（电力电子与电力传动专业论文）一种市电供电白光led驱动电路中控制芯片的设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w h i t el e di se x p e c t e dt ob e c o m ean e wl i g h t i n gs o u r c ea f t e rt h ec o n v e n t i o n a l i n c a n d e s c e n c el a m pa n df l u o r e s c e n c el a m pw i t hi t sm e r i t si n c l u d i n gh i g l le f f i c i e n c y 、 e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n 、l o n g - l i f et i m e ，e a s yt ob em a i n t a i n e da n d s oo n b e c a u s ei t se l e c t r i c sp a r a m e t e r sa r eu n s t a b l ea n ds e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r e ， w h i t el e dn e e d st ob ed r i v e db ys p e c i a lc o n t r o li c ac o n t r o li cw h i c hi sa p p l i e di nt h ew h i t el e dd r i v e rp o w e r e db y2 2 0 v _ 2 0 i s d e s i g n e di nt h i sp a p e r t h e r ei sah i g l lv o l t a g ep o w e rt r a n s i s t o ri n t e g r a t e di n s i d e p e a k v a l u ec u r r e n tp w mm o d ei sa d o p t e dt od e a lw i t ht h ec u r r e n ts i g n a l ( s e c o n d a r y f e e d b a c k ) w h i c hi sp r o d u c e db yt h eo u t p u tc u r r e n ta n dv o l t a g ef e e d b a c ks i g n a lt o m o d u l a t ep w m c o n t r o l l e r t h e r e b y ，t h ef u n c t i o n sc o n s t a n tc u r r e n t r e s t r a i n e dv o l t a g e a n dc o n s t a n tv o l t a g e r e s t r a i n e dc u r r e n tc a nb er e a l i z e da n dt h e nt h ef u n c t i o nt od r i v e l e dc a nb er e a l i z e dt o o i nt h i sp a p e r ，f i r s t ，t h ew h o l ef r a m ep l o to ft h i si cw a s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h i si cw a sa n a l y s e da c c o r d i n gt ot h ed r i v e rc i r c u i t s e c o n d ，b a s e do nc h r t0 3 5 t i n c m o sp r o c e s s ，t h el o wv o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t e sw e r gd e s i g n e da n ds i m u l a t e db y c a d e n c ew h i c hi sak i n do fe d at o o l s ，i n c l u d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n tr e f e r e n c e s 、o s c 、 u n d e r v o l t a g el o c k o u tc i r c u i tw i t hh y s t e r e s i s 、o v e r v o l t a g ep r o t e c tc i r c u i t 、o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r 