（微电子学与固体电子学专业论文）白光led驱动电路的研究及其电路的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 白光l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 摘要 伴随着半导体材料的发展，白 光 l e d成为 许多 领域照明的 首选器件。由 于 便 携式应用对白 光l e d亮度均匀性的要求， 以 及白 光l e d自 身的正向 导通电 压 大、 电 学参数离散性大、 容易受 温度影响等特点， 需要设计专门的电 源管理芯片 来驱动白光 l e d .本文分析了四种最常用的白光 l e d驱动模式的基本原理，包 括 ( 1 ) 恒压输出 加镇流电 阻的 并联驱动方式， ( 2 ) 单 恒流源加镇流电 阻的并联驱动 方式，( 3 ) 多路恒流源的并联驱动方式， ( 4 ) 电 感升压的串 联驱动方式。 本次课题 的目 的就 是要研究能 够用于白 光l e d驱动的第 ( 1 ) 种电 源管理方式，并设计 其主 要的模拟电路模块。 经过 对开关电 容式恒压输出原理的 分析， 决定 采用电 荷泵加 控制电 路的方 法 实现恒压源驱动并联 l e d的结构， 这是一个 d c - d c的电源管理模式。 由于传统 开关电容式 d c - d c中的电荷泵多采用 2 倍的升压方式，这在以铿电池为电源的 应用中 ( 电 源电 压为2 . 7 v -5 . 5 v ) ，电 源的转换效 率是很低的。 针对这个缺点， 论文中提出了利用分数增益电荷泵的多增益特点实现高效率开关电容式 d c - d c 转 换的设 计方 案。该 方案改进了 传统开关电 容式d c - d c只反馈 输出电 压给控 制 电路的单反馈模式， 将输入电压和输出电压都反馈给控制电路， 通过对输入电压 的 采样，决定电 荷泵工作的增益，通 过对输出 的采 样， 决定电荷 泵的 工作 状态. 根据 这样的设计思 路， 完成了以 下一些设计任务: 1 .分 析了用 于开关电 容式d c - d c 的电 荷泵原理， 对分 数增益电 荷泵进 行了 较为 仔细的 研究， 设 计了 一个可以 实 现7 种增益的1 4 个开 关管 的电荷泵电 路， 对电 路的功能 和性能进 行了 仿真。 2 .将1 4 管电 荷泵简化为4 管电 荷泵电 路， 为 使电 荷泵正常工作， 设 计 了给电 荷 泵的p m o s 开关管 提供背栅压的电 路。 针 对电 荷泵中使 用 的 都是大 宽长比 的m o s 管， 为 节省面积 保证性能， 将其设 计为蛇形 栅 平面结 构。 另外， 还设计3 - b i t a d c电 路。 这些电路 都在 华润上 华 科技 ( 无锡)有限公司的6 s 0 6 d p d m- c 丁 0 2 标准 c mo s工艺下进行 了 流片。 并对芯片 进行了 仔细的 测试， 得到了 令人满 意的 测试结果。 3 .设计了d c - d c电 路所需要的其它 模拟电 路 模块， 提出了d c - d c 数 字控制电 路的 设计流程，以及 输入电 压和 输出电 压的采样方案。 浙江大学硕士学位论文 白光 l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s , w h it e l e d s a r e m a in s e l e c t i o n o f i l l u m i n a t i n g d e v i c e s . c o n s i d e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f w h i t e l e d s a n d n e c e s s i t y o f u n i f o r m b r i g h t n e s s i n p o r ta b l e f i e l d , t h e y n e e d t o b e d r i v e n b y s p e c i a l p o w e r m a n a g e m e n t c i r c u i t s . i n t h i s p a p e r , w e a n a l y z e d b as i c t h e o r i e s o f f o u r k i n d s o f w h i t e l e d d ri v e r . p u r p o s e o f t h i s p r o j e c t i s s t u d y i n g a k i n d o f d r i v e r w i t h c o n s t a n t o u t p u t v o l t a g e c a l l e d d c - d c c o n v e r t e r , a n d d e s i g n i n g m a i n a n a l o g c i r c u i t s o f i t . h a v i n g a n a l y z e d t h e o ry o f s w it c h e d - c a p a c