（微电子学与固体电子学专业论文）脉宽调制型白光led驱动芯片的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 在能源和环境问题日趋严重的今天，以高效、节能、环保以及长寿命为主要 特点的大功率照明白光l e d 获得了人们的重视。随着其性能的提高以及生产成本 的下降，大功率照明白光l e d 将逐步取代白炽灯和荧光灯，引发人类照明史上又 一次革命。与此同时，大功率照明白光l e d 驱动集成电路的开发也由于功率l e d 应用的逐渐普及得到了长足的发展。 本文主要研究脉宽调制型3 w 照明白光l e d 驱动集成电路的设计，该 电路采用脉冲电流来驱动两个串联的大功率白光l e d ，通过反馈电路自动调节脉 冲电流的占空比，从而使l e d 上的平均电流维持恒定。整个电路主要由锯齿波发 生器、基准源、误差放大器、比较器、滤波器、同相放大器以及输出级功率m o s 暂组成。此外，在上华5 vc m o s 工艺基础上进行输出级功率m o s 管设计时，研究了 用n 阱做漏级漂移区来提高m o s 管击穿电压的e d m o s 结构，模拟结果表明，该结构 耐压在1 6 v 左右，适合驱动两个串联大功率l e d 的应用要求。 该芯片采用上华5 vo 6 岬标准c m o s 工艺制造。设计目的是为白光l e d 提供 3 5 0 i r i a 的平均驱动电流。要求当电源电压变化l o 时，大功率照明白光l e d 上平均 电流变化量不超过5 ；当环境温度由0 变化到8 0 时，平均电流变化量不超过 5 ：整个控制电路的电源效率超过8 0 。 本文共分四章，第一章介绍了大功率照明白光l e d 的特性以及其驱动电集成 路的发展；第二章详细分析了脉宽调制型白光l e d 驱动芯片的电路设计过程；第 三章主要介绍了整个芯片版图的设计过程以及输出级功率m o s 管的结构设计；第 四章着重于芯片的测试，并对部分测试结果做了具体的分析。 关键字：半导体照明：脉宽调制：恒流驱动：功率m o s 管 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h ep r o b l e m so fe n e r g ys o u r c e sa n de n v i r o n m e n tb e c o m em o r e a n dm o r es e r i o u s ， s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gh a sw o np e o p l e sa t t e n t i o nf o r i t su n i q u ea t t r i b u t e so fl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， 1 0 wp 0 1 1 u t i o n ，l o n gl i f e a n dh i g he f f i c i e n e y a st h eq u a li t yo fp o w e rl e di t 玎p r o v e sa n dt h ee o s t o fp o w e rl e dr e d u c e ，s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gw i l lr e p l a c ei n c a n d e s c e n ta n d f l u o r e s c e n t1 i g h t i n gg r a d u a l l y w i t ht h ed e v e l o p e n to fp o w e rl e dt h e r e s e a r c ho fi t sd r i v i n gi ch a sa l s ob e e ng r e a t l ya c c e l e r a t e d t h em a i nr e s e a r c ho ft h et o p i ci st od e s i g nad r i v i n gi c ，w h i c hd r i v e s 3 wl e db yp u l s ew i d t hi 玎o d u l a t i o n s t h i si cp r o v i d e sap u l s ec u r r e n tf o r t w ol e di ns e r i e s b yf e e d b a c kc i r c u i t st h ed r i v i n gc u r r e n tc a nm o d u l a t e p u l s ew i d t ha u t o m a t i c a l l ya n dk e e p st h ev a l u eo fa v e r a g ec u r r e n tc o n s t a n t t h ed r i v i n gi ci sc o n s i s t e do fab a n d g a pr e f e r e n c e ，as a wt o o t hw a v e g e n e r a t o