、l e a d i n g e d g eb l a n k i n gc i r c u i t 、p w ml o g i cc i r c u i ta n d s oo n n 硼，a7 0 0 v l d m o sd e v i c ew a sd e s i g n e db ym e d i c i a tt h ee n d ，t h er e a l i z a t i o no ft h i sc o n t r o li c s p r o c e s sa n dl a y o u tw e r ei n t r o d u c e d ， a n dt h el a y o u to fs o m ec e l l sw e r ec o m p l e t e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l e k e yw o r d s ：w h i t el i g h tl e dd r i v e rc o n t r o li cp o w e ri cp e a kv a l u ec u r r e n t p w m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名：! 查兰! 至日期：兰! 兰量：! ：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期 日期 z 口口子、，、2 名 0 2t 谚、f 。“ 第一章绪论 第一章绪论 近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节 能环保的新技术。半导体照明指利用半导体发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e l e d ) 作为光源的固态照明，就是具备这种魅力的新技术【1 i 。因为白光l e d 最接 近日光，能更好地反映照射物体的真实颜色，所以白光l e d 照明最有潜力。上世 纪9 0 年代以来，随着以氮化镓为代表的第三代半导体的兴起，白色l e d 的研制成 功，使得实现半导体白光l e d 照明成为可能。作为国际公认的下一代照明源，白 光l e d 将逐步取代传统的照明源，产生巨大的经济和社会效益1 2 1 。 1 1 白光l e d 的特性 1 白光l e d 的产生原理 l e d 的发光机理为：当在l e 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入、 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。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 ( 色温是表示光源光谱质量最通用的 指标。) 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 成发白光的l e d 。 2 白光l e d 的应用1 3 白光l e d 将广泛应用在以下照明领域： 1 ) 景观照明市场，包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等。著名的上海 东方明珠电视塔在夜色中熠熠生辉的夜景装饰，用的都是半导体照明，每晚省下 来的电力，可供上海8 0 0 多户居民每天使用4 个小时。为了配合科技奥运、绿色奥 运、人文奥运，北京市己经提出要用l e d 作为照明光源来美化首都夜景。 2 ) 汽车第三刹车灯、显示仪表盘等。这些领域对高亮度l e d 管芯的需求量逐 2 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 年增加。预计2 0 1 0 年前我国汽车产量将达至u 7 5 0 万辆，届时，汽车领域对高亮度l e d 的需求量将达至1 j 6 5 亿颗左右。 4 ) l e d 室内外装饰照明灯具、床头阅读灯。 5 ) 功率型l e d 手电筒、单兵作战照明灯。 就目前来说，在l e d 显示的众多应用领域中，交通灯领域是高亮度l e d 最有增 长前景的领域。全国交通灯的使用以数百万计，交通灯换灯所带来的市场前景诱 人。2 0 0 5 年以后l e d 在手机应用的产值已不再成长，取而代之的是汽车、交通灯、 照明应用市场。功率型l e d 在发光效率、光衰、显色性等阻碍其进入普通照明市 场的问题将被不断解决。美国能源部预测，多j 2 0 1 0 年前后，美国将有5 5 的白炽灯 和荧光灯被半导体替代，每年可节电3 5 0 亿美元。 作为新型的半导体照明光源，与现行照明设备比较，它的优点主要表现在以 下几个方面： 1 ) 发光效率高、节能 白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 - - - - , 2 4 娴，荧光灯的光效为5 0 - - 7 0 1 1 1 1 w ，钠灯的 光效为9 0 - - - 1 4 0 1 i n w ，大部分的耗电变成热量损耗。