i t o r d c - d c c o n v e r t e r s , w e n e e d t o d e s i g n a c h a r g e p u m p a n d i t s c o n t r o l c i r c u i t s t o r e a l i z e t h e m a t l e a s t . i n t h e c o n v e n t i o n a l c o n v e rt e r s , t h e r e i s a v o l t a g e d o u b l e r . a p p l y i n g a d o u b l e r t o a c o n v e rt e r s u p p l i e d b y l i t h i u m i o n b a tt e ry w i t h v o l t a g e o f 2 . 7 v t o 5 . 5 v , t r a n s f o r m a t i o n e ff i c i e n c y o f p o w e r i s p r e t t y l o w . s o w e p r o p o s e d a d c - d c c o n v e r t e r s w i t h n e w s t r u c t u r e c o m p r i s e d b y a fr a c t i o n a l c h a r g e p u m p , a d c , c o m p a r a t o r a n d o t h e r c i r c u i t s . n e w s t r u c t u r e h as t w o f e e d b a c k p a t h s t o s a m p l e i n p u t v o l t a g e a n d o u t p u t v o l t a g e re s p e c t i v e l y i n s t e a d o f o n l y o n e p a t h s t o f e e d b a c k o u t p u t . we h a v e c o m p l e t e d t h e t a s k s as s h o w e d h e re a ft e r . a ) a n a l y z e d t h e o r i e s o f f r a c t io n a l c h a r g e p u m p t h o r o u g h l y , d e s i g n e d a fr a c t i o n a l c h a r g e p u m p w i t h 1 4 m o s t r a n s i s t o r s t h a t c a n a c h i e v e 7 g a i n s . b ) s i m p li f i e d t h e c h a r g e p u m p t o n e w o n e w i t h 4 m o s t r a n s i s t o r s . t o m a k e c h a r g e p u m p w o r k p r o p e r l y , d e s i g n e d a b u l k v o lt a g e g e n e r a t o r t h a t s u p p ly t o b u l k o f p m o s s u s e d i n c h a r g e p u m p . a l l m o s s u s e d i n c h a r g e p u m p i s w i t h a l a r g e v a lu e o f w几 . i n o r d e r t o g e t m o r e e f fi c i e n t a r e a a n d m o r e r o b u t n e s s o f c h a r g e p u m p , w e d e s i g n e d t h e m as b e n t - g a t e m o s s . a 3 - b i t a d c a n d a c o m p a r a t o r w e r e a l s o d e s i g n e d . a l l t h e s e c i r c u i t s w e r e t a p e d o u t i n c s m c t e c h n o l o g i e s c o r p o r a t i o n . a n d w e g o t s a t i s f y i n g t e s t i n g r e s u l t s . c ) d e s i g n e d s o m e o th e r a n a l o g c i r c u i t s n e e d e d i n d c - d c c o n v e rt e r . p r o p o s e d a d e s i g n fl o w o f d i g i t a l c o n t r o l c i r c u i t a n d s a m p l i n g w a y s o f i n p u t a n d o u t p u t v o l t a g e s 浙江大学硕士学位论文白光l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 蟹 - 雀启 介台 j 月 7.