r ， a ne r r o ra i i l p l i f i e r ，al o w p a s sf i l t e r ，ac o m p a r a t o ra n da n o n c h i pp o w e rm o s f e t b e s i d e s ， an e wp c 州e rm o s f e ts t r u c t u r e ，w h i c hu s e n w e l la si t sd r a i nd r i f tr e g i o n ，c a 王l e de x t e n d e dd r a i nn m o s f e t ，i s s u g g e s t e dt oi m p r o v en m o sb r e a k d o w nv o l t a g e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h 0 w t h a tt h eb r e a k d o w nv 0 1 t a g ei sb o o s t e dt oa b o u t1 6 va n dc a nf i l lt h e r e q u i r e m e n to fd r i v i n gt w op o w e rl e di ns e r i e s t h ec h i pi sf a b r i c a t e di nc s m c5 vo 6 u md o u b l ep o l y ，d o u b l em e t a lc m o s p r o c e s s t h ea v e r a g eo ft h ed r i v i n gc u r t e n ti sd e s i g n e dt o3 5 0 a 冒h e n v 0 1 t a g es u p p l yc h a n g e sb y1 0 ，t h ev a r i a n c eo ft h ea v e r a g ed r i v i n gc u r r e n t c a nb ec o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f5 w h e na m b i e n tt e m p e r a t u r ev 8 r i e s f r o 0 t 。8 0 ，t h ev a r i a n c eo ft b ea v e r a g ed r i v i n gc u r r e n tc a na l s ob e c o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f5 t h ep o w e re f f i c i e n c yo ft h ec h i pi s d e s i g n e dt ol a r g e rt h a n8 0 t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c so fl e da n dd e v e l o d m e n t o fl e dd r i v e r s ：t h es e c o n de h a p t e rc o v e r st h ea n a l y s i so fc i r c u i t sd e s i g n o ft h ed r i v i n gi ca b o v e ：c h a p t e r3i sm a i n l ya b o u tt h el a y o u td e s i g no f n 浙江大学硕士学位论文 t h ec h i p ，i ta l s op r e s e n t st h ed e s i g no fp o w e rm o s f e t ；t h el a s t c h a p t e r e m p h a s i z e so nt h et e s tr e s u l t so ft h ec h i p ，a n ds o m ea n a l y s i sw i l lb eg i v e n a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s k e vw o r d ss e m i c o n d u c t o rli g h t i n g ， c o n s t a n t c u r r e n td r i v i n g ， i i i p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p o w e rm o s f e t 浙江大学硕士学位论文 第一章大功率白光l e d 驱动电路发展概况 1 1 大功率白光l e d 的特性及其发展过程 1 1 1 照明器件的发展历史 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 t i l 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。