 转换 芯片a d c 0 8 0 9 的模拟输入端。f p g a 内部的a d 转换控制模块控制a d c 0 8 0 9 的 工作时序，得到8 位a d 转换数字量q 7 0 】。q 7 0 1 输入到f p g a 内部的p w m 控制模块，产生4 路p w m 脉冲。4 路脉冲经过由光耦6 n 1 3 7 和专业驱动集成芯片 i r 2 1 1 0 组成的脉冲驱动电路，分别输入到功率开关管q 1 、q 2 和同步整流管q 3 、 q 4 的栅源极，从而达到控制开关管和整流管开通和关断的目的。 盯l 图3 1 半桥式开关电源的总体结构框图 f i g 3 1t h et o t a lf r a m eo f h a l f b r i d g es m p s l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 3 2e 滤波器设计 开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。 e m i 信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环 境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一 个干扰源【2 9 1 。电磁干扰滤波器( e m if i l t e r ) 是近年来被推广应用的一种新型组合 器件。它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。 3 2 1e mi 产生原因 开关电源产生e m i 的原因较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰 和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。基本整流器的整流过 程是产生e m i 最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成的单向脉动 电源已不再是单一频率的电流，此电流波可分解为一直流分量和一系列频率不同 的交流分量之和【3 0 1 。谐波会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接 在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。功 率转换电路产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽而且谐波比 较丰富。产生这种脉冲干扰的主要器件有：功率开关管、高频变压器、副边整流 管和电容、电感器、导线。 3 2 2e m l 滤波器结构 e m i 滤波器电路如图3 2 所示。该器件包括两个输入端、两个输出端和一 个接地端。电路中包括共模扼流圈( 共模电感) l 、滤波电容c 1 、c 2 、c 3 、c 4 。 共模电感l 是由在同一个磁环上绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。使滤波 器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达 到磁饱和状态，从而使两只线圈的电感值保持不变【3 1 1 。除了共模电感以外，接 在电源供电线l 、n 与金属外壳g n d 之间的电容c 3 及c 4 ，也是用来滤除共模 干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由 电容c 3 及c 4 起作用。电容c 3 、c 4 的选择要根据实际情况来定，由于电容接 于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特 第3 章半桥式开关电源的设计与实验结果分析 性。共模电感的漏感与电容c l 及c 2 构成了一个i i 型滤波器。这种滤波器对差 模干扰有较好的衰减。 图3 2e m i 滤波器的基本结构 f i g 3 2t h eb a s i cs t r u c t u r eo fe m if i l t e r 根据信号传输理论，滤波器输入端与电源端的端接、滤波器输出端与负载端 的端接应遵循阻抗极大不匹配原则【3 2 1 。开关电源作为噪声源是高阻抗的，所以滤 波器的差模电容c 1 、c 2 应当是低阻抗的，电容选取比较大，容量范围大致是 0 0 1 0 4 7 心。实际应用中c 1 、c 2 选取o 1 心的安规电容；而电源端的火线l 与零 线n 间是低阻抗的，因此滤波器输入端的共模电感是高阻抗的，选取8 m h ；共模 电容c 3 、c 4 的容量范围是2 2 0 0 - 4 7 0 0 p f 。为减小漏电流，电容量不能超过4 7 0 0p f ， 实际应用中选取2 2 0 0p f 的陶瓷电容。 3 3 功率电路设计 本文的半桥式开关电源的设计规格为： ( 1 ) 输入电压：9 0 2 6 5 v a e5 0 h z ( 2 ) 输出电压：5 v d c ( 3 ) 额定功率：2 0 0 w ( 4 ) 半桥效率：8 5 ( 5 ) 开关频率：5 0 k h z ( 6 ) 输出纹波： 互1v 2 ( 3 7 ) 其中i 为电路的关断电流。其次，缓冲电路的时间常数要比功率开关管的导通时间 短，这样在开关管导通的时候存储在缓冲电路中的能量才能够释放完毕。缓存电 容的选择还要满足下式： c s u o ，比较器得出1 ，则控制电路使逐次比较 寄存器的d 7 位保留1 ；如果u i 1 0 m a 时，m ：l ，式( 4 一1 ) 可 简化为： 三= 硌 ( 4 2 ) 即：l e d 的发光亮度与正向电流成正比。l e d 的正向电压和正向电流以及管芯的 半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的，f 值( 一般1 0 m a 左右) ，这样既保证亮度适中，也不会损坏l e d 。 4 1 2l e d 的i 叫特性柏1 i ( m a ) 图4 1l e d 的正向伏安特性 f i g 4 1p o s i t i v ev o l t a m p e r ef e a t u r eo fl e d i v 特性( 伏安特性) 是表征l e d 芯片p n 结性能的主要参数。l e d 的伏安 特性具有非线性和单向导电性，即外加正偏压时表现为低电阻，反之为高电阻， 如图4 1 所示。 l e d 显示屏的驱动电源设计和扫描算法研究 l e d 显示屏的发光材料为发光二节管，而发光二节管的正向伏安特性与普通 二极管大致相同，电压的开启点以前无电流，电压一旦超过开启点便显示出导通 特性，这时正向电流i 与正向电压u 的关系式如下： = k 。一。+ r s l p + ( 环a r ) ( r 一2 5 ) ( 4 3 ) 式中：棚一铆为l e d 的启动电压；r s 为伏安特性曲线的斜率：t 为环境温度： 圪丁为l e d 正向电压的温度系数，对于多数l e d 而言，其典型值为一2 y 。c 。 从l e d 的伏安特性曲线及模型看，l e d 在正向导通后其正向电压的细小变动 将引起电流的很大变化，而且环境温度、老化时间等因素也将影响l e d 的电气性 能。因为l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，所以在l e d 应用中应控制补偿输 入电压和环境温度等因素的变化。 4 1 3l e d 的主要参数 描述l e d 的参数较多，下面列出与l e d 屏体有关的几个主要参数： ( 1 ) 允许功耗p ：假设流过l e d 的电流为，f ，管压降为砟，则l e d 的功率 消耗为p = i f 。 ( 2 ) 响应时间：指输入正向电流后l e d 开始发光( 上升) 和熄灭( 衰减) 的 时间。 ( 3 ) l e d 的点亮时间( 上升时间) t ，：从接通电源使发光亮度达到正常值的1 0 开始，直到发光亮度达到正