月 -口 幼m 1 . 1白 光l e d带动新的产业革命 一 半导体发光材料的 发展 发 光 二 极 管 ( l e d : l ig h t e m itt in g d io d ) 是p /n 结 型 半 导 体 ， 它 具 有 小 型 、 抗展、 坚固、 寿命长、 不易 发热、 低耗电 量且功能稳定等特性。虽 然目 前 l e d 发光效 率还很 低， 但随着国内 外 研究 机构的不断努力， 其发光效率 不断的在提升。 l e d使用的材料全部都是化合 物半导体，半导体发光 材料的发 展大致经历了下 面的三个阶段: 以硅材料为代表的 第一代半导 体材料的发展是从2 0 世纪5 0 年代开 始的，目 前硅材料仍然是电 子信息产 业最主要的 半导 体器件材料， 但是硅材 料带隙 ( 禁带 ) 较窄 和击穿电压较低等物理属性的特点限制了 其在光电 子领 域和高 频高功 率器 件方面的应用。 2 0 世纪9 0 年代以 来，随 着无 线通信的 飞速发展和以 光纤 通信为基 础的 信息 高速公路与互联网的兴起，以 砷化稼 ( g a a s ) 和磷化 锢( i n p ) 为代表的 第二代半导 体材料开始崭盆头角。目 前g a a s 几 乎垄断了 手机制 造中的 功放器件 市场. 第 三代 半导 体 材 料 的 兴 起 ， 是以g a n (氮 化 稼 ) 材 料p 型 掺 杂 的 突 破 为 起 点 ， 以 高亮 度蓝光发 光二 极管( l e d ) 和蓝光傲 光器的 研制成功为标志的. g a n半导体 材料的 商业应用研究开 始于 1 9 7 0 年，其 在高 频和高温条件下能够 激发蓝光的独 特性 质， 从一 开始就吸引了 半导 体开发 人员的 极大兴趣。 但是g a n的生长技 术 和器件制造工艺 直到 近几年才取得了 商业应用的 实质进步和突破。 l e d使用的 半导体是在单晶衬底上利用外延生长方式合成为单晶薄膜。 外延生长方式因材料 状 态不 同， 可 分 为 液 相生 长法 (l p e : l iq u id p h a s e e p ita x y ) 、 气 相 生 长 法 ( v p e : v a p o u r p h a s e e p it a x y ) 、 分 子 束生 长 法 (m b e : m o l e c u la r p h a s e e p ita x y ) v 三 大 类 ， 其中气相生长技术的进步 成为l e d性能 快速改善的主要原因之 一 图1 - 1 是原日 本日 亚 公司研究员中 村修二开发的g 而白光l e d灯寿命却可以达到 1 0万小时。 氮化稼基白光 l e d照明另外一个突出的优点就是环保.只用 3伏的直流电 压保证其没有电 磁千扰， 同时 寿命长又保证少产生废物， 不像日 光灯点 亮后会产 生汞蒸汽等污染物。除此之外，氮化嫁基白光 l e d照明光源体积小、重量轻、 方向 性好， 并可耐各种恶 劣条件， 比如 可以 泡放在水中 等。 这些 优点使它足以 对 传统光源市场造成巨大冲击。 单是我国 台湾地区， 如果能够 用白 光 l e d取代传统光 源， 每年就能 够省 下 约一座核能电厂的电力。 三 新产业商机无限 据 美国 市 场 调 研 公 司s tra fe 乡 e s u n 1i1n :t e d 的 分 析 数 据，2 0 0 1 年 世 界g a nt 器 件 市场销售额接近7 亿美元， 属于发展期。而 据该公 司预测，即 使最保守发展， 2 0 0 9 年世界g a n器件市场 也要达到4 8 亿美元的销 售额。 虽然白 光 l e d在照明 领域还没 有完全能 够从 商用转为民 用， 但 其在 手持 便 携式设备背光照明、 电 子 仪表显示照明方 面， 己 经显示出巨大的 市 场潜力。 尤其 在手机和p d a等低电 源 应用领域中， 用户对背光和显示 色彩的 要求 越来 越高. 过 去电 致 发 光 (e l )和 冷 阴 极 荧 光 管 ( c c f t : c o ld c a th o d e f lu o re s c e n t t u b e )被 广 泛 用 于产生白 光光谱， 但这两 种方式需要高压 驱动， 这在手机和p d a应用中 显然是 不 利的。因 此， 结构非常紧凑的白 光l e d正好满足了 其 对体 积和功耗的苛 刻要 弟一章 前言3 浙江大学硕士学位论文 白光 l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 求，成为理想的低成本方案。 氮化稼基白光 l e d照明如此优越的性能及其所能够带来的巨大市场早己经 让掌握l e d技术的 半导体公司馋涎欲 滴。 