纵观人类照明史的发展，主要经 历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明三大阶段。最初的火光照明采用燃烧化 学燃料的方法来获得人类所需的光源。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。白炽灯的发明是人类照明史上的一次重 大飞越。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。第三种照明技术是荧光灯照明，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。半导体固体发光器件为 近几年兴起的第四代照明器件，它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。它的发光机理为：当在半导体发光二极管( i 正d ) 的两端加 上正向的电压时，电子和空穴分别注人p 区和n 区，当非平衡少数载流子与多 数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程 包括三个部分：正向偏压下的载流子注人、复合辐射和光能传输。其产生的光子 的能量大约等于所用的半导体材料的禁带宽度。像荧光灯一样，由于半导体发光 二极管的出射光是位于可见光光谱范围内的窄带光，因此要使它变成接近自然光 的白光还需将出射的窄带有色光转化成占满整个可见光光谱的白光。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 白光l e d 的产生方式 半导体p n 结的发光机理决定l e d 不可能产生具有连续光谱的白光，同时单 只l e d 也不可能产生两种以上的高亮度单色光。因此，半导体光源要产生白光 可以先产生蓝光，再借助于荧光物质间接产生宽带光谱，合成白光。现在，对于 使用荧光粉的白光l e d ，通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的浓度， 可以获得色温为3 5 0 0 1 0 0 0 0 k 的各种白光，以满足不同照明场合的要求。除了 采用荧光粉的方法以外，也可采用将几种发出不同色光的芯片封装在一起的方 法，通过这些色光的混合构成发自光的l e d 。表1 1 列出了目前白色l e d 的种 类及其发光原理。 表1 1白色l e d 的种类及其发光原理。 芯片数激发源发光材料发光原理 1 蓝色l e d i n g a n y a g i n g a n 的蓝光与y a g 的黄光混合成自光 1 蓝色l e di n g a n 荧光粉i n g a n 蓝光激发的红、绿、篮三基色荧 光粉发出白光 1 蓝色l e d z n s e 薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出 的黄光混合成白光 l 紫外l e di n g a n 荧光粉i n g 州发出的紫外光激发红、绿、蓝三 基色荧光粉发白光 2 蓝色l 印 i n g a ng a p 将具有补色关系的两种芯片封装在一 黄绿l e d 起，构成自光l e d 3 蓝色l d i n g a n 将发三基色的三种芯片封装在一起， 绿色l e da 1 i n g a p构成白光l e d 红色l e d 3 个以上多种色光i n g a n 将遍布可见光区的多种色光芯片封装 l e da n g a p 在一起构成白光l e d g a p n 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 白光l e d 特性概述 1 1 3 1 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 ) 寿命长 l e d 的使用寿命可以长达十万小时，传统的光源在这方面无法与之相比。一 般来讲，普通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过 一万小时，高压钠灯是属于放电灯中寿命较长的，也仅为二万多小时。因此，在 些维护困难的场合，使用l e d 作为照明光源，可大大降低人工费用。 2 ) 节能 l e d 照明一个突出的优点就是节能。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 一9 0 ，而自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 。 3 ) 结构牢固 l e d 是用环氧封装的半导体发光的固体光源，其结构中不包含玻璃、灯丝等 易损坏的部件，是一种实心的全固体结构，因此能够经受得住震动、冲击而不致 引起损坏，l e d 的这特性使它可以应用在一些使用条件较为苛刻和恶劣的场 合。 4 ) 启动时间短 气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，需要几十秒至几十分的时间。白炽 灯是热辐射光源，启动后也有约零点几秒的上升时间。而l e d 的响应时间只有几 十纳秒，因此在一些需要快速响应或高速运动的场合，应用l e d 作为光源是很有 优势的。 