l e d 的光效经改良后可达到 5 0 - - , 2 0 0 1 m 倒，而且光的单色性好、光谱窄，无需过滤即可直接发出有色可见光。 目前，世界各国均加紧提高l e d 光效的研究，在不远的将来其发光效率将有更大 的提高。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，可见光转换效率可达n 8 0 - - 9 0 ，而白炽灯的可见光转 换效率仅为1 0 - 2 0 。在同样的照明效果下，l e d 的耗电量是白炽灯泡的八分之 一，荧光灯管的二分之一。 2 ) 寿命长 l e d 灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动， 不易破碎。它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， 在一些维护困难的场合，使用l e d 作为照明光源，可以大大降低灯具维护费用， 避免经常换灯之苦。 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 损坏。l e d 的这一特性使它可以应用在一些条件较为苛刻和恶劣的场合。 钔开关时间短 l e d 的响应时间最低可达n 1 微秒，一般为几个毫秒( 现用的光源响应时间 2 0 0 毫秒) 。可在高频条件下使用，如用于光电耦合电路。如果用于汽车的刹车灯 第一章绪论 3 或状态灯，可以缩短车后车辆的刹车时间，预防追尾，提高安全性。 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，处理起来没这么方 便。 6 1 安全环保 l e d 为全固态发光体，发热量低、无热辐射。同时作为冷光源，它不含汞、 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 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白炽灯的水平，景光灯采用的白色l e d 发光效率接近于荧光 灯的水平，并在稳步增长中。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，至1 j 2 0 2 0 年左右白光l e d 的光效有可能达到2 0 0 l i l l 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： 1 ) 光提取效率低 虽然l e d 的电光转化效率较高，但传统的正装结构l e d 的光提取效率只有百分 之几，严重影响l e d 的光输出功率； 劲散热问题 散热不良将导致芯片结温迅速上升和环氧树脂碳化变黄，从而造成l e d 的加 速光衰，降低l e d 的寿命，甚至失效； 3 ) 价格较高 这是影响l e d 照明普及的主要原因，例如目前市场上台湾产的l w 的l e d 产品 约1 美元以上，而l u m i l e d s 公司生产的l w 的l e d 产品接近6 美元。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。 白光l e d 具有巨大的市场潜力。目前小功率超高亮l e d 已经大批量生产并获得 了广泛的应用，大功率超高亮l e d 有l w 、3 w 、5 w 等规格在市场上销售，其中功 率大于l w 的白光l e d 的开发研究己成为主攻方向。然而，由于散热问题的困扰， 只有1 w 和3 w 的规格获得了一定的应用。因为半导体材料的物理特性，发光二极管 正常工作时的管压降约为3 5 v 左右，小功率管的工作电流约2 0 m a ，大功率管的电 流较大，l w 的l e d 工作电流在3 0 0 - 3 5 0 m a 之间，3 w 的则在1 a 左右。 3 白光l e d 的电、光特性1 4 1 4 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 目前市场上广泛使用的白光l e d 基本上是以单晶型白光l e d 为主，单晶型白光 l e d 采用发光晶粒为蓝色、紫色或近紫外光发光晶粒，晶粒材料都是宽带隙化合 物半导体材料，这样白光l e d 的正向导通压降比一般的有色l e d 要高。红光、黄光 的l e d 驱动电压只要1 2 v 左右，而白光l e d 的正向电流为2 0 m a 的情况下，正向 电压一般为3 - - - 4 v 之间。不仅如此，在同一正向电压下，流过白光l e d 的电流也有 很大的离散性，对于不同白光l e d 生产商的产品，即使是同一个产商的产品之间， 在采用相同电压驱动时，正向电流也会有偏差。白光l e d 在正向导通后其正向电 压的微小变化将引起l e d 电流的很大变化，并且环境温度，l e d 老化时间等因素也 将影响l e d 的电气性能。而l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，电流越大，光输出 越强。