升压型双模式PWM+LED驱动芯片设计_图文

1、浙江大学硕士学位论文升压型双模式PWM LED驱动芯片设计姓名:付佳申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:吴晓波20070426 第2章结构设计2.1基本的驱动芯片结构及原理白光LED的驱动芯片是电源管理芯片的一种,其系统结构按照有没有电感 元件可分为两大类。包含电感的系统结构主要是开关电源电路,不需要电感的 结构主要是电荷泵。开关电源电路由于需要电感元件,因而体积较大。在现有的半导体制造工 艺条件下,电感元件很难集成到芯片内部,因而不利于系统的集成。但是,这 种结构的效率很高,LED的驱动电压可以任意调整,LED的驱动电流最大可以 达到十几安培,很适用于大电流的LED驱动芯片设计。电荷

2、泵电路比较简单,由于不需要电感元件,体积很小,成本较低。但是 它只能提供固定的输出电压。有些芯片提供不同大小的输出电压供选择,但却 缺少输出电压的连续性。在驱动电流能力上,电荷泵电路也远远不及开关电源 电路。系统的效率也比较低。因而,电荷泵电路主要应用在驱动小电流,小电 压的LED场合。(1开关电源电路最常用的开关电源电路有:BUCK,BOOST,BUCK-BOOST型,分代表 降压型,升压型,还有升降压型电路。现以BOOST型电路为例,简要说明工 作原理。如图2.1所示,开关电源电路主要由电子开关器件,电感和电容组成。电 子开关有快速开通和关断两种状态,并且非常强调迅速的切换,因为只有这样,

3、 损耗才能降到最小。目前较常使用的电子开关有:双极型晶体管,功率场效应 管,开关二极管,还有其他一些特性较好的新型大功率开关元件。电感是开关 电源中常用的器件,由于它的电压、电流相位不同,因此理论损耗为零。电感 为储能元件,也常用于平滑电流,也称为扼流线圈,其特点是流过其上的电流 有很大的惯性,也就是电感上的电流是连续的。电容也是开关电源的基本元件 之一.它与电感一样,也是储存和传递电能的元件,但对频率的特性与电感刚 好相反.它主要用来吸收纹波,具有平滑电压波形的作用。可以计算,输入输出电压和占空比(D之间的关系为:堕:上(2-1、肠l一上D:竺(2-2细+towBASIC STEP-UP(B

4、OOSTCoNVERTER WAVEFoRMSH。|L b。loutLowerC嘲-Inetantaneotm Value Upper CaseAverage Value誓!广=兰r A i旷kIolout图2.1基本BooST结构的电路及波形图D(2电荷泵电路电荷泵电路的主要原理是在时钟周期的一部分时间内为电容充电,在其余 的时间内,利用电容的不同连接方法得到不同的输出电压。这种方法只能得到 些离散的输出电压值。图2-2所示是一种简单的电荷泵电路,它可以得到输入电压两倍的输出电 压。仅用此简单的结构说明电荷泵电路的工作原理。当sl,S3导通,S2,s4关断的时候,Vin为电容C充电,电容上的

5、电压为Vin。当Sl,S3关断,s2, S4开通的时候,输出电压等于电容上的电压叠加上输入电压,因而得到了两倍于输入电压的输出电压。图2-2基本的电荷泵电路开关电源电路和电荷泵电路都是常用的电压转换拓扑结构,由于应用中有 很多特别的要求,比如,在输入电压或者负载有变化的时候保持输出电流和电 压恒定,这就需要建立闭环的负反馈系统,使产品更加可靠和稳定。电源管理芯片设计中的控制方法主要有,电压控制,峰值电流控制,均值 电流控制H1。虽然还衍生出了多种其他的控制方式,比如伪峰值电流控制,但 是他们都以上述三种方式为最根本的控制思路。(1电压控制模式电压控制模式是应用最早的一种控制方式。如图2-3所示

6、,输出电压Vout 被检测并且输入到误差放大器的反相端,基准电压REFERENCE输入到误差放 大器的正相端,得到的误差信号Vb与锯齿波vi相比较,比较器的输出作为锬 存器的清零信号,控制双极型晶体管开关的通断。详细波形同见图2-3。 电压控制模式只有一个电压回路,设计和分析都很简单,但是由于误差 放大器需要检测到输出电压变化才能做出反应,因而速度不快,而且系统中固 有的两个极点使补偿比较复杂。=7侈拶 黼;厂1广厂图23电压控制模式(2峰值电流控制模式峰值电流控制模式是应用最广泛的控制方式。如图2-4所示,同电压控制模式相同,误差放大器的两输入端接输出电压 Vout和参考电压REFERENC