5 ) 发光体接近电光源 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 定的难度。 浙江大学硕士学位论文 6 ) 安全环保 l e d 为全固态发光体，发热量低，无热辐射，是冷光源，不含汞、钠元素等可 能危害健康的物质，废弃物可回收，没有污染。 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6 0 1 m w 左右，大大超过了白炽灯的水平，接近于荧光灯的发 光效率。而且现在l e d 的技术发展很快，有人预计随着关键技术的突破，到2 0 2 0 年左右白光l e d 的光效有可能达到2 0 0 l 州w ，远远超过现在所有照明光源的光 效。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。上述问题的解决，仍需技术上的提升，如生长高质量的外延片、 设计新型的芯片结构、采用倒装焊封装结构、利用表面粗糙技术等等，不断提高 l e d 产品的性价比，使其朝着高效率、低成本的方向发展，为l e d 在照明领域的普 及提供有利条件。 1 1 3 2 l e d 的其它主要特性 作为照明光源，我们关心的大功率l e d 性能指标主要有亮度、光强、色坐标， 色温、显色指数和发光效率等等。下面就其电、光等方面的特性进行相关的介绍。 1 ) l e d 正向i v 特性 图1 1l e d 正向i v 特性 浙江大学硕士学位论文 图1 1 显示的是不同白光l e d 之间，甚至是从同一产品批次中随机挑选的 l e d 之间的正向电流电压特性的差异。可以看出，在恒定电压的驱动下，不同l e d 上流经的正向电流大小不同，导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示。而且， l e d 正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起l e d 电流的很大变化，从而 导致出射光光强的变化。 2 ) 光学特性( 主要包括光通量，出射光的峰值波长等) 辅 n j 高2 3 薅 果2 2 2 l f l ll 篓 薹： 和 ： ， ， ， ， i 口柏抽 t 时i 呐曲呻 日l 嚼触毒i 阻 图1 2 光通量与时间关系图1 3 光通量与电流关系 光源的光通量是指单位时间内通过4n 立体角的可见光能量，它的单位是流 明( 1 m ) 。上面两张图分别是光通量与时间以及电流的关系图。首先关于时间特 性，随着时间的增长，大功率l e d 的光通量下降较快，之后逐渐趋于平稳，晟后 光通量下降了1 0 。其次，在电流与光通量关系图上，可以看出，随着电流的增 加，大功率l e d 的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。其原因主要是因为随着 电流及时间的增大，大功率照明l e d 芯片内部将温度上升，发生在p n 结结区的载流 子复合几率下降，造成l e d 发光效率降低。 浙江大学硕士学位论文 图1 4 显示的是大功率l e d 峰值波长与驱动电流的关系。为了避免时间因素的 影响，采用瞬时的恒定电流来驱动大功率l e d 。可见，随着电流的增加，峰值波 长向短波方向偏移。在2 0 0 m a 以下的电流点亮时，峰值波长偏移比较大，而在更 大的电流点亮时，峰值波长趋于稳定。 3 ) 发光效率与功率之间的特性关系 乒 夸 点 留 1 6 1 4 2 o 8 6 p | 琢 图1 5 发光效率与功率之间的特性关系 图1 5 给出大功率白光l e d 功率与发光效率的关系，从图中可以看出，当大功 率自光l e d 功率大于o w 时，发光效率随功率增加开始缓慢减小，随着功率继续 增加，发光效率降低的速度也越来越快，在功率为1w 时，白光l e d 的发光效率为 1 3 l m w 。这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一，即发光效率与功率不 能同时达到最大，但是可以通过分析这种现象产生的原因来尽量克服和减小这一 矛盾。主要原因是：a ) 在相同的热阻下，功率的增加必然导致芯片温度升高，增 加载流予非辐射复合几率，导致辐射复合几率下降，造成发光效率随着功率增加 而下降。b ) 随着功率和电流密度的增加，会出现所谓“电流泄露”现象，即发生 在p n 缝区的载流子复合几率下降，造成l e d 发光效率降低。通过设计新型发光层结 构，如优化量子阱结构、增加电子反射层、采用量子隧穿结构等，都有可能减小电 流泄露对发光效率的降低。 6 浙江大学硕士学位论文 1 1 4 大功率l e d 韵国内外发展概况及其应用 1 1 4 1 大功率l e d 的国内外发展概况 人类第一次观察到半导体材料的发光现象是在1 9 0 7 年，但全球第一款商用 发光二极管( l e d ) 的问世是在1 9 6 5 年。随后不久m o n s a n t o 和惠普公司推出了 用g a a s p 材料制作的商用l e d 。这些早期的红色l e d 的发光效率约为o 1 1l m w ， 比普通白炽灯的发光效率( 约1 51 m w ) 还要低l o o 多倍。