（微电子学与固体电子学专业论文）电流控制模式pwm白光led驱动电路的研究与设计.pdf

电流控制模式p w m 白光l e d 驱动电路的研究与设计 摘要 白光l e d 是节能、环保、高效、长寿命的国际公认的下一代照明光源。随 着白光l e d 技术的成熟，它正逐步被广泛应用到各个领域。与传统光源不同， 白光l e d 需要专用驱动芯片才能使其高效持续地工作。本论文设计了一款白光 l e d 驱动芯片，主要针对背光用白光l e d 的驱动和用于白光l e d 照明的升压 型d c d c 转换器。 文中首先阐述了p w m 控制的电源系统的工作原理，重点分析了b o o s t 电 流模式系统的工作原理。其次，对d c d c 变换器的建模与仿真进行了研究， 在对现有建模方法总结与分类的基础上，分析了各自的优缺点，通过实例证明 建模的必要性。然后，对控制器内部芯片的各个子模块如：误差放大电器、电 压基准源、l d o 、振荡器、比较器和驱动电路等进行了具体的设计和仿真，并 根据电路要求，对子模块的原理介绍和具体电路设计都做了非常详细的说明和 分析，通过子模块的仿真对电路具体参数做出选择。 在电路设计中，突出了电流控制模式开关电源的特点，对比分析电流控制 与电压控制两种模式的优缺点，并根据设计要求进行电路的总体结构设计，最 后给出版图设计。本文应用e d a 软件h s p i c e 对各个子电路模块和整体电路分 别进行了功能仿真，各项参数均达到或优于预定要求。 关键词：单片开关电源，s p i c e 模型，电流控制模式，脉冲宽度调制，斜率补偿 r e s e a r c ha n dd e s i g no fp w mw h i t el e d d r i v e rc i r c u i t i nc u r r e n t m o d e a b s t r a c t w h i t el e dh a sb e e nr e g a r d e da st h en e x tg e n e r a t i o no fl i g h ts o u r c eb e c a u s eo f i t sp o w e rs a v i n g ，h i g he f f i c i e n c y ，l o n gl i f e ，l o wp o l l u t i o na n dl o wr a d i o a c t i v i t y w i t ht h em a t u r i n go fw h i t el e dt e c h n o l o g y ，i ti sg r a d u a l l yb e i n ga p p l i e di nm a n y f i e l d s s oad e d i c a t e dd r i v e ri ci sb e e nn e e d e df o rt h ew h i t el e dt om a i n t a i ni t s e f f i c i e n ta n dc o n t i n u o u s l yw o r k w h i t el e dd r i v e r sc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e di n t h i sm a s t e r st h e s i s i tc o u l db e e nu s e di nt h ef i e l do fb a c k l i g h td e v i c ea n dab o o s t o fd c - d cc o n v e r t e ra i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o no fc o m m o nl i g h ts o u r c e f i r s t ，t h et h e o r yo fs w i t c hp o w e rt y p eo fp w mc o n t r o l l i n gi sd e s c r i b e d b o o s t c o n v e r t e ro fc u r r e n t m o d eh a sb e e nd i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y s e c o n d ，m o d e l sa n d s i m u l a t i o no fd c d cc o n v e r t e r sh a sb e e nr e s e a r c h e d b a s do nt h es u m m a r i z ea n d c l a s s i f yo ft h ee x i s t i n gm o d e l i n gm e t h o d s ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e s u m m a r i z e d t h en e c e s s i t yo fm o d e l i n gh a sb e e np r o v e db ya ne x a m p l e f i n a l l y ， t h es u b c i r c u i t so ft h ec o n t r o l l e r ，s u c ha se r r o ra m p l i f i e r ，b a n d g a pr e f e r e n c e ，l d o ， o s c i l l a t o r ，p w mc o m p a r a t o r ，d r i v ec i r c u i ta n ds oo n ，h a sb e e nd e s i g n e da n d s i m u l a t i o n a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ec i r c u i tr e q u i r e m e n t s ，i n t r o d u c t i o no f s u b m o d u l e st h e o r ya n dt h es p e c i f i cc i r c u i td e s i g nh a sd o n eav e r yd e t a i l e d d e s c r i p t i o na n da n a l y s i s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fs u b m o d u l e ，t h e c h o i c eo f s p e c i f i cp a r a m e t e r so ft h ec i r c u i th a sb e e nm a d e i nc i r c u i t d e s i g n ，h i g h l i g h t st h ec u r r e n tc o n t r o lm o d eo fp o w e rs w i t c h c h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nc u r r e n t - m o d ea n dv o l t a g e m o d e ， w ec a nc o m p r e h e n dt h em e r i t sa n dd r a w b a c k so ft h e s et w ot o p o l o g i e s a c c o r d i n g w i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ec i r c u i td e s i g n ，o v e r a l ls t r u c t u r ea n dt h el a y o u to ft h e c i r c u i t sh a sb e e nd e s i g n e d s u b c i r c u i t sa n dt h ew h o l ec h i pc i r c u i t si nt o pl e v e lw e r e s i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l yu s i n ge d at o o l sh s p i c e a l lp a r a m e t e r sw e r er e a c h e do r e x c e e d e dp r e d e t e r m i n e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：m o n o l i t h i cs w i t c h i n gr e g u l a t o r ， p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ， s p i c em o d e l ，c u r r e n t m o d ec o n t r o l ， s l o p ec o m p e n s a t i o n 插图清单 图2 1b u c k 型开关电源变换器的拓扑图6 图2 2b u c k b o o s t 型开关电源变换器拓扑图8 图2 3c u k 型开关电源变换器拓扑图8 图2 4电压控制模式的开关电源原理拓扑图1 0 图2 5电流控制模式开关电源原理拓扑图1 0 图2 6开关电源电路结构图1 2 图2 7典型应用电路1 2 图3 1b o o s t 型开关电源变换器1 4 图3 2b o o s t 型开关电源变换器的工作状态分解1 