所以l e d 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能 控制u m 电流的大小。否则，l e d 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。 1 2 白光l e d 驱动电路 随着白光l e d 技术的不断成熟，其驱动控制芯片将有着越来越广泛的应用前 景。在白光l e d 驱动i c 方面，各大模拟i c 公司均推出了种类繁多的产品，以满足 市场不同层次的需求。目前研发白光l e d 驱动i c 的公司主要有美信、国家半导体、 凌特、安森美、亚德诺( a n a l o gd e v i c e ) 、飞兆半导体、德州仪器、s u p e r t e x 公司等。 其中，美信公司和国家半导体公司在白光l e d 驱动i c 的产品种类、产品数量、性 能指标上都处于领先地位。在我国此类公司主要分布在台湾，大陆地区比较少。 市场上大部分高端产品都是由国外公司进行研发和制造，绝大部分驱动芯片的生 产销售主动权仍然掌握在国外公司手中，设计研制具有自主产权的该类芯片，追 赶l e d 驱动芯片的技术潮流，是摆在国内集成电路设计者面前的一个迫切任务。 根据l e d 的连接方式的不同，市场上的白光l e d 驱动i c 可分为三类：并联型白 光l e d 驱动电路、串联型白光l e d 驱动电路和混联型白光l e d 驱动电路1 5 。每种连 接方式都有对应的变换器将外部的输入电压转换成合适的输出电压驱动白光l e d 工作。在每种连接方式中，都可以采用电流调节器或是直接使用合适的限流电阻 来对流过白光l e d 的电流实施控制。同时，在控制方式上还可以引入反馈，以增 强控制过程的精度、灵敏度和稳定性。 1 ) 并联方式驱动 并联型白光l e d 驱动i c 的原理框图如图1 1 所示。需要驱动的白光l e d 并联在 一起，它们的一端为电源转换的输出端，另一端可采用合适的电流控制部分。并 联l e d 驱动i c 的电路结构主要采用电荷泵d c d c 变换器。其优点在于：( 1 ) 输出电 压相对较小，电路可以采用低压半导体工艺生产；( 2 ) 外围电路中不需要电感，其 第一章绪论 5 成本较低。其缺点在于：( 1 ) 流过不同l e d 的电流存在偏差：( 2 ) 与串联l e d 驱动i c 相比，效率较低。 d 图1 1 并联型白光l e d 驱动电路示意图 2 ) 串联方式驱动 串联型白光l e d 驱动电路的原理框图如图1 2 所示。需要驱动的白光l e d 首 尾相接串联在一起。 图1 2 串联型白光l e d 驱动电路示意图 串联l e d 驱动电路的电路结构根据输入电压的类型可以采用降压或升压变换 器。这种驱动方式的优点在于：( 1 ) 任何工作条件下流过l e d 的电流都相等，即l e d 的亮度始终保持一致；( 2 ) 转换效率比较高，只需要一个限流电阻，减小了功耗； ( 3 ) 电路与l e d 之间只需要两个连接端点，为用户的设计提供了一定的灵活性。其 缺点在于：( 1 ) 3 r l , w 电路中必须采用电感，与并联l e d 驱动i c 相比尺寸较大、成本 较高、e m i 辐射也较大；( 2 ) 电路要采用高压半导体工艺生产。 3 ) 混联方式驱动 在需要使用u d 比较多的产品中，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，限制了l e d 的使用，解决办法是采用混联驱动方式。 混联型白光l e d 驱动电路的示意框图如下： 6 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 图1 3 混联型臼光l e d 驱动电路的不慈图 综合来讲，以上几种驱动电路没有绝对的孰好孰劣之分。设计时，要针对不 同的应用环境，选择最适合的驱动方式在效率、成本、尺寸、l e d 的电流匹配精 度之间达成最佳权衡。 从供电电压的高低可以将驱动电路分成以下三类：由电池供电，电压一般低 于5 v ，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光l e d ，它主要采用升 压式d c d c 变换器或升压式、升降压式电荷泵变换器，少数采用l d o 电路的驱动 器；大于5 v 供电，如6 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v 或更高的电压，由稳压电源或蓄电池供 电，它主要用降压式或升降压式d c d c 变换器；直接由市电( 1 1 0 v 或2 2 0 v ) 或相 应的高压直流电( 女l j l 0 0 - 4 0 0 v ) 供电，主要用来驱动大功率白光l e d ，采用降压 式d c d c 变换器驱动电路。 以前认为只有电感式的升压式d c d c 变换器才可以输出较大的电流。近年来， 电荷泵式驱动器可以输出的电流已经从几百毫安上升到1 2 a ，并且两者在转换效 率上也不相上下。