7、E。与电压控制模式不同的是:比较器的输入是电 感电流信号和误差信号。由于电感电流直接反映出了系统状态变化,且不需要 经过误差放大器而直接输入比较器,所以环路响应有相当大的改善。峰值电流控制模式不仅反映迅速,而且环路中只有一个极点,非常有利于 补偿的设计,除此之外,它本身就可以实现每周期的过流保护。它的缺点是系 统包含两个反馈回路,一个电压环路,一个电流环路,这使得分析和设计比较 复杂,同时,峰值电流的检测对噪声非常敏感。如果占空比超过500,6,就需要 增加斜坡补偿,以保证系统的稳定性。图2-4峰值电流控制模式(3均值电流检测(1线性调整率线性调整率也可以说是输入电压调整率,它表示的是,当系统

8、输入电压变 化的时候,控制量的变化程度.在LED应用中,由于控制量是负载电流,所以 线性调整率指的就是,输入电压变化的时候,负载电流如何变化。用公式表示 为:筹(A/V(2-3(2负载调整率对于恒压驱动系统来讲,负载调整率表示当负载电流改变的时候输出电压 的变化。对于恒流的驱动系统,它指负载电流变化的时候,系统能否提供与之 对应的驱动电压,以保证LED的电压电流特性得到满足,从根本上讲,这也表 明了驱动芯片的驱动能力,也就是提供负载电流大小的能力。(3纹波纹波是指控制系统中的参数会带有一定频率分量的噪声。表现在电流或者 电压上,就是电流电压并不是完全不变的稳定值,而是在一定小的范围内波动。浙江

9、大学硕士学位论文由于LED应用中恒流控制为主,而且人眼对3%以上的电流匹配误差才能感觉 到,所以电流的纹波大小不是十分严格。(4驱动电流驱动电流的大小表明了芯片的驱动能力,也即提供给负载LED电流大小的 能力。驱动电流根据场合不同,要求迥异。做背光源的LED一般需要几十毫安 的电流,如果做闪光灯,一般需要700mA到1A的电流大小。(5驱动电压这是一个和LED个数及连接方法密切相关的参数。为了保证电流的精确匹 配,很多应用采用串联LED的连接方法,一般LED的正向压降为三到四伏, 如果需要的LED数量比较多,相应的驱动电压可能高达十几伏甚至几十伏。因 而需要BOOST电路或者电荷泵电路提升电压

10、。(6输入电压范围输入电压是一个基本参数,主要是因为目前LED的应用范围愈加广泛,比 如工业上的应用或者汽车照明,这些场合的供电范围比较宽,供电电压也比较 高。因而,要保证在很宽的输入电压范围内系统正常工作。2.2设计方案这款LED驱动芯片主要应用在汽车照明系统以及工业控制中,现以汽车照明 系统为例,分析应用的需要。为了提高汽车的美感与性能,在近些年的新车型中,汽车制造商大量的应用 固态光源LED的照明技术。主要应用有12I:(1舱内白光顶灯和阅读灯白光顶灯和阅读灯只需要一个大功率的白光LED发光二极管。一般正向压 降为3V-.4.5V,最大电流为IA-1.5A(2舱内娱乐显示器在豪华型及主流

11、消费车型中,安装GPS导航和舱内娱乐显示器越来越流 行。在目光下,这些LCD显示器需要LED串做背光源,在夜间工作则需要宽 的调光范围。LED串一般包含6-.-10个LED,尽管它们只需要一百毫安左右的 电流,但是串联LED的电压要达到20伏以上才能保证所有的LED正常导通。浙江大学硕士学位论文(3信号指示灯,尾灯和前灯信号指示灯、尾灯和前灯需要最大的功率,因为它们要有大电流和高电压 来驱动。例如汽车尾灯,电流最高可达1.5A,由plO个LED组成的LED串 在各种车灯中相当常见。信号指示灯、前灯和尾灯虽然不需要大范围的调光, 但是需要实现亮度的高低变化。汽车电池的典型供电范围是9-一16V。

12、一个电量耗光的电池在汽车启动前可能 降低至9V,而交流发电机在发动机运行的同时将其充电至144V。伴随着一些尖 峰和过冲,这种典型的直流电池电压最高可达16V。在通常情况下。当发动机不 工作时.充好电的汽车电池电压为12V。在冷车发动时,汽车电池电压可能降至 5v、甚至4V。在汽车供电中.高瞬态电压也非常常见。从电池到底盘上不同地方 的长电缆和汽车环境中的电子噪声经常会导致大的电压尖峰,在设计驱动芯片时 典型的36V瞬态电压也需要考虑。基于以上应用的考虑,驱动芯片的供电允许范围设定为弘36,输出电压至少 可以驱动1个大电流的LED,至多可以驱动lO个串联LED。(1拓扑结构一般白光LED正向压