4 图3 3b o o s t 型开关电源变换器1 5 图3 4 考虑寄生参数以后的b o o s t 型开关电源变换器的等效电路15 图3 5 考虑寄生参数以后的b o o s t 开关电源变换器电流波形( c c m ) 1 6 图3 - 6c c m 下非理想情况下b o o s t 开关电源变换器的大信号平均模型1 7 图3 7c c m 下b o o s t 开关电源变换器的d c 模型1 8 图3 8c c m 下b o o s t 开关电源开关变换器的小信号等效模型1 9 图3 - 9b o o s t 型电源开关变换器的传递函数的波特图( 点状线对应情况、虚线对 应只考虑寄生参数、实线对应既考虑寄生参数也考虑电流纹波，( b ) 中的 离散点为对实际开关变换器的硬件测试点) 2 1 图4 1带隙电压基准源的基本原理图一2 2 图4 2带隙基准源电路图一2 5 图4 3基准电压随温度的变化2 6 图4 4带隙基准源的电源抑制比2 7 图4 5基准电压电压调整率2 7 图4 。6电压带隙基准源的瞬态输出响应一2 8 图4 7低压差线性稳压器的基本原理图2 8 图4 8低压差线性稳压器的电路结构2 9 图4 9低压差线性稳压器的线性调整率仿真结果2 9 图4 1 0低压差线性调整器的负载调整率一3 0 图4 1 1 ( a ) 占空比小于5 0 ：( b ) 占空比大于5 0 31 图4 1 2 斜坡补偿原理示意图。3 1 图4 1 3斜率补偿电路的仿真结果3 2 图4 1 4r c 振荡器的结构原理框架图3 3 图4 15振荡器电路3 3 图4 1 6振荡器仿真波形3 3 图4 1 7p w m 比较器电路3 4 图4 1 8p w m 比较器增益图一3 4 图4 1 9 比较器延时仿真结果3 5 图4 2 0 比较器上升下降时间仿真_ 3 5 图4 2 1 过温保护的实际电路图3 6 图4 2 2 过温保护模块的仿真结果3 6 图4 2 3 典型e s d 测试模型：( a ) 2 k v 人体模型；( b ) 2 0 0 v 机器模型3 7 图4 2 4本次设计的输入和输出的e s d 保护3 8 图4 2 5b u f f e r 电路3 8 4 总体电路仿真图3 9 总体电路内部结构一4 0 输出电压与时间的关系4 0 l e d 输出电压与电源电压的关系4 0 电压反馈和电流反馈4 1 电感与功率管漏端的电流4 1 带隙基准和比较器4 5 振荡器的版图4 5 p o w e rc l a m p 的版图j 4 5 芯片版图结构4 5 l 2 3 4 5 6 l 2 3 4孓弘孓孓弘孓昏乱函n 图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒g 垦些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的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谢意。 学位论文作者签字：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目里工些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名： 签字目期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在本论文完成之际，衷心向我尊敬的导师解光军教授致以最真挚的感谢 和敬意! 感谢解老师在学习和工作中对我的谆谆教导，对我生活的体贴和关心。 解老师严谨的治学态度、渊博的学术知识、平易近人的作风给我留下了深刻的 印象，让我终身受益。 感谢龙迅半导体( 合肥) 有限公司的陈峰先生、夏先衡工程师、富家喜工 程师和杨依忠老师，以及在武汉帮助过我的谭亚伟，李飞。感谢你们在我工作 和学习成长的过程中热心的帮助过我，在此致以最衷心的谓 意! 感谢我的师兄师姐张晓明，张昌璇，程心以及我的同学魏胜涛，周媛媛， 段文勇，吴天吴，彭斐，果鹏。感谢九楼实验室的兄弟姐妹，感谢你们给我提 供过任何方式的帮助。 感谢我的父母，感谢我的姐姐哥哥，感谢你们让我的人生充满了阳光。 最后感谢所有关心和帮助过我的师长、亲人、同学和朋友! 作者：沈勇 2 0 10 年1 月3 01 7 第一章大功率白光l e d 驱动电路发展概况 1 1 白光l e d 的产生方式 白光l e d 由于自身的原因，所以白光l e d 不可能发出有连续光谱的白光， 而且单独的一个白光l e d 也不可能会发出两种的高亮度的不同的单色光。虽然 白光l e d 只能产生一种颜色的单色光，但是我们可以将白光l e d 所产生的单 色光照射到荧光物质间接的产生白光。因为荧光物质可以产生宽带光谱合成白 光。现在，对于通过荧光粉来发出白光l e d ，可是通过改变荧光粉的化学组成 成分或者改变荧光的粉层的浓度，通过这样的方法我们可以得到各种白光，通 过这种手段可以让不同场合都可以使用白光l e d 。