据了 解，目 前， 世界 上掌 握l e d技术 的半导体公司都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟， 如美国惠普公司联合了日本日 亚和德国西门 子; 美国克 雷公司、 德国 西门子又和奥 斯林联合;美国e m c o r e 公司和通用公司联合等。 对 此感兴 趣的不 仅仅是各大公司， 还有各国 政府。目 前， 美、日、 欧盟皆由 官方成立专案，编列预算与计划推行白光l e d照明。日 本有关部门在 “ 2 1 世纪 光计划”中提出，日本将在 2 0 0 6 年底完成用白光 l e d照明替代 5 0 %的传统照 明转变; 美国的国 家半导体照明计 划则是从2 0 0 0 年到2 0 1 0 年， 其 计划耗资将达 到5 亿美元: 欧盟的 彩虹计划也于2 0 0 0 年7 月启 动， 其计划是通过欧洲共同体 的补助金来推广白光l e d的应用。 尽管目 前 各国都已 经有自己 的计划， 而且有很多公司已 经介入， 但目 前涉足 氮化稼基( c a n ) 白光 l e d 的企业基本还处于产品研发阶段。正是技术上的不成 熟， 使各企业在消化 柯达公司和剑桥c d t公司的 专利技术授权方 面的进 度大致 相同。 谁能够在发光材料的研制和器件的制造工艺方面率先取得突破， 谁就有可 能 在行业取 得一定的 主导地位。 从目 前情况 来 看， 我们与国 外只有2 -3 年的差 距，如果从现在开始抓紧，我们在光电子领域就一定能够有所作为. 目 前我国 对这一新兴领域的发 展非常重视。 z n s e 基 蓝绿 光激光器材料与器件 在 “ 七五” 和 “ 八五” 期间 就得到了“ 8 6 3 ”计 划、 “ 攀 登计划” 、国 家自 然科学 基金及其它基金的多 方面支持;聚 合物蓝光材料和l e d已 被列为国 家自 然科学 荃金 “ 九五” 重点 项目 ; g a n基 蓝光材料得到了 “ 8 6 3 ” 计划和自 然科学基金的重 点 支持: s i c 材料得到了国家自 然科学基金的支持。国 家 “ 攀登” 计划和国 家自 然科学基金还支持了其它一些蓝光材料的基础研究。 然而上述努力还远 远不 够， 落后于世界产业发展步 伐给我们的教训己 经足够 深刻。 正是由 于 我们没能在微电 子发展早期 及时 进入， 结果我们在以 后的发展中 缺乏核心技术和竞争力， 这直接导致我国失去了 在微电 子领域的发 展机会。 因此， 我国 氮化稼基 l e d的发展 还需要国 家从战略的高度出 发， 对其发展专门 进行立 第 一 章前 言 浙江大学硕士学位论文曰光 l e d驱动电路的研究及其子电路的议计 项，以使我国氮化惊基l e d能够在未来的 世界产业发展中争 取足够的发 言权。 1 .2白光l e d概述 1 .2 . 1白光 l e d原理 一 l e d发光机理 g a n系白 光 l e d属于异 质结注入发 光。 采用异质结的目 的 就是为了 提高 载 流 子 注 入 效 率 ， 图1 挤 (a ) 表 示 未 加 偏 置 时 的 异 质 结 能 级 图 ， 对 电 子 和 空 穴 具 有 不 同 高度的 势垒。 图1 - 2 ( b ) 表示加正向 偏置后， 这 两个势垒均减小。 但空 穴的势垒 小 得多， 而且空穴不断从p 区向n 区扩散， 得到高的 注入效率。 n区的电 子注入 f区的速率却较小。 这样 n 区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出 ha 寿。 00 00 00 ( a ) 不加 偏置时的 异质结能带图( b ) 加正向 偏置时异 质结能带图 图 1 - 2 l e d 发光原理 由n 型半导体能 隙所决定的 辐射. 由 于f 区的能隙大， 光 辐射无法 把电 子激发到 导 带， 因 此不发生光的 吸收， 从而可直接 透射出 发光二极管 外， 减少了 光能的损 失。 发光二极管与半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注 入的载流子转变成光子， 辐射出光。 一般半导体二极管注入的载流子构成正向电 流， 在同质结界面结 构中， 电子 在半导体的导带内流 动很顺利， 同 样空穴 在价带 中流动也很顺畅， 两者 之间因为没 有较大的能带差， 使得电 子与 空穴相遇、 复 合 产生光子的概率很低.在图 1 - 1的 l e d结构中，采用了双异质结结构，中间发 光层的能隙高 度小 于两边束缚 层的能隙高 度， 如此以 来大大改 誉了发 光层的电 子 与空穴的局限效果， 提高了发光 效率。 