13、降为3V至4.5V,由于输出电压需要驱动多达lO个 串联的LED,电压变换器需要输出至少30V的电压,但是输入电压范围是3V 至36V,最低可至3V,因而采用BOOST型DC/DC拓扑结构。如图2-5所示。 BOOST结构虽然能够提供相当高的输出电压,但是却不适合实现驱动一个LED 的低电压。为了扩大负载电压的范围,采用图2-6的方法。电路基本结构仍然 是BOOST型,只是负载被连接在输入电压和输出电压之间,因而负载电压是 输出电压与输入电压的差值,负载电流自输出端流入输入端。即使只驱动一个 LED也很容易实现。这种接法的电流检测电阻直接与输入电压相连,因而称为 高端检测接法。BUICK.BO

14、OsT电路虽然也可以实现高于或者低于输入电压的输出,但是 它的输出电压极性与输入电压相反,因而增加了系统设计的复杂性,所以不予 采用。图2-5BOOST型DC/DC拓扑图2-6BooST拓扑的高端检测接法(2控制方法为了使系统有较好的反应速度和控制精度,采用峰值电流的控制方法。控 制系统框图如图2-7和2-8所示,分别为普通BOOST电路的系统和高端检测的 系统框图。为了保证系统在不同占空比条件下的稳定性,增加了斜坡补偿电路。图2-7BOOST型DC,DC的峰值电流控制框图误茏放大嚣图28BOOST型DC/DC高端检测模式的峰值电流控制框图驱动芯片最重要的参数之一是电流驱动能力,它的大小与功率

15、MOS管的 电流承受能力密切相关。把功率MOS管集成到芯片内部,可以减少了外围器 件,但却增加了芯片的面积和制造工艺的成本,而且电流的峰值受限,减少了 应用设计的灵活性。在对外围器件数量要求比较少,产品体积需求较小的条件下,集成MOS管的芯片才比较适用。本芯片的设计目标是汽车照明系统的驱动芯片,对产品体积的要求宽松, 而且被驱动的LED由1个到10个不等,电流由几十毫安到几安培变化,应用 条件十分灵活,因而采用外接功率MOS管方法,由此也降低了芯片的制造成 本。不同外围器件的选择得到不同的驱动电压和电流,系统的效率也很大程度 上取决于外围器件。根据外围接法的不同,系统可以工作在恒流驱动模式和恒

16、流/恒压的驱动模 式下。(1恒流模式如图2.7所示,与负载串联的检测电阻上的电压与参考电压通过误差放大 器输出控制电压,用来限制电感电流的峰值。系统形成了负反馈回路,稳定时 候的误差放大器两输入端电压近似相等,因而严格控制了负载电流,大小为参 考电压除以检测电阻的大小。输出电压的大小是通过负载LED的电流进行控制的,当输出电压增大的时 候,负载电流也会随之增大,检测电阻上的电压就会增加,使误差放大器的输 出减小,通过环路作用减小电感电流,减小输出电压。如果负载LED断路,检测电阻检测不到与输出电压相应的电流值,电压的 增加就不能得到抑制,因而需要过压保护电路,防止输出电压过高对器件造成 的损害

17、。(2恒流,恒压模式在图2-8所示模式中,系统通过控制检测电阻两端的电压差值,控制负载 电流。其余原理与上述恒流模式类似。这种高端检测接法除了扩大负载电压范 围,还避免检测电阻直接接地而受到噪声的干扰。汽车照明应用中,通常以底 盘作为地,噪声很大,不适于检测电阻直接接到地。所谓恒压/恒流模式,是指由于误差放大器的特别结构,使系统能够即调整 负载电压也调整负载电流,这主要取决于哪个参数先达到预设的值。详细分析 见误差放大器的电路部分。这种恒流,匾压的模式本身提供了过压保护功能,即使负载LED断路,也 能根据设定调整输出电压,避免输出电压过大。浙江大学硬士学位论文由于负载接在输入输出电压之间,检测