除了这种获得白光l e d 的 方法以外，还可以把不同色光的几l e d 芯片封装在一起的方法，我们把这些色 光混合以后就可以构成发白光的l e d 1 1 。 1 2 白光l e d 特性概述 白光l e d 是一种新型的照明光源，与传统的照明光源相比，白光l e d 具 有众多的优点，这些优点我们将通过如下几个方面分别进行阐述和说明： 1 ) 使用的寿命长 白光l e d 的使用的寿命非常长，最长的白光l e d 发光时间可以长达十万 小时以上。从这个角度来看，传统的光源在这方面是无法与白光l e d 相比拟的。 比如说一个普通的白炽灯的寿命大概也只有一千个小时。因此，在一些维护困 难的场合，或者说如果维护将要花费大量人力物力的时候，这时候使用l e d 作 为照明光源是一个非常经济的做法，可以极大地降低人工的费用和使用费用。 2 ) 发光体接近点光源 白光l e d 的发光体非常小，可以近似的看成是一个点发出的光源。所以在 进行灯具设计的时候基本上都可以把它看作是一个点光源，这样可以简化灯具 的设计。 3 ) 节能 白光l e d 照明非常之节能。虽然l e d 的发光效率不是非常的高，但是他 发出来的光谱几乎全部都集中于可见光区域，所以效率比较高。据估计以后大 功率l e d 照明的耗电量可以仅为相同亮度白炽灯的lo 2 0 。这样可以极大 的减少能耗，这也与当前社会所提倡的节能环保相一致。这对白光l e d 的推广 是一个非常好的契机。 4 ) l e d 的启动时间短 l e d 的响应时间非常短，通常只有几十个纳秒，在这方面传统的照明方式 也是无法与之相媲美的。所以可以将l e d 用在一些需要快速响应地方。 5 ) 安全环保 l e d 为全部是固态发光体，发热量低。所以不会有热辐射。是冷光源也不 会产生什么有对健康造成危害的物质，并且可以回收没有污染。 6 ) 结构牢固 l e d 的封装是采用环氧封装的，而其是一种固体实心结构的光源。所以能 够经受得住剧烈震动等突发事情而不致引起l e d 的损坏，所以l e d 可以用在 一些使用条件非常差甚至是恶劣的场合。而其他传统光源不具备这样的特性。 l e d 在作为照明光源具有相当大的优势，但是，白光l e d 在照明中普及 的过程中还需要解决一些非常关键性的技术问题，这些关键性的技术问题主要 包括光提取效率低、散热问题以及价格偏高的问题。只有解决了这些问题，l e d 才能真正意义上的实现推广。 1 3 大功率l e d 的国内外发展概况及其应用 我国的i c 行业起步相对比较晚，同样我国在高亮度l e d 这一领域相对于 西方发达国家来说起步也比较晚，从上世纪末开始，在国家8 6 3 计划和自然科 学基金的支持下，一些研究所和大学开始在相关领域进行了探索和研究。但是 由于大功率l e d 所涉及到的不仅仅是一个行业，它设计到整个国家的很多行业 的发展水平。也是对综合国力的一个考验。由于目前我国在在材料质量、器件 指标等方面与国际发达国家的先进水平还有很大差距，我们必须要正视这一差 距。特别是在半导体照明的一些关键性产业技术上我们还未能独立的攻克难关。 对那些l e d 产品中那些技术壁垒最高的上中游产品的生产与制造，虽然不少厂 家都发现了这一商机，但是由于一系列的限制因素，比如说技术的缺乏，资金 的不足，产业化工艺的落后。这些都直接导致了我国国内真j 下能实现规模化生 产半导体l e d 照明的企业实在是寥寥无几。 虽然国内半导体l e d 照明发展举步维艰，但在国外，l e d 照明产业竞争 已近如火如荼。各国的焦点都集中在大功率高亮度白光l e d 这一领域。各国政 府均大力度来扶持白光l e d 的发展，比如说欧盟的“彩虹计划”、美国的“下 一代照明计划”、日本的“2 l 世纪的照明计划”。美、日、欧盟等发达国家皆由 政府成立专项积极推行白光l e d 照明的发展。可见各国政府对白光l e d 照明 的重视可看好。 大功率l e d 的应用范围非常之广泛。他可以应用到很多地方，可以用在各 种信号显示和照明光源领域中也可以用在汽车外灯和各种交通信号灯：也可以 运用到交通领域中，包括城市交通照明、机场、海港灯塔、安全警示灯等等很 多场所。他还可以取代传统的白炽灯用于飞机和汽车内的阅读灯。超高亮度功 率型l e d 所具有因为具有体较小，质量轻，寿命长，所以也可以用于各种便携 设备中。通过绿、红、蓝三基色的l e d ，可制成比传统白炽灯光源多得多的数 字式调色调光光源，在计算机控制下还可以得到极其丰富多彩的发光效果。超 高亮度功率型l e d 在军事上还可以为野战、潜水、航天航空提供特种固体光 源【1 1 。 1 4 开关电源的发展与分类 随着电子技术与信息产业的飞速发展，电子设备种类不断增加，客观上要求 可靠的电源不断发展。电子设备体积越来越小，质量也越来越轻，这些都要求 开关电源要向着体积越来越小、质量越来越轻、成本越来越低、效率也越来越 高的方向发展。