1 9 6 8 年，l e d 的研究取 得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使g a a s pl e d 的发光效率达到了1l m w ，并且能 够发出红、橙和黄色光。到1 9 7 1 年，业界又推出了具有相同效率的g a p 绿色l e d 。 1 9 7 2 年开始有少量l e d 用作钟表和计算器的显示屏。几乎与此同时，惠普与德州 仪器公司也推出了带7 段红色l e d 显示屏的计算器。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。 我国在高亮度l e d 这一领域起步较晚，从1 9 9 3 年开始，中科院半导体所、北 京大学等单位在国家8 6 3 计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多 研究工作。但目前在材料质量、器件指标等方面与国际先进水平还有很大差距， 特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。l e d 产品中技术 壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技 术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业屈指可数。 目前，l e d 照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度自光l e d 。各国政府均 大力扶持白光l e d 的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行， 如日本的2 l 世纪的照明计划”计划将耗费6 0 亿日元推行半导体照明，目标是在 2 0 0 6 年用白光l e d 替代5 0 的传统照明：美国的“下一代照明计划1 时间是从 2 0 0 0 2 0 1 0 年，计划投资5 亿美元；欧盟的“彩虹计划”已在2 0 0 0 年7 月启动，通过 欧共体的资助推广应用白光l e d 。 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 n i p sl i 曲t 血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 l 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 1 w 和5 w 的l u x nl e d 是世界上最亮的自光 濒江大学硬士学位论文 l e d 产品，它的白光效率已达到3 0l m ，w ，5 w 器件的光通量达到1 2 01 m 。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 21 “w 。 目前，c r e e 公司研制的蓝光l e d 的外量子效率最高达3 5 ，制作的白光l e d 流明 效率为7 41 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， 目亚化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。日亚公司由于在i r 好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。目前其研制的l e d 的效率约为3 0 一4 0i m ，w ，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 m ，在工作电流为3 5 0 m a 时光功率超过2 0 0 m w 。 s 1 】i n 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 狙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 的自光照明灯具，相当于4 0 w 自炽灯的 亮度，并于2 0 0 4 年春开始了商品化销售。日亚化学工业宣布将从2 0 0 6 年6 月开始 提供发光效率为1 0 01 m w 的白色l e d 样品，据悉1 2 月份将开始量产。 德国的o s r a m 号称刚刚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 是世晃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。 在台湾，l 王m 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 家顶级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。 美国加州大学固态发光及显示中心则寻求白色l e d 之外的其它解决方案， 目前该中心正在进行一项由政府扶持的项目，主要针对下一代照明。该书心力争 在2 0 0 7 年前开发出效率为2 0 0l 耐w 的白色发光器件。最近，美国加利福尼亚州 s a n j o s e ( 圣荷塞市) 、a 毋i j e d t 技术实验室公布了一种新的l e d 试制样品。该实验 室利用种新技术概念，使光效最大可达l o oh n w 。 