18、电阻不能直接提供与电流成正比的 单端电压,电阻两端电压的差值才与电流成正比,因此,误差放大器要把双端 电压转变成单端电压,同时得到以地为参考的较低电平,利用此较低电平与参 考电压比较,得到误差信号用于峰值电流的控制,再者,放大器的输入要能承 受高达36伏的共模电压。因而,误差放大器的设计是此模式的关键。(1软启动(Sot:t Start软启动是电源管理芯片中的常见功能,它通过限制启动时候的输出电压或 者电流,使系统缓慢进入到正常工作状态,防止由于电流过大引起的器件损坏, 或者上电瞬间输出电压产生的过冲。(2过压保护过压保护是通过监视芯片的输出电压,在电压超过设定值的时候关断系统, 而使系统免受

19、损害的功能。过压保护主要是通过比较器实现的。(3关断模式(Shutdown Mod曲芯片需要有使能引脚,在不需要芯片工作的时候,关断芯片。关断模式除 了方便对芯片的控制外,还基于节省功耗的考虑,一般关断状态下的静态电流 都很小,在几微安到几十微安的数量级。关断模式的实现是利用比较器,它通过比较内部基准电压和外部输入电压, 判断是否实施关断。比较常具有迟滞功能,防止系统状态的频繁切换状态. (4过温保护(Over Temperature Protection过温保护在白光LED驱动芯片的设计中比较重要,尤其是大功率的LED 发光二极管。过高的温度不仅会使白光的颜色产生偏差,还可能使芯片过热而 损

20、坏。(5模拟调光(Analog Dimming模拟调光是通过改变负载LED上的电流来调整发光的亮度,这种调光方式 虽然会使白光的颜色产生偏差,但是由于实现比较简单,而且可以与PWM调 光或者数字调光共同作用,扩大调光范围,因而应用比较广泛。(6PWM调光(PWM Dimming浙江大学硬士学位论文2.3系统框图及应用图芯片内部系统框图如图2-9所示。主要模块包括:基准电压源,7v低压差电压调整器,3V电压调整器,误 差放大器,振荡器,电流电压转换及斜坡补偿电路,电流比较器,过压保护模 块,过温保护模块,关断模块,软启动模块,逻辑及驱动模块。. 图2-9白光LED驱动芯片内部系统框图图2.10是

21、恒流模式的应用电路图,需要外接电感,电容,功率MOS管, 功率二极管以及电阻。PWMIN引脚输入低频数字信号,可以实现PWM调光。 当PWMIN信号为高时,系统正常工作,负载LED电流为设定值,PWMIN信 号为低时,PWMOUT也为低,切断负载通路,使LED电流为零。由于内部误 差放大器采用OTA结构,需要较大的补偿电容,因而外加补偿电容.软启动的 电容也较大,需要外置。图2.11是恒流/恒压模式的应用电路图,虽然也能通过PWMIN引脚的数 字信号实现PWM调光,但是由于不方便关断负载通路的电流,因而调光范围 不大。通过llim引脚的电压设定负载电流值,接在OV/FB引脚外的分压电阻 比例则

22、设定输出电压值。图2一10采用恒流模式的芯片应用电路图I.28Q-f I fVin. m 、. ;tM 10u|L。辄2k享 RUN Vin_ PWMlN 0WFBlth PWMoUTSS Uim4.7uF 仁Vrcf GATE_1k耋 FBP S日qSE7BN NTVcc2mE一 F】江D GND 一.4.7uF i :0.05n .“车图2.11采用恒流邝§压模式的芯片应用电路图第3章模块电路分析本文所设计的驱动芯片包含11个模块,分别是基准电压源,7v低压差电 压调整器,3V电压调整器,误差放大器,振荡器,电压电流转换及斜坡补偿电 路,电流比较器,逻辑及驱动模块,过压保护模块,

23、过温保护模块,关断模块, 软启动模块。按照它们在系统中的功能,分为三类:供电模块,控制环路模块, 功能模块。3.1供电模块驱动芯片的供电范围是3V-36V,大部分数字电路模块应用7v供电,普通 模拟电路模块应用3V供电,内部还产生有一定驱动能力的1.23V高精度基准 电压。供电模块包括基准电压源,7v低压差电压调整器,3V电压调整器,基准 电压源用来产生不随输入电压和温度变化的电压,电压调整器利用基准电压产 生7V和3V的输出电压。(1带隙基准的结构及电路图由于输入电压变化范围非常大,为了保证基准电压源的精度,提高线性调整 率,采用了两级带隙基准电压电路。如图3.1所示,第一级带隙基准电路由输