第一章 价言 浙江大学硕士学位论文 白光l d驱动电路的研究及其子电路的设计 二 白光l e d产生方式 目 前一 般所使用的白 光 l e d生产技术， 主要可分为 单晶型 和多晶型两种， 各技术特征简述如表 1 中所示: 表 1 白光 l e d的发光方式 方式 m a t 粗 、原 彝 攀 擎 绮 策 先 湘 白 淤 端 式 蓝色l e d i i n g a n i y a g黄色荧光体 以蓝色激发发黄光之 荧光 体 单晶型 紫外光( u v ) l e d i n g a n / r g b三波长荧光 体 以u v激发 r g b荧光 体 红色/ 蓝色/ 绿色 i nga n, al i n ga p, al ga as t f d 组合红、绿、蓝三原 色 l e d 多晶型 蓝绿色/ 唬拍色 i n g a n , a l l n g a p , g a p i组合互补两色 l e d led 资 料来源: i t i s ( 2 0 0 2 / 4 ) . (-)单晶型 ( l ) 蓝色l e d +发 黄光的 荧光粉 其原 理是 利用发 黄光系列的忆铝石榴石荧光 粉 ( y t t ri u m a l u m i n u m g a r n e t , y a g ) 收到蓝色l e d照射后会发出黄光，经与未 被吸 收的蓝光馄合 后，即 可产 生被肉眼 视为白 色的光。 这是目 前 最为主要的 生产方式， 因为其结构与 驱动电 路 设计 较为 简单，生产容易， 且没有多晶型生产方式 普遍存在的各个l e d晶 粒的 光衰减率、温度特性和寿命有差异的缺陷，但是其发 光效率较低， 约为 1 5 2 0 1 m / w ，且在高电 流 操作下， 色温升高的问 题较为 严重 ( 2 ) 紫外光l e d 十发红、蓝、 绿光的荧光粉 这种发光原 理和荧 光灯的 发光原理相似，利用紫外 光或近紫外光激发 r g b 三色荧光粉， 产生r g b 三 元色的 光混合产生白 光. 其发 光光谱和蓝色l e d + y a g 相比妥宽的多， 而且可以 利用荧光体的组 合， 发出白 光以外的各种 发光色， 但是 6第一章 前言 浙江大字硕士学位论文 白光l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 紫外光转换为黄绿 光的 过程中， 能量损失比 蓝光的要大， 因 此发光效率要略逊一 筹。 另外， 单晶型最新的技术动向是改变活性层的性质， 利用三种单纯的活性层 半导体 产生r g b三色 光， 进而直接 产生白 光效果， 所使用的发光 材料是i n g a n 多量子阱结构。 口多晶型 ( 1 ) 红色 l e d+蓝色l e d 十绿色 l e d 通过将电 流控 制在 适当的 输出功 率比 下， 可将红 ( a l g a a s ) 蓝 ( i n g a n ) 绿 ( a l i n g a p ) 三元 色的l e d 所发出 的光混合 成白 光， 并可通 过电 流加以 控制调整 其频谱特性， 具有较高的发光 效率且色温易 调整的 优点， 但是它 要使用三颗l e d 晶粒，且个别晶粒材质差异很大，因此在驱动电路设计上较为复杂，整体生产成 本较高。 ( 2 ) 蓝绿色 l e d+玻拍色l e d 美国g e n t e x c o r p o r a t i o n 利用i n g a n蓝绿 光l e d 和i n a l g a p 琉泊色l e d的 互 补 色 关 系 生 产 互 补 色 白 光 ( b in a ry c o m p le m e n ta ry w h ite l e d ; b c w l e d ) , 几乎与以三元色 l e d棍合成的白光 l e d具有相同的特性， 但是其演色系数( r a ) 较低。 4 -7 1 1 .2 . 2白光l e d特性 一 离散的电学 特性 现在市 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， 因 为其 驱动电 路简单。 而单晶 型白 光l e d采用发光晶粒为 蓝光、紫 外或近紫外光发光 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 压降 v f 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 v - 2 v左右。 而 蓝 白 光l e d在正向电 流为2 0 m a的情况下， 正向电 压v f 一般在3 v -4 v之间。 不 仅如此在同一it向电压下， 流过蓝白光l e d的电流也有很大的离数性.图 t _ 3 中是从 两个白 光l e d生产 商产品 中各取 三个样品进行 测试的i n 曲 线 8 l 。 从图 中结果 看，如果 采用单一电 压驱动这 样的 六颗 l e d ， 将 造成 正向电 流从 l o m a 菜一章 前言下 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文白光l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 到4 3 n a的差异。 s o， 加 口 . . . 口 . . . . . . ， . . 弱书 - -一一 ， - - 斗 . - 一- -卜 一-一 一 一 州阵-，卜 - 叫 阵 -一-一- -禅 一一 日-4 动福 . -. - 小 - - -卜- . 刁 卜- . 子 -. - , t - 备 . . 一 侧 . 玉 j. -. 一盖 舀j ， 3 d十 一一 一一 -一斗 一- 一 - 云的奉一一- -斗-一- 月 霓 器i 一 -. 一 一 斗 一 一 - 卜 州 - ， 甲 闷卜 声 - ， .