浙江大学硕士学位论文 而国内，1 m m l r l l i n 倒装结构白光l e d 在标准电流( 3 5 0 m a ) 下光通量可达到 1 5l m 以上。 1 1 。4 。2 大功率l e 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、手电篱、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 叻所具有的低电压、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。 1 2 白光l e d 的连接方式及驱动方式概述 1 2 1l e d 连接方式介绍 1 ) l e d 采用全部串联的方式 。亿 v 图1 6 采用串联方式的l e d 9 飞 浙江大学硕士学位论文 这种连接方式要求l e d 驱动器输出较高的电压。当l e d 的一致性差别较大时， 分配在不同的l e d 两端电压不同，通过每颗l e d 的电流相同，l e d 的亮度一致。当 某一颗l e d 品质不良短路时，如果采用稳压式驱动，由于驱动器输出电压不变， 那么分配在剩余的l e d 两端电压将升高，驱动器输出电流将增大，导致容易损坏 余下所有l e d ；如采用恒流式l e d 驱动，当某一颗l e d 品质不良短路时由于驱动 器输出电流保持不变，不影响余下所有l e d 正常工作。当某一颗l 叻品质不良断开 后，串联在一起的l e d 将全部不亮，解决的办法是在每个l e d 两端并联一个齐纳管， 当然齐纳管的导通电压需要比l 肋的导通电压高，否则l e d 就不亮。 2 ) l e d 采用全部并联的方式 争( v i 图1 7 采用并联方式的l e d 这种连接方式要求l e d 驱动器输出较大的电流，负载电压较低，分配在所有 l e d 两端电压相同。当l e d 的一致性差别较大时，而通过每颗l e d 的电流不一致， l 功的亮度也不同。当菜一个颗l e d 品质不良断开时，如果采用稳压式l e d 驱动( 例 如稳压式开关电源) ，驱动器输出电流将减小而不影响余下所有l e d 正常工作。如 果是采用恒流式l e d 驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下l e d 电流将 增大，导致容易损坏所有l e d ，解决办法是尽量多并联l e d ，当断开某一颗l e d 时， 分配在余下l e d 电流不大，不至于影响余下l e d 正常工作。所以功率型l e d 做并联 负载时，不宣选用恒流式驱动器；当某一颗l e d 品质不良短路时，那么所有的l e d 将不亮，但如果并联l e d 数量较多，通过短路的l e d 电流较大，足以将短路自q l e d 烧成断路。 浙江大学硕士学位论文 3 ) l e d 采用混联的方式 ! !3 ! l 、 ： ， 攀飞 ：羞 ! l 鼍 】 !嚏j ! 鼍 ! r1r， 飞 鼍 ”? ! 图1 8 采用混联方式的l e d 在需要使用比较多l e d 的产品中，如果将所有l e d 串联，将需要l e d 驱动器输 出较高的电压，如果将所有l e d 并联，则需要l e d 驱动器输出较大的电流，将所 有l e d 串联或并联，不但限制着l e d 的使用量，而且并联l e d 负载电流较大，驱动 器的成本也会大增，解决办法是采用混联方式如图1 8 所示。串并联的l e d 数量平 均分配，分配在一串l e d 上的电压相同，通过同一串每颗l e d 上的电流也基本相同， l 叻亮度一致，同时通过每串l e d 的电流也相近。当某一串联l e d 上有一颗品质不 良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串le d 相当于少了一颗l e d 。 通过这串l e d 的电流将大增，很容易就会损坏这串l e d 大电流通过损坏的这串l e d 后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一串l e d 后，如果采用稳压式驱 动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有l e d 正常工作。如果是采用恒流 式l e d 驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下l e d 电流将增大，导致 容易损坏所有l e d 。解决办法是尽量多并联l e d ，当断开某一颗l e d 时。分配在余 下l e d 电流不大，不至于影响余下l 曲的正常工作。 1 2 2l e d 驱动方式介绍 可以用作白光l e d 驱动电源的集成器件品种较多，大致分属恒流驱动、电荷 泵驱动和用电感式开关电源驱动三种类型。下面将对这三种类型的驱动芯片的特 点及适用的场合分别进行。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 1 用恒流源驱动l e d 由于发光二极管的光子发射源于电子一空穴对的复合，故其发射速率以及发 光强度均与二极管的正向电流成比例。由此看来，可控恒流源应是实现亮度控制 最简单的方案。