对于采用l d o 电路的驱动器，无需外围组件及价位低是它的优 点，一其缺点是转换效率略低，并且电池往往不能用到终止放电电压就要充电。可 以用作白光l e d 驱动电源的集成器件品种较多，大致可分为恒流源、电荷泵和开 关电源三种类型【引。 1 ) 恒流源。绝大多数l c d 背景照明装置都配有亮度控制器以便于在使用中根 据环境光线的强弱进行相应调节。由于l e d 的光子发射源于电子、空穴对的复合， 故其发射速率以及发射强度均与l e d 的正向电流成比例。为此，可控恒流源应该 是实现亮度控制最简单的方案。但因白光l e d 的色温也与工作电流直接相关，这 类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变得很差，故而仅能用 于按钮照明之类对于颜色保真度要求很低的场合。l c d 背光装置则大多数采用 p w m 电源为l e d 供电，以避免这一色偏问题。从实用的角度来看，对于电源电压 较高的车载设备，可以采用配有p w m 调制器的集电极开路或电流镜输出级驱动多 第一章绪论 7 个串联的白光l e d ，即可构成简单的l e d 驱动器。在电源电压较为有限的应用场合， 多个白光l e d 只能以并联方式工作。此时采用集成恒流源来驱动l e d ，可以消除电 源电压变动所造成的不利影响。m a x l 9 1 6 和l x l l 9 0 是两种常见的恒流源集成电 路。 2 ) 电荷泵 白光l e d 的正向压降可以高达4 v ，而目前大量的手持电子设备多以单一锂电 池供电，必须借助于电源变换电路才能驱动白光l e d 。变换器件包括不少种类， 其中以电压输出型电荷泵最为简单。典型的有l m 3 3 5 4 型开关电容变换器，其电源 电压范围为2 5 - 5 5 v ，输出电压有一系列标准值可以选择。它的开关工作频率为 1 m h z ，故可以采用输出容量较小开关电容器。l m 3 3 5 4 的最大输出电流为9 0 m a , 带有片内过热保护电路，静态电流与关断状态电流分别为4 7 5 , u a 禾l l 瓤a 。控制白光 l e d 亮度的p w m 信号可由器件的关断控制端输入。再如s c 6 0 0 电压输出型电荷泵 集成器件，它包括4 v - - 4 5 w 1 2 0 m a 与4 5 v - - 一5 w 6 0 m a 多种输出规格，电源电压范 围为2 7 v 6 5 v ，利用引脚编程方式切换工作频率，在8 6 5 0 k h z 范围内共分四档， 由此可以调整输出电流。其最大的特色在于电源电压超过某个阈值时会自动切换 内部电路结构以取得更高的电源变换频率。该阈值具有8 0 m v 的迟滞，以防切换过 于频繁而造成大的输出纹波。除电压输出型外，电流输出型电荷泵也是白光l e d 驱动电路的一种。典型电路为l m 2 7 9 4 和l 1 3 2 0 2 。 3 ) 开关电源 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，电压提升的值往往要超过电荷泵，而且在升压的效能方面优于电荷泵式变换 器。由于其输出电压较高，大多驱动串联的l e d ，因此这种变换器多为电流输出 型。目前，小功率集成电感升压式开关变换器多带有作为功率开关的片内n 沟道 m o s f e t 管，但是储能电感通常仍需外接。典型电路如l ，m 2 7 0 4 和l x l 9 9 3 ，前者可 以在2 2 - 一7 v 电压范围内工作，最高输出电压为2 0 v ，输出电流为2 0 m a ，可驱动两 路共计八只白光l e d 。它的特点在于片内功率开关峰值电流可达0 5 a ，导通电阻仅 为0 7 q ，故电源变换效率较高，同时易于解决小型封装期间的散热问题。后者能 以2 0 m a 的输出电流驱动单路四只白光l e d ，其优点在于电源电压可以低至1 6 v 。 开关电源式驱动器中的市电供电驱动器是整个l e d 驱动器发展的大方向，目 前此类产品数量正在逐渐增多。如美i 虱s u p e r t e x 公司的h v 9 9 2 x 系列和h v 9 9 1 0 t 7 1 。 h v 9 9 2 1 2 2 是可用市电供电的开关型l e d 驱动器，主要用于照明灯，也适用于驱 动各种彩色l e d 组成的装饰灯。它们的主要特点是：( 1 ) 可采用交流市电( ，8 5 2 6 4 v a c ) 供电，可供多个串接的l e d 以一定的电流供电；( 2 ) h v 9 9 2 1 供串联l e d 的电压范围为2 0 - 5 0 v ，h v 9 9 2 2 为2 0 - - 3 0 v ；( 3 ) 驱动串联l e d 的电流值由内部 设定，h v 9 9 2 1 为2 0 m a ，h v 9 9 2 2 为5 0 m a ；( 4 ) 外围元件少，印制板面积小，可以 8 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 将它装入灯头里，它们的转换效率与输入电压有关，一般可达7 0 一8 0 ，内部集 成耐压5 0 0 v 的功率m o s f e t ；( 5 ) 小尺寸三端器件，有t o 9 2 和s o t - 8 9 两种封 装形式；工作温度范围4 0 - - - + 8 5 。