二 今 ， 盖 - -侧 仁 - 石 加咋 -. 一 用 川 卜- ， 户本” 叫创盆 门声户分 明户日一 r 95 布 ，的御.州， . 4. .1. .i. l - j 0子 一 一 一 一 二 书 一 一 一一一 2 名冬 刀念 二3 月3 方s 分4 力 f a r wa f d 丫 曰峨d e m v / 训) if/ / / i / 口 产 一 / ! ， ， ， 卜 / 月) / 户 / j v ， 二 . 一 。 ， /乙 多 -t 扭勿 m l e d . i . b , 即侧 a r 二 rw m am l e n 台 。 旧 白.侧 . ， 之 /一 i ， 。 _ ， 才 续沂r - : 一 ” : 气 奋 钾 .阵 ， ， . 图 1 - 3 不同白光 l e d的正向i n 曲线 二 温度对白 光 l e d工作状态的影响 ( ) 温度对白 光l e d正向电 压的 影响 图 1 - 4是白光 l e d理想状态下的正向伏安特性曲线，l e d伏安特性的数学 模型可以表示为: 、 = 、 一 。 十 %)(， 一 2 5讣 式 ，一， 其中， v t ,t ,。是l e d的启动电压， r s 表示 伏安曲 线的 斜率， i f 表示l e d的 正向 电流， t环境 温度， a v f / e t 是l e d正向电 压的 温度系数， 对于 大多数l e d 而 言 ， 它的 典 型 值为 一 2 v / c o 9 ) 从l e d的伏安曲线 及数学模型看， 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 素也将改 变影响 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，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 l e d电 流的 第一章 前合 浙江大字4 j , y 字位沱义 。光比d9 e 动电路的, o .儿jx升子- c 而 h咬汀 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。 ( m闪 u t v l 比0 正向 伏安特性 图 1 - 4 理想状态下，白光 l e d的正向i n 特性 口温 度对白 光l e d正向电流的影响 白光 l e d的正向电流的大小也是随温度变化而变化的，图 1 - 5是日亚公司 提 供的常 用白 光l e d的 允许正问电 流随 温度的 变化曲 线 8 。当 环境温度一旦超 过5 0 c ，白 光l e d的 容许正向电 流会大幅度降 低， 在 此情况下如果仍旧 施加大 弓 4 o r . . . . ， . . . . . 尸 . . . ， . -. e _11一i 鬓 3 d 广 n 矿寸寸川 l ) i i入!1 暮 2 。 卜卞丫丈寸川 . _ 1 ! 星 i u 卜一卜一卜一卜人犷州 诱61 i i!1 、1 e !1 1! 任f . 吕. : 1 i . i i公 t s 二u . . . . . . . . . . . . . . . ._ 、o : a 4 0 6 q w 1 1 1 0 人 m b ic n t t c m p c ra t u r c t a t) n l 图1 - 5 白 光l e d正同 电流随 温度的变 化曲线 贫一聋 伫言 d u _ 人罕朽工宇位论又白光l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 电流，很容易造成白光l e d老化。 本章小结 本章从多个角度介绍了白 光 l e d产业兴起的前提和原因，指出了其给照明 产业带来的划时代意 义和其不可估量的商 业价 值， 以 及国家 优先发 展与此相关科 研的必要性。 本章还从物理学的角度对白光 l e d的原理及其特性做了科普性的介绍。 参考文献 1 ) s . p . d e n b a a r s . g a l l i u m - n i t r id e - b a s e d m a t e r i a l s f o r b l u e t o u l t r a v i o l e t 即 t o e l e c t r o n i c s d e v i c e s . p r o c . i e e e , v o l . 8 5 , n o . 1 0 , p p . 1 7 4 0 - 1 7 4 9 , 1 9 9 7 . 2 尹 长安， 赵成久等. 白 光l e d 的 最新进展. 发 光学报， 2 0 0 0 , 2 1 ( 4 ) : 3 8 0 - 3 8 2 闭李 忠辉， 丁晓民 等.高亮 度i n g a n 基白 光 l e d 特性 研究. 