已往的晶体管稳压电源的稳压技术已近很成熟了，也具有一些 很好的优点，比如说具有良好的稳定性能、输出的电压纹波也很小、可靠性很 高的优点，但是随着对电源的要求的越来越高，传统的电源己近不能被满足了。 传统的晶体管串联调整稳压电源需要体积很庞大且笨重的工作变频器，同时传 统的晶体管串联调整稳压电源还需要重量很大的滤波器。这些都是传统的晶体 管串联调整稳压电源的固有缺点。另一方面来说，由于调整管上面消耗的功率 很大，所以需要在用到大功率调整管的时候都会伴随着使用体积庞大的散热器。 这些一系列的缺点导致了传统的晶体管串联调整稳压电源很难满足现代电子设 备快速发展的要求。在近半个多世纪的电源发展过程中，开关电源因为其自身 所具有的一系列优点而慢慢的取代了传统技术制造的连续工作模式下的电源， 并且被广泛的应用于各种各样的电子设备中。上个世纪8 0 年代，由于计算机的 飞速发展，完成了开关电源化，率先实现了计算机的电源的更新换代。上个世 纪9 0 年代，开关电源进入了飞速发展的时期，也就是在这一时期开关电源在电 子设备和家庭使用的一些民用设备等领域得到了非常广泛的使用。开关型稳压 电源采用功率管作为开关，通过控制开关的导通和关断的占空比来调整输出电 压。随着开关电源的功耗的降低，散热器的大小也随之减小。 在最近二三十年以来，开关集成电源向着两个方向日不断的向前发展着。 第一个方向是把控制电路实现集成化，这也是开关电源的核心单元。第二个方 向则是对中，小功率的开关电源实现单片集成化提高集成度1 2 j 。 开关电源飞速发展的趋势满足来了市场对电源性能不断提高的客观要求， d c d c 型开关电源已近向着效率和功率密度都更高、电压更低电流更大、以及 输入范围更加宽泛的方向向前发展着【3 儿4 1 。随着微处理器工作电压的下降和工 艺的发展，各个模块的电源输出电压已近可以有从前的5 v 降低到现在的2 6 v 甚至更低的1 8 v ，根据预测，在不久的将来电源输出电压还会下降到1v 以下。 但是恰恰相反的是，集成电路的发展对电流驱动能力的要求却向着相反的方向 发展，尽管电源电压在下降，但他要求电源能够提供更大的负载驱动能力。 根据开关电源的不同类型对开关电源进行分类：根据开关电源所实现功能 可以分为a c - d c 型和d c d c 型两个大类【5 】【6 1 。到目前为止，d c d c 开关变换 器已经完全的实现了模块化，并且从设计技术以及生产工艺方面来考虑，无论 是在国内还是在国外都已经很成熟和标准化了，并且已被用户的广泛的所采纳 和认可。但是a c 。d c 因其自身的特性使得在模块化的进程中并没有像d c 。d c 模块化那么迅速和完备，a c d c 在模块化的过程中遇到相对比较复杂的技术问 题和工艺制造的问题，这也导致了a c d c 模块化相对于d c 。d c 模块化速度缓 慢；根据控制模式来对开关电源进行划分，开关电源又可以细分为电流控制模 式和电压控制模式两个大类【7 i 。 1 5 本篇硕士论文所做主要的工作 本论文从系统的角度出发，首先根据客户的具体要求确定设计的系统需要 满足的性能，在此基础之上再确定所需要的子模块的功能及其主要的性能参数 指标，然后根据这些性能指标，设计出各子电路并进行仿真和验证，看其是否 满足系统对子模块的要求。验证其功能是否正确。当所有子电路设计好以后将 所有的子电路搭起来构成系统电路。再对整个系统电路进行功能级的验证和性 能的仿真。当前仿都通过了以后便开始画电路的版图。完成电路的版图设计以 后就可以进行后仿真检查后方结果是否与前仿一致以确定所设计的电路和版图 能够满足设计的要求。本课题是实验室和公司的合作项目。要求设计一种升压 型d c d c 开关电源电压变换器。整体电路的工作频率为1 1m h z ，要求整体电 路能够实现升压的功能；其电源电压的输入范围为3 3 v 5 5 v ，可以同时驱动 6 至8 个白光l e d ；电路要具有软启动的功能，可以减小输出的纹波：电路要 具有过温保护和过流保护功能。 本文所作的主要工作可以按章节划分，具体可以细分为以下几部分： 第一章：学习很研究了开关电源的发展、分类，并给出本次文所做的主要 工作。 。 第二章：深入研究了开关电源电路原理。总结了现有的开关电源电路拓扑 结构，并以电流控制模式开关电源电路为实例给出了理想模型。 第三章：对d c d c 变换器的建模进行了综述和研究。并且通过软件仿真 证明了等效电路平均法的正确性和考虑技术参数的对模型精度的影响。 第四章：子电路模块设计与仿真。对本次设计的电流控制模式的p w m 型 开关变换器中所需要的子电路模块如带隙基准电压源、低压差线性稳压电路、 斜率补偿、振荡器和p w m 比较器等作了较为详细的讨论，并给出了详细的设 计分析和仿真的结果。 第五章：整体电路的仿真。仿真采用c a d e n c e 公司的s p e c t r e 进行电路仿真， 工艺s p i c e 模型为上华0 5l ar n 标准b c d m o s 工艺，并给出总体电路的仿真结 果。 第六章：版图的设计。