h v 9 9 1 0 是一种高亮度l e d 恒流驱动器，它的 输入直流电压范围8 v 4 5 0 v ，输出电流范围几m a 至l j l a ，效率高达9 0 以上，不 过其内部没有集成高压功率管。此外还有p o w e ri n t e g r a t i o n s 的l n k 3 0 x 系列等。 1 3 本文主要内容 本文的主要工作是设计一种应用于市电供电白光l e d 驱动中的控制芯片，全 文共分五个章节。 第一章绪论简单介绍了白光l e d 的基础知识、主要特性和驱动电路的分类。 第二章设计了控制芯片的系统框图，同时结合驱动电路，分析了芯片的工作 原理。 第三章先对控制电路中低压部分子电路模块进行设计仿真，然后对脉宽形成 整体电路进行仿真，之后介绍芯片中高压功率l d m o s 管设计的一些原理，并计算 相关数据，利用e d 久工具m e d i c i 设计仿真了一种耐压7 0 0 v 的l d m o s 器件。 第四章对该芯片的制作工艺和版图设计进行简单介绍，并完成了部分低压模 块的版图设计。 第五章是总结。 第二章驱动控制芯片的总体设计与工作原理 9 第二章驱动控制芯片的总体设计与工作原理 2 1 控制芯片的电路框图设计 要设计的芯片特点1 8 1 ： 1 ) p w m 峰值电流检测控制模式； 2 ) 工作电压范围大； 3 ) 处理反馈输出电流、电压信号，实现恒流限压和恒压限流功能； 4 ) 固定的6 0 k h z 工作频率，脉宽调节范围大； 5 ) 迟滞的欠压锁定功能，整体电路的启动阈值电压为1 0 v ，关断阈值为7 5 v ； 6 ) 具有过温、过压、过流等保护功能； 7 ) 内部集成耐高压l d m o s 管。 图2 1 控制芯片框图 根据芯片的功能特点设计的电路框图如上图所示。( 芯片集成图中方框a 、b 、 外接充电电容c 1 、辅助绕组之外的电路) 它的引脚v c c 为控制芯片的供电端； s o u r c e 为功率m o s 管的源端，接地；d r a i n 为功率m o s 管的漏端；f b 为二次反 1 0 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 馈信号输入端；f b l 为输出电流检测信号反馈端；f b 2 为输出电压检测信号反馈端。 r c 为振荡器定时电阻电容的外接端口。 芯片主要包括以下几个模块： 1 ) 参考源电路。它为芯片内部单元电路提供基准电压和基准电流。 2 ) 高压充电电流源。电路刚开始上电时，这一启动电流源被激活给外部电容 c 1 充电。当供电端施加的电压v c c 达到1 0 v 时，启动电流源关断。电路处于工作状 态后，只要v c c 低于7 5 v ，启动电流源立即被激活给外部电容c 1 充电，当v c c 达到1 0 v 时，启动电流源关断。 3 ) 迟滞比较器。实现控制器的启动和欠压锁定功能。比较器负相端接v c c ，当 v c c 达到1 0 v 时，芯片开始工作。正常启动后芯片的关断阈值变为7 5 v 。当v c c d x 于 1 0 v 时，比较器输出高电位，正常情况下，和温度保护的输出信号相与后输出控制 电平开启高压充电电流源给芯片外部电容供电，直至v c c n 达开启电压之后比较器 输出另一个控制电平关断高压充电电流源，芯片恢复正常工作。 4 ) 过压比较器和过压锁定电路。实现芯片的过压保护功能，阈值为1 5 v 。当 v c c 达到1 5 v 时，比较器输出高电位，过压锁存器输出高电位，p w m 控制器输出低 电位，关断l d m o s 管。整个控制器进入过压锁定状态。直到迟滞比较器输出低电 位时，锁定状态才结束。 5 ) 温度保护电路。具有迟滞功能，两个阈值温度分别为9 5 0 c 和1 3 5 0 c 。 6 ) 峰值电流检测比较电路。具有检测和限流的作用。 7 ) 信号隐匿电路。防止误触发。 8 ) 振荡器电路。提供频率为6 0 k h z 的触发脉冲，脉冲占空比小。 9 ) 运算放大器。 1 0 ) 耐高压l d m o s 管。 1 1 ) p w m 逻辑输出电路和u ) m o s 管驱动电路。 2 2 工作原理 如图2 2 为应用这种控制芯片的市电供电白光l e d 驱动电路示意图，它的输入 电压为市电( 2 2 0 v _ 2 0 ) 。驱动电路恒流( 3 5 0 m a ) 驱动两个串联的大功率白 光l e d 管。控制芯片中用两个运算放大器和两个二极管来实现信号“或”的功能，因 为二极管的作用，光耦合会选择c 点和d 点中电位较低的一点来组成电流信号通路， 再产生反馈信号调节p w m 控制器的输出脉宽大小。芯片中两个运放检测的反馈信 号f b l 和f b 2 都属于一次反馈，光耦合反馈到p w m 控制器的电流信号f b 属于二次 反馈。芯片控制过程以二次反馈为主，一次反馈为辅。