按照传统的设计方法，在多个l e d 只能以并联方式工作时通常须 为每个l e d 配备独立的限流电阻，借以克服l e d 正向压降一致性甚差以致不可直 接并联工作的弊端，不过目前多已改用集成恒流源为l e d 供电，如此可以消除电 源电压变动所造成的不利影响。m a 9 1 6 便是一块常见的恒流源l e d 驱动器。 m a ) 【1 9 1 6 低压差、白色l e d 偏置电源是一款代替传统白色l e d 设计中简易镇流 电阻的高性能芯片。m a x l 9 1 6 通过一个电阻r s e t 设置三只l e d 的偏置电流，与镇流 电阻相比，m x l 9 1 6 具有出色的l e d 偏置电流匹配度，可达o 3 。m a x l 9 1 6 工作时 电源电流仅为4 0 时，处于关断状态时电源电流仅为o 0 5 心，片内还带有过热保护 电路。电源电压变化时偏鼍变化极小、压差更低，而且，在一些应用中能够明显 提高转换效率。9 m a 负载时，m a x l 9 1 6 仅需2 0 0 m v 的压差、并保持每只l 即的亮度一 致。基准电流的设定范围为5 2 6 0 a ，大致相当于每路输出1 6 0 1 1 1 a 。该器件的 输入电压范围为2 5 5 5 v 。图1 。9 是m a x l 9 1 6 的应用电路。可以看出，该器件为 三路电流镜输出，电流镜输出电流与r s e t s 上基准电流的比例为2 3 0 ：1 。通过选择 合适的电阻r s e t 以设定电流镜的基准电流，达到调整器件的输出电流或者说是 l e d 的亮度的目的。 图1 9m a x l 9 1 6 的应用电路 浙江大学硬士学位论文 1 2 2 2 电荷泵驱动l e d 白光l e d 的正向压降在3 4 v 之间，但是当前甚为流行的大量手持电子设备 多以单一锂电池( 标准电压为3 6 v ) 供电，可知此时已经无法再由设备电源直接 驱动l e d 而必须借助于各类电源变换器件。电荷泵就是种用作白光l e d 驱动器 的电源变换器件，下面结合电荷泵的几个产品对电荷泵器件的性能及其典型应用 分别进行介绍 s i p e x 公司的s p 6 6 8 2 芯片的输入电压为2 7 v 一5 5 v ，可以根据输入电压自动 选择工作在x 1 5 或者x 2 o 模式，输出电压可从3 3 v 可调到5 v ，适合驱动各种 白光l e d 。器件的开关工作频率为6 0 0 k h z ，故而可以采用容量较小的开关电 容器，最大输出电流1 2 0 m a ，静态与关态电流分别为1 2 m a 与1 5pa ，控制l e d 亮度的脉宽调制信号可由器件的关断控制( e n ) 端送入，其重复频率应在6 0 h z 以上以免l e d 产生闳烁现象，但也不宜超过2 0 0 h z 以保证开关电容器具有足够 的放电时间。该电荷泵通过检测串联在l e d 上的限流电阻上的电压来实现对 电流的精确的控制，控制精度可达3 ，具体应用电路如图1 1 0 所示： 图l1 0s p 6 6 8 2 应用电路 l t c 3 2 1 5 是一种低噪声、大电流电荷泵式d c d c 变换器，用于驱动大电流 白色l e d 。该器件主要特点：根据工作条件自动改变升压模式( 不升压、倍压 或两倍压) ；超低压差i l e d 电流控制；输出电流可达7 0 0 m a ；恒动定工作频 率0 9 m h z ，噪声低；输入电压v m 菹围为2 叶9 v 一4 4 v 有l e d 开路、短路 浙江大学硕士学位论文 保护；有过热保护；有关闭控制，在关闭时断开l e d ，其耗电典型值为2 ，5l l a ； l e d 的电流可设定，精度4 ；启动时有软启动，限制尖脉冲电流；外围元 件少；小尺寸1 0 管脚d f n 封装；工作温度范围一4 0 8 5 。该器件主要应用 于白色l e d 的手电筒、照明灯、数码相机用闪光灯及频闪观察器等，其外围 应用电路图如下图1 1 l 所示： 图1 1 ll t c 3 2 1 5 应用电路 1 ，2 2 3 电感式开关电源驱动l e d 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l i n e a r 公司的l t 3 4 7 7 这块芯片来介绍电感式开关电源工作 原理及其性能。 图1 1 2l t 3 4 7 7 应用电路图 1 4 浙江大学硕士学位论文 l t 3 4 7 7 是一种内部有3 a 、4 2 v 开关管的多功能d c d c 转换器，它可以组成升 压型、降压型、升降压型及负电压输出型电源。它既有传统的电压反馈环路以实 现稳压输出，又有两个独特的电流反馈环路阻实现恒流输出，所以它非常适用于 恒压、恒流方式驱动大电流l e d 。 该驱动器主要特点：工作电压为2 5 2 5 v ；转换效率可达9 l ；可以根据 不同输入电压条件，方便地组成不同结构的驱动电路；振荡器频率由外接电阻r 设定，频率范围为2o0khz 3 5 m h z ；可编程软启动；它在启动期间具有限 制电感器电流的可编程软启动功能和在短路以及电压瞬态期间保护l t 3 4 7 7 的 浪涌电流保护功能；开关管饱和压降小；2 0 管脚q f n 封装或t s s o p 封装：工作温度 为一4 0 至8 5 。l t 3 4 7 7 的典型应用电路上图1 1 2 所示。 