24、 入电压供电,它产生1.25V的输出电压,用于关断模式比较器的参考电压,还 输出电流Il,为第二级带隙基准电路供电,11虽然有所变化,但是远远小于输 入电压供电的变化程度,因此,第二级电路输出的1.23V电压有很高的精度。 图3.2和图3-3分别是第一级和第二级带隙基准电路。图3.1基准电压源的结构图 浙江大学硕士学位论文V图3.10电压调整器的基本结构(2LDO特点及电路图图3.1l是LDO的电路图,它的供电电压是Vin,用1.23V的基准电压作 为参考电压,输出7V电压。由于输入电压可低至3V,当输入电压低于8V的 时候,可以把LDO的输出引脚与输入电压引脚相连。LDO的7V输出电压主要用

25、来为逻辑和驱动电路供电,还为3V的电压调 整器供电,以保证3V输出电压的准确性。当电压被用来为驱动电路供电的时 候,负载调整率和电流驱动能力的要求会比较高,因为驱动电路消耗的电流非 常大,而且电流的瞬态变化也很快,所以调整管采用功率MOS管,能够提供 足够大的电流,避免负载过重而导致的输出电压下降。另外,把数字电路的供 电和模拟电路的供电分开来,防止数字电路的噪声通过电源恶化模拟电路的性 能。本文LDO的结构与传统LDO类似,但是由于输入电压变化范围很大,因 而增加了一些钳位电路,同时对误差放大器也进行了精心的设计。达到了比较 理想的效果。浙江大学硕士学位论文图3.1l本设计中LDO的电路图(

26、3仿真结果图3.12,3.13,3.14分别是频率响应,负载调整率和输入电压调整率的曲 线。图3.12开环频率响应i晰-图3.14电源PsR(1电压调整器的原理及电路图如图3.15的电压调整器输入电压由LDO提供,大小为7v,利用1.23V的 带隙基准电压作参考电压,输出3V稳定电压。由于它只为模拟电路供电,因 而输出电流不大,并且变化范围也较小,所以只要用较大的普通MOS管做调 整管就可以实现了。图3.15的电路模块由偏置电路,普通差分运放,调整管和分压电阻组成。在频率响应方面,它的主要极点产生在差分运放的输出,由于调整管的输出还 有一个较远的极点,因而用电阻与电容串联产生零点进行补偿。IN

27、TVcc-图3.153V电压调整器的电路图C(2仿真结果图3.16,3.17,3.18分别是输入电压调整率,负载调整率,环路频率响应的仿 真曲线。根据曲线得到输入电压调整率为O.39%V/V,负载调整率为 O.33%V/mA,反馈环路增益为70dB,相位裕度50度。此电压调整管有很好的 静态和动态特性。*hsm!m:三1./ l /pi /”l/”铲1扩气广磊f嚆苜图3.163V电压调整器的输入电压调整率图3.173V电压调整器的负载调整率一、.?. 图3.183V电压调整器的环路频率响应3.2控制环路模块控制环路模块包括误差放大器,振荡器,电流比较器,逻辑及驱动模块, 电压电流转换及斜坡补偿

28、电路。由于系统有两种工作模式,他们对误差放大器提出了不同的要求,并且在 恒流,恒压模式下,误差放大器要解决高共模输入电压等许多问题,因而误差放 大器的设计是关键。(1误差放大器的结构及原理误差放大器是负反馈系统中重要环节之一,它的增益以及频率响应对系统错謦 撼懈馐螺*噶嘶 ;v 4_ la3Rl=Mk (3-21 如第2.3节所述,稳定时运放l的输出电压近似等于参考电压Vref,这是 由负反馈环路和运放2的较大增益实现的。流过R的电流为Voor/R,对于输出 节点有等式:聃(,一警=警 (s-22 由等式(13,(14得:。:va/j*,品拦鱼一,届 (3.23 凫 R式(15右边后两项是定值

29、,调整Vadj就可以调节检测电阻上的电压,也即调 整了电流。图3.22第一级的高共模输入误差放大器综上所述,误差放大器EAl的功能已经基本实现了,整体电路图和三输入 运放的实现如图3.23所示。图3-23高共模误差放大器EAl(3运放队O及比较器运放EA0是以PNP为输入管的普通OTA,具体电路图如图3-24所示,Control 引脚用来开通或者关断此放大器。比较器如图3-25所示,其中FBP引脚经过 Vbe压降以后与带隙基准电压1.23V作比较,因而模式切换的阈值在1.9V左右。 VCC图3-24低共模输入的误差放大器EA0浙江大学硕士学位论文VCCP图3.25模式选择比较器(4完整电路图及仿真结果表格2和表格3分别为EAI和EA0的参数仿真结果,由于EAl有两级运 放,并且为了保证其有较高的共模抑制比,所以有较高的增益,在误差放大器 的输出接电容进行环路补偿的时候,