介绍了版图设计过程中需要注意的地方，版图设计 技巧以及如何设计一个性能优良的版图，最后给出本项目各子电路的版图以及 最终的整体电路的版图。 第七章：总结了本文所做的主要工作以及本次设计的不足之处和对开关电 源芯片的未来设计方向的一个展望。 第二章开关电源电路的原理 从上个世纪7 0 年代开始人们便开始了对开关电源的的研究开发和生产，而 中国相对起步比较晚，到了上世纪8 0 年代初中国才开始对开关电源进行研究工 作【8j 。开关电源的优点非常多，比如它具有体积小、使用的效率高、生产的成 本低等等一系列的优点。事物的优缺点总是如影随形的，开关电源具有众多的 优点的同时也具有电路相对比较复杂、设计起来较为困难、纹波比较大等一些 缺点。但是随着科学技术的发展，也随着便携设备在人们日常生活中使用的地 方越来越多，开关电源技术也在不断的向前发展着。开关电源的性能也有了非 常大的幅度的提高。其中开关电源的控制模式也在不断向前发展着，从最早的 电压控制模式发展到现在的电流控制模式，这些技术的进步都使得开关电源在 性能和设计上都有了非常明显的巨大的进步1 9 】。 2 1 开关电源的常见的几种电路结构 开关电源变换器按照主要回路的拓扑结构可以具体的分为四种拓扑结构： b u c k 降压型开关电源变换器、b o o s t 升压型开关电源变换器、b u c k b o o s t 型开 关电源变换器和c u k 型开关电源变换器【7 】 2 1 1b u c k 降压型开关电源变换器 b u c k 型开关电源变换器通常被称为降压型开关电源变换器，如图2 1 所示。 b u c k 型降压开关电源变换器的具体的工作过程如下：当开关s 闭合以后，电源 v i n 除向负载供电以外，还有一部分能量储存于电感l 和电容c 中，这个时候 二极管是截止的。当开关s 被断开的时候，电感l 上所产生极性为左边为负极 右边为正级的反电动势，这使的二极管导通了，这时候电感l 中的电能传送给 负载，以达到维持输出电压不变的目的。 叫o a e c t 丢 bv i a r j i 图2 1b u c k 型开关电源变换器的拓扑图 b u c k 型丌关电源变换器的主要参数为： 开关变换器的占空比： d ： 堡t 竖 v i n v d s 【o + y d 输出电压： t 孚三d 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 电感大小的选择： l ：v o ( v , n - v o ) ( 2 3 ) ii y l n t o s c 输出滤波电容： c ：( 堕二竖! 竖! ( 2 4 ) 、。 效率： 卵：生； 丝竖 ( 2 5 ) i p i n i l n q o n 、) 耀七w d s l o n + v 乒o f f 、) i o 经 、j 式中f o s c 为开关的频率( h z ) ；a i l 为电感输出的文波电流，可取为最小输出 电流的2 倍；a v o 为输出电压峰峰值；t 为开关的周期，即t o n + t o f ；v d 为二极管正向导通时候的压降；v d s ( o n ) 为m o s f e t 饱和导通时候的压降： d 为开关管导通时间与控制信号周期的比值，称之为控制信号的占空比。 2 1 2b o o s t 型开关电源变换器 b o o s t 型开关电源变换器也称升压刑变换器，如图2 2 所示。b o o s t 升压型开 关电源变换器的具体的工作过程如下：当开关s 闭合的时候，电感l 上面有电 流流过，所以电能被储存到电感上储存为磁能，这时候二极管是截止的。然后 当开关s 断开以后，电感l 上所产生的电动势的极性为右边为负极性而左边为 正极性，这使得二极管导通，电感l 上储存的能量经过二极管向负载供电。 图2 2b o o s t 型开关电源变换器的拓扑图 b o o s t 型开关电源变换器的主要参数为： b o o s t 型开关电源变换器的占空比： d ：堡竖二鱼 一( 洲1 + 输出的电压： 毒= 尚 电感参数： ，一v , n ( v o 一) i o t o 汇 输出的滤波电容： c ：! 幺= 丝2 竖! 平均的电感电流： 7 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) t 2 若臻 电感电流的最大值： k = t + 等= 蒜+ 警 电感电流的最小值： k 吐一等= 志一警 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 1 3 b u c k b o o s t 型开关电源变换器 b u c k b o o s t 型开关电源变换器如图2 2 所示。b u c k b o o s t 型开关电源变换 器的具体工作过程如下：当开关s 导通的时候，有电流流过电感l ，所以电感 l 储存能量，将电能以磁能的形式存储在电感中。