驱动电路通过芯片可以实 现输出恒流限压或恒压限流功能，一次反馈信号的大小决定了驱动电路在某一时 第二章驱动控制芯片的总体设计与工作原理 1 1 间实现的功能是恒流限压还是恒压限流。 图2 2 市电供电白光l e d 驱动电路示意图 芯片具体的工作过程：开始供电时，l d m o s 管不工作，变压器不工作，输出 电压电流都为0 。外部市电电压经过整流滤波后，产生的高压加在l d m o s 管的漏 端。此时，辅助绕组上没有电压产生，高压充电电流给控制芯片外部的电容充电。 当芯片的输入端电压v c c n 达1 0 v 后，控制芯片被启动，电路内部产生参考电压和 基准电流，为低压控制电路提供电源电压和偏置电流。此时振荡器产生脉冲波， 功率管开始工作，辅助绕组上产生控制芯片的供电电压，高压充电电流源被关闭。 刚开始工作的时候，两个运放工作在大信号模式下，完成比较器的功能，且都输 出高电位。这时光耦合不工作，反馈电流为o ，电流检测电阻r 1 上的电流1 1 = i d s n + i f b = i d s n ，故l d m o s 管的漏源电流需要上升的时间最长，p w m 逻辑比较的输 出高电平脉宽最宽，l d m o s 导通时间最长。电路正常工作后，两个运放工作在小 信号模式下，电路输出电压、输出电流的采样信号分别与内部不同的参考电压进 行比较，完成误差放大的功能，输出连续的电位信号。光耦合电路对运放的输出 电位进行或操作，产生一个反馈电流i f b ，这个电流与i d s n ( 与流过l d m o s 管的 电流i d s 成一定比例) 相加后经过取样电阻r 5 产生一个峰值检测电压与内部参考电 压相比较，再经过信号隐匿电路产生p w m 逻辑控制信号r 4 。过温检测的输出信号 r 1 、迟滞比较器的输出信号r 2 、过压检测的输出信号r 3 和信号r 4 一起作用，控制 p w m 逻辑输出信号，进而控制驱动l d m o s 管脉冲宽度。只要四个信号中有一个为 1 ，p w m 逻辑输出信号就为0 ，l d m o s 管关闭。当由于某种原因使得驱动电路的输 出电流电压高于预期设计值时，电流电压检测反馈电压升高，运放1 2 的输出电压 1 2 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 值变小，光耦合选择c d 点组成电流信号通路，反馈电流变大，输出脉冲变小， l d m o s 管导通时间变小，驱动电路的输出电流电压减小，于是达到了稳定输出电 流电压的目的。当输出电流电压低于预期设计值时，同样的道理，最终l d m o s 管导通时间变长，驱动电路的输出电流电压增大。这样就实现了恒压限流恒流限 压的功能。 第三章单元电路设计 1 3 第三章单元电路设计 3 1 参考电压源的设计 1 设计目标与设计思路1 9 1 本设计中，要求电路在1 0 v 输入电压下输出6 5 v 的参考电压。这个电压通 过电阻分压可以得到几个数值不同的参考电压，其中3 3 v 为芯片低压控制部分的 电源电压。其设计思路是先产生约为1 2 1 v 的带隙基准电压，然后利用该电压和 输入电压通过线性调整产生3 3 v 的电压。该参考电压电路主要由带隙基准电压源、 误差放大器、调整管和单位增益缓冲器四部分组成，具体电路框图如图3 1 所示。 其工作原理是：当输出电压由于某些原因上升或下降时，通过取样电阻给误差 放大器的正相端输入一个反馈信号，该电压与带隙基准电压v b g 比较后的差值经 放大后，使p m o s 调整管m 1 的工作点发生一定的变化，从而使输出电压v o 下降 或上升，最终保持原来的大小不变。 图3 1 产生参考电压源的电路框图 下面分别介绍各个功能模块的设计。 2 带隙基准电压电路的设计【1 0 1 1 ) 原理 在许多模拟电路中随温度和输入电压变化很小的电压基准和电流基准是必不 可少的。由于集成电路中晶体管的大多数工艺参数是随着温度变化的，所以如果 一个基准与温度无关( 实际上不可能做到完全无关) ，那么通常与工艺也无关。带隙 基准源是正是一种这样的参考电压源。它通过把具有正负温度系数的两种电压以 一定的方式结合起来得到与温度关系很小的基准电压。 双极晶体管的基极发射极电压，或者说p n 结二极管的正向电压，具有负温 v v v v v 5 3 6 2 2 ：2 他 旺 1 4 一种市电供电白光l e d 驱动电路中控制芯片的设计 度系数。其关系如下式： 监；v n e - ( 4 + m ) v r - e g q 式( 3 - 1 ) o tt 。、7 如果两个发射极面积不相等的双极晶体管工作在相等的电流密度下，它们的 发射极基极电压的差值就与绝对温度成正比。如图3 2 所示，假定两个晶体管偏置 的集电极电流都为i o ，晶体管q 2 是由n 个并列的晶体管单元组成，而q 1 是一个晶体 管单元，那么p n p 2 与p n p l 的发射极面积比为n ：1 ，忽略它们的基极电流，有： ；，一2 ；略1 1 1 _ n l o kh 1 兰；v rl n n 式( 3 2 ) 1 s 11 $ 2 这样，的差值就表现出正温度系数：型争；生l n 以 式( 3 3 ) o q v d d 1 0 r 1 n a 图3 2 与温度无关的电压的产生原理 当负温度系数电压与正温度系数电压以一定的比例结合的时候( 选择好合适的 q 和口：) ，输出电压：* q + 口：巧i n n 将会有很低的温度系数。 