1 2 3 脉宽调制型l e d 驱动方式的分析 1 。2 3 1l e d 在脉冲电流驱动下的工作特性 l e d 的发光强度基本上是正比与其电流密度的，这个性质对于采用脉冲电流 驱动l e d 的工作方式是很有利的，它在平均电流与直流电流相同的情况下， 就能获得相同的照度。下面两张表给出了脉冲和直流两种供电方式下照明 l 叻的照度。可以看出，以平均电流为2 0 m a ，4 0 m a ，6 0 m a 的脉冲电流驱动照 明l e d 时，距离l e d 灯l c m 处的照度与用恒定的2 0 m a ，4 0 m a ，6 0 a 直流电流驱 动时的几乎完全一致，这充分说明脉冲电流的平均值是决定脉冲供电状态下 照明l e d 照度的唯一因素。 表1 2 直流电流供电下的l e d 照度 直蠢电藉溪电 曩“电流蛳gi“强离罗像1 粪建嘲鞠獯 2 0 3 7 6 4 07 2 ，o 6 01 0 4 9 浙江大学硕士学位论文 表1 3 脉冲电流供电下的l e d 照度 周期为5 0 0 h z ，占空比为5 0 鹋脉冲电流供电 ! 蜮蘑躐蘸嘲瓣罐i 粪濑澜麟鳓麓麟 4 0 2 0 3 8 4 8 04 07 2 ，o 1 2 06 01 0 2 t 3 另一方面，用脉冲电流来驱动大功率l e d ，就可以用高峰值电流获得高亮度 l e d ，然后通过调节脉冲的占空比从而得到较低的平均电流值来降低功耗。 这是因为当l e d 工作在脉冲状态的时候，由于人眼具有峰值检波器以及积分 器的功能，因此，入眼觉察到的l e d 亮度值介于峰值亮度与平均亮度值之间， 所以脉冲电流驱动的l 叻可比直接恒流驱动的l e d 更亮。这个特性在某些场合 ( 比如信号灯的驱动方面) 会有很大的应用价值。 其次，l e d 的散热是制约其能够普及使用的一个重大问题。相对于一般的l e d 来说，大功率l e dp n 结上的热耗散功率将更大。如果散热问题没有处理好， 很有可能造成结温过高，导致发光效率变低，l e d 芯片也将快速劣化，器件 寿命缩短。如果采用脉冲电流来驱动l e d ，l e d 工作在开关状态( 一般开关频 率在几百h z 至几十k h z ) ，由于在驱动电流变化的时候l e d 的热阻变化较小， 因此采用脉冲电流驱动方式将更有利于散热，从而提高寿命及发光效率。 再者，对于l e d 来说，采用脉冲电流驱动的话，其控制部分如果用脉宽调制 ( p w m ) 的方式，与用串联饱和型来控制恒流相比，控制部分的控制效率有较 大的提升，因此从节能的观点来看，采用脉冲电流驱动方式更具有竞争性。 综上所述，用脉冲电流驱动l e d 是一种比较有效的驱动方式，具有比较相当 大的应用价值。不过，这种驱动方式也存在一些不足，例如在平均电流不变的情 况下，如果占空比较小，导致峰值电流很大，甚至超过l e d 的额定最大电流，将 会对l 皿的寿命造成影响。还有，采用脉冲电流驱动，要维持平均电流恒定的话， 其控制电路将会比较复杂。 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 2 脉宽调制( p w m ) 的l e d 驱动方式介绍 上面介绍的恒流源、电荷泵、电感式开关电源驱动器都是通过输出一个恒定 的电流来驱动白光l e d 。同时在前面我们也分析得到，用脉冲电流驱动l e d 具 有亮度高、散热性能好、驱动效率高等优点，现在它的主要应用方向在p w m 调 光上。 现在很多使用l e d 的照明灯具要求能调整亮度，以适应周围的环境，因此 l e d 驱动器一般都带有调光功能。调光功能的实现方法主要可以分为两种：模 拟调光和脉宽调制( p w m ) 调光。采用模拟调光技术时，只需将白光l e d 的驱 动电流降至最大值的一半，就能让l e d 亮度减少5 0 ，这种方法会使白光l e d 色坐标偏移。p w m 调光技术是通过改变脉冲电流占空比的方法来调节白光l e d 的亮度，由于每个脉冲周期内的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移， 但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的亮度变化。p w m 信号频率通常会超过 1 0 0 h z ，以确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉，下面就结合m a x l 6 8 0 0 这款芯片 作一下简单的说明。 m a x 6 b o 鼍l e o ， 鼍噱渊 r s e 粥 图1 1 3m a x l 6 8 0 0 应用电路 正常工作时，l e d 工作在恒流状态。当需要p w m 调光时，我们在e n 端输 入低频的p w m 信号，在e n 为高电平时l e d 导通，当e n 为低电平时，l e d 截止，于是，那么白光l e d 就会以与e n 端相同的频率作o n 幻f f 切换。通过 改变p w m 信号的脉冲宽度( 改变占空比) 来调节l e d 的亮度( 占空比大时亮 度大) ，从而达到调光的目的。 目前国内外直接使用脉冲电流驱动这种驱动方式的驱动器相当少，查到的资 浙江大学硕士学位论文 料非常有限，下面结合一个简单的应用电路就这种驱动方式作个介绍。 图1 1 4 振