当开关s 闭合的时候，电感 上的电流有减小趋势，此时电感上的电动势的极性为上极极性为负而下极极性 为正，这时候二极管是导通的，负载上有了输出的电压，并且能量通过电容c 充电进行了储能。 图2 2b u c k b o o s t 型开关电源变换器拓扑图 2 1 4c u k 型开关电源变换器 图2 3 所示的是c u k 型开关电源变换器的电路结构。c u k 型开关电源变换 器的具体工作过程如下：当开关s 关闭合的时候，输入的电流流过电感l l ，这 就使得电感l l 储存电能，将电能以磁能的形式存储在电感中。电容c 1 的放电 电流使得电感l 2 储存能量，并供电给负载，开关流过输入、输出电流之和。 当开关s 关断的时候，电源输入和电感l l 的释能电流f l 向电容c l 充电，同时 电感l 2 的释能电流j 2 以维持负载上的电压稳定。流过二极管电流为输入电流和 输出电流的和。 图2 3c u k 型开关电源变换器拓扑图 2 2 开关电源的控制模式研究 在开关电源中，控制电路的主要功能是为开关管提供时间或( 和) 比率可调 的驱动脉冲，从而达到稳定输出电压的目的。目前按开关电源的控制模式可以 分为四种：脉冲宽度调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 、脉冲频率调制 ( p u l s e - f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) 、调宽调频( p w m p f m ) * i 跨周期调带l j ( p u l s e s k i pm o d u l a t i o n ，p s m ) 。 2 3p w m 开关电源控制模式的分类 p w m 型开关电源按控制模式从控制的方式的角度来细分的话又可以向下 继续细分。p w m 型开关电源按控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模 【加1 。下面分别对电压控制模式和电流控制模式进行详细的介绍和对比，以此来 比较两者的优缺点。 2 3 1电压控制模式型的p w m 开关电源 图2 4 是一个电压控制模式型的p w m 开关电源的结构框图。电压控制模 式型的p w m 开关电源的基本原理是：首先是通过等比例电阻对输出电压进行 等比例的采样，采样所得到的电压与事先设定好的参考电压v r e f 相互比较，两 者之间的差值电压被误差放大器进行放大以后输出到p w m 比较器的输入端。 这个被放大的差值信号也就是误差信号v e 与锯齿波信号同时被加到了p w m 比较器的输入端，p w m 比较器对两者进行比较并输出一系列脉冲控制信号， 这些脉冲信号的宽度是随着误差信号v e 的变化而发生改变，而差值信号v e 又 是随着输出电压的变化而变化的。所以说这些脉冲控制信号是随输出电压的变 化而变化的，而输出电压的大小反过来又是由这些脉冲的宽度所决定的。在负 载消耗能量增大的时后，脉冲宽度就会增大，这样就可以提供更多的能量给负 载。而当负载消耗的量能减小的时后，这时候脉冲的宽度就会相应的变窄了， 这样就可以保持输出电压的始终保持稳定。这种电压控制形式的开关电源只需 要一个反馈信号，用于实现整个电路的负反馈而维持系统的稳定。从整个工作 的过程可以看出电压控制模式的p w m 开关电源是一个单环控制系统。因此只 有一个反馈环路。同时电压控制系统是二阶系统，是在一定条件下的稳定系统。 并且反应速度相对会比较慢，稳定性也不太好。 9 图2 4 电压控制模式的开关电源原理拓扑图 2 3 2电流控制模式的p w m 开关电源 因为电压控制模式的p w m 开关电源具有一系列的缺点，人们便不断的需 找新的控制方式的开关电源。通过最近几十年的发展。电流控制模式的p w m 开关电源的技术越来越成熟。电流控制模式的p w m 开关电源的技术是在传统 的电压控制模式的p w m 开关电源的基础上增加了一个电流反馈环路，把电路 从一个单环控制系统变为了一个双环控制系统；把一个二阶控制系统转换为一 个一阶控制系统。提高了整个系统环路的稳定性。图2 5 所表示的是电流模式 控制的p w m 型开关电源的原理图。电流控制模式的p w m 开关电源的具体工 作过程如下：首先是通过等比例电阻对输出电压进行等比例的采样，采样所得 到的电压与事先设定好的参考电压v r e f 相互比较，两者之间的差值电压被误差 放大器进行放大以后输出到p w m 比较器的输入端。另一方面电路同时对功率 开关管上的电流进行采样，并将这个电流信号转化为电压信号输送到p w m 比 较器的输入端。这也是电流控制模式和电压控制模式相比较的最大的区别的地 方。因为p w m 比较器的输入端并没有接锯齿波信号。运算放大器放大的差值 信号也就是误差信号v e 与电流检测电路所转化的电压信号同时被加到了p w m 比较器的输入端，p w m 对两者进行比较并输出一系列脉冲控制信号，这些脉 冲信号的宽度是随着误差信号v e 的变化而发生改变，这些脉冲控制信号与振 荡器产生的信号共同控制着逻辑模块。