2 ) 设计指标 ( 1 ) 基准电压温度系数铆，它表示由于温度变化而引起输出电压的漂移量， 简称温漂，单位是1 0 。6 。c ( 即l p p m 。c ) ，其计算公式如下： 疋一万1 鲁 枷 ( 2 ) 电源抑制能力，对带隙基准电路而言，应保证输出电压尽量和输入电源 无关，也就是要保证比较高的电源抑制能力。表征电源抑制能力的参数有两个： 电压调整率和电源抑制比。 电压调整率表征了输入电源电压变化时，基准电压保持稳定的能力。它被定 义为： 2 出琴蠢源电压 式( 3 - 5 ) ( 这个参数的仿真将放到参考电压源 电路的整体仿真中进行。) 第三章单元电路设计 电源抑制比( p s i 汛) 是表征电源抑制能力的交流小信号参数，其定义式为： p s r r = a v 8 0 d b ，共模抑制比c m r r 1 0 0 d b 。 运算放大器的电源线上的噪声会对输出信号造成影响，因此必须适当地抑制 噪声。电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏差的程度的量。一般定义它的 大小为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。运放一般要求p s r r 大于 6 0 d b 。p s r r 的仿真可以通过在电源电压上加交流信号，测量运放输出幅值来求得。 共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一项技术指标，其 大小定义为放大电路对差模信号的电压增益a d 与对共模信号的电压增益a c 之比 的绝对值，即：c m r r 一2 0 1 9 l a d a c i ，差模电压增益越大，放大电路的性能越优良， 共模电压增益越小，则共模抑制能力越强，因此希望c m r r 的值越大越好。测量 c m r r 的办法是先测差分电压增益( 以d b 数为单位) ，再在输入端加入共模信号，测 其共模电压增益值。将差模电压增益减去共模电压增益，即得c m r r 的大小。 7 ) 系统输入失调电压v o s 1m v 。 放大器的失调电压主要有两部分组成：随机失调电压与系统失调电压。随机 失调电压主要由本应匹配的器件在制造过程中的工艺的缺陷造成的不匹配所引 起，或由本应匹配的器件在工作过程中受到不同影响而引起；而系统失调电压主 要是由输入级或有源负载m o s 管的漏极电压的不同造成的。低失调电压放大器通 常使用大尺寸的输入管和大尺寸的有源负载管，其目的是为了得到更好的匹配性， 从而降低放大器的随机失调。而系统的失调则需要从电路结构上进行解决。运放 的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平。故需要通过设计合理的 电路和版图来达到失调电压的最小化。 8 ) 转换速率s r = 3 0 v z s ，测试条件：g a i n = 1 ，s t e p = 1 v 。 转换速率是反应运放对高速变化的输入信号的响应情况，这个值越大，说明 电路的高频特性越好。s r 主要受第一级所能提供或吸收电流的能力的限制，它是 一种大信号现象。s r = i s s q ，对于给定的负载电容，要提高职，必须增大偏置 电流的取值，而要维持同样的最大输出摆幅，所有晶体管必须有较大的栅宽，其 结果是增加了功耗和输出电容。在测试s r 时，应取最大变化率。 9 ) 建立时间t s 2 0 0n s ，测试条件：g a i n = 1 ，s t e p = 0 2v 。 建立时间是表征运放大信号工作性能的一个重要参数。它的测试方法是运放接 第三章单元电路设计 成跟随器，输入阶跃大信号v n ，观察输出电压从开始响应到稳定的时间。稳定的 误差范围一般设定为0 1 v n 。 2 运放的结构 根据运放的设计指标，首先确定选用两级放大结构。对于一级放大来说，其 频率特性较好，只存在一个主极点，无需补偿即能稳定工作，但是它们的增益被 限制在输入对管的跨导与输出阻抗的乘积，一级放大要获得高增益必须采用共源 共栅结构，而共源共栅结构在很大程度上限制了输出摆幅。故在这里采用两级运 放，这样把增益和摆幅的要求分开处理，第一级提供高增益，第二级除提高增益 外还提供大摆幅。另一方面采用两级运放也存在缺陷，因为它的每一级增益在开 环传输函数中会引入至少一个极点，在反馈系统中将存在稳定性问题，因而需要 对其进行频率补偿。同时两级运放相对于一级运放来说将且有更大的延时，速度 更慢一些。在本设计中，为了满足设计指标，我们仍采用两级运放的结构。具体 的电路图如图3 1 4 所示。 lj罂璺jllf 图3 1 4 误差放大器电路图 下面是对运放结构的一些说明： 由于运放1 的输入共模电压为1 7 5 m v ，故采用的差分跨导级结构不能以n 管为 输入管，而只能采用p 管。否