进而实现对功率开关管的控制。最终实 现整个环路的稳定。 v r v v 图2 - 5 电流控制模式开关电源原理拓扑图 通过上面的分析我们可以发现，电流控制模式的p w m 开关电源比电压控 制模式的开关电源具有有众多的优点： 1 ) 输出电压对输入电压变化响应非常快，而且抗干扰性能也很强。 2 ) 因为是一个一个脉冲进行控制的，控制的机理相对来说比较简化易于 l o 理解，控制环路也很容易设计。 3 ) 电流控制模式的p w m 型开关电源的回路稳定性很好、负载反应速度也 很快。 电流控制模式的缺点： ( 1 ) 当占空比大于5 0 时系统可能会出现不稳定的情况，会产生次谐波振 荡； ( 2 ) 对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能的情况，开关器件 电流信号的上升坡度通常较小，电流信号上的较小噪声就很容易使得控制产生 错误的操作，改变关断时间，使系统进入次谐波振荡： ( 3 ) 峰值电流控制模式与平均电流控制模式存在一定的误差。但由于电感 电流的纹波幅值与其平均值相比较要小得多，因而这一问题带来的影响并不是 很明显。 通过对电流控制模式和电压控制模式的相比较，本次芯片的设计最终采用 电流型p w m 工作方式，因为具有快速负载响应调节能力，可实现电流逐周期 比较，回路的稳定性好，具有较好的电压调整率。 2 4 开关电源的工作模式 2 4 1 开关电源的具体设计要求 电路设计的基本步骤是：首先客户提出具体的设计要求，然后设计人员根 据客户的要求将设计的目标系统划分为若干个子电路模块并对系统建模。然后 依次对子模块进行建模和具体电路的设计，最后对将子电路连接起来进行系统 级的仿真和验证。本课题来源于何公司的合作项目。根据公司给出的具体设计 要求，对此次设计的开关电源具有如下要求： 1 ) 整体电路的工作频率为1 1 m h z ， 2 ) 整体电路能够实现升压的功能；其电源电压的输入范围为2 7 v 5 5 v ， 可以同时驱动6 至8 个白光l e d ； 3 ) 电路要具有软启动的功能，可以减小输出的纹波； 4 ) 电路要具有过温保护和过流保护功能。 2 4 2 开关电源结构 图2 7 为电流控制性的p w m 开关电源电路的整体结构框图【1 ”，可以将其 分为若干个子模块如：b a n d g a pr e f e r e n c e ，l d o ，o s c ，o t a ，s l o p ec o m p e n s a t i o n ， c u r r e n ts e n s e ，p w m c o m p , l o g i c ，g a t e d r i v e r ，s h u t d o w n 等电路模块，整体电 路框图如图2 - 6 所示。 c o m p o v p v i n s w 2 4 3 开关电源工作原理 g n o 图2 - 6 开关电源电路结构图 图2 7 典型应用电路 图2 - 7 是典型的电流控制模式的升压式开关电源结构，其工作过程如下： 当v i n 接通电源以后因为电源负载了一个比较大电容，芯片内部的v i n 和e n a 电位缓慢的上升，软启动的过程就这样实现了，当电位达到芯片内部各模块工 作电压的要求以后，芯片开始进入正常的工作状态。 2 4 4 开关电源理想模型( i d e a lm o d e l ) 理想模型就是忽略次要因素后建立起来的，能够反映所研究对象的本质特 征的电路模型。理想模型不可能包括实际电路的所有特征，他忽略了次要特征 只抓住了它的主要特征。建立好理想模型以后，在理想模型的基础基础上进一 步考虑一下被忽略的次要因素，慢慢的模型的精度就会不断的提高，并最终与 实际开关模型很接近。这个模型的描述精度也就越来越高了。 1 2 第三章i ) c i ) c 变换器的建模与仿真 3 1 d c d e 变换器的建模与研究 从系统的角度来研究d c - d c 变换器的意义和作用是十分明显的。这对d c d c 变 换器控制电路芯片的设计具有非常重要的指导意义。d c d c 电源开关变换器建模有 两个最基本的要求：首先要求系统必须是要稳定的，否则无法建模：其次系统应该具 有比较好的精度时候的稳态和动态时候的品质。稳定是控制系统正常工作的一个非常 最重要的前提。如果我们想对开关变换器系统进行简单而又快捷方便的分析就必须对 开关电源变换器进行建模。但是开关电源不是一个线性的时不变系统，它是是一非线 性与线性相互结合的一个非常复杂的系统，分析起来一点也不简单，甚至很复杂，这 也是人们一直关注它的一个重要原因，所以这也是现在人们热衷于研究开关电源的 个重要原因。开关电源是研究的热门课题之一。 总的来说，d c - d c 变换器的建模可与划分为两个大类，一类是数字仿真法，数 字仿真法是一种重要的仿真方法，但是物理概念不清晰，对电路设计的指导意义很 般。数字仿真法具体向下划分又可分为直接数字仿真法和间接数字仿真法。直接数