红外与毫米波学报， 2 0 0 2 , 2 1 ( 5 ):3 9 0 - 3 9 2 4 j y u 凡s o n g , c h a n g - s u b wo n , h y u a n g k e u n a l m e t a l . t h e s t u d y o n o p t i m a l d e s i g n a n d o p t i c a l p r o p e r t i e s o f l e d mo d u l e f o r f u l l - c o l o r d i s p l a y s . p r o c . t h e 5 h in t e rn a ti o n a l c o n fe r e n c e o n p ro p e rt ie s a n d a p p li c a t io n s o f d ie le c tr ic m a te ri a l s , ma y 2 5 - 3 0 , s e o u l , k o re a , v o l . 2 , p p . 9 5 6 - 9 5 9 , 1 9 9 7 . 5 ) j . k . s h e u , s . j . c h a n g , c . h . k u o e t a l . w h i t e - l i g h t e m is s i o n f r o m n e a r u v i n g a v - g a y l e d c h ip p r e c o a t e d w i t h b l u e / g r e e n / r e d p h o s p h o r s正e e p h o to n ic s t e c h n o lo g y l e t te r s , v o l. 1 5 , n o .l , 即. 1 8 - 2 0 , 2 0 0 3 . 6 a p p . n o t e : c o n t r a s t e n h a n c e m e n t t e c h n i q u e s f o r l e d d i s p l a y s . a g i l e n t t e c h n o l o g i e s , i n c . , 1 9 9 9 . 7 p a u l s . m a rt i n , j . b h a t , c . h . c h e n , e t a l . h i g h p o w e r w h i t e l e d t e c h n o l o gy f o r s o l i d s t a t e l i g h t i n g . l u m i l e d s l i g h t i n g l l c c o m p a n y . 8 a p p . n o t e : 白色l e d 的恒流 驱动 h t t p :/ / w w w . m a x i m - i c . c o m . c n . 1 9 ) 4a 逢 康 . l e nl 动电 路 技 术 概 述 . h t tn :/w w w .y e 2 0 0 0 .c o m j a第一章 前言 枷江火字嵌r字位论又白光l 石 d驱动电踢的+ h 5 1 .仄八子 f .菇即 x汁 第二章白光l e d驱动方式 2 . 1为什么要开发白光l e d驱动芯片 前言中， 我们介绍了白 光l e d的电学 特性具有很大的 离散性，而且 其电 学 参数的 温度特性也很不 稳定。 白光l e d的发光辉度 油驱动电 流决定， 当l e d两 端的电 压发生 波动， 驱动电 流就 等比 的产生波动 从而影响l e d的 发光辉 度， 造 成其发光质量下降。 i l l 目 前， l e d照明 的应用主要 集中 在两个方向 上，一 个是 低亮度应用 场合， 包 括手机、 p d a等小型 便携式电 子 产品的 背光照明，电 子仪表的 照明等。 另一 个是 需要高 亮度照明的 应用场合， 包括大 平面 液晶的 背光照明、 汽车用照明、 家 用及户外照明等，对于这种大 功率的照明应用 场合， l e d在功耗和寿命上 面的 优势很明显。 一 低亮度 l e d应用 随 着近几年移动电话、 p d a等 便携式电 子产品的 液晶显 示屏从黑白 背景换 成了 彩色背景， 要显示色彩丰畜 逼真的图像，就 必须放弃有色l e d作为 液晶 背 光照明的方案，而采用白光 l e d照明方案。一个完整的背光照明方案，最基本 的要 求是l e d发光亮 度的 稳定.以 及 在整个背景屏 幕上亮度均匀. 但是l e d的应用 环境却 给稳定的l e d发 光提出了 各种各 样的挑战。 拿手机 应用 来讲， 首先， 电 池的电压不 是固定的， 在一定时 段内 ， 它是直 流电 源， 但电 池电 源供电 要求 在 2 . 7 v - 5 . 5 v内，电 路都能 够正 常工作，这 样大的变化范围 工 作， 电源又是不稳定的。 我们不希望使用的手机亮度会随使用时间的延长而发生 很明显的降低。 其次， 手机中存在各种各样的数字信号， 对模拟信号的千扰太大。 这些数字信号有来 自 麦克风和耳机的音频信号， 有来自 基带部分的高频信号， 又 有来自 射频模块的 射频信号， 这 些信号即便在很好 屏蔽措施下， 还是 会对手机内 模 拟 信 号 产 生 很 大 的电 磁 千 扰 ( e m i : e le c tr o m a g n e tic in t e r f e r e n c e ) 。 面 对 如 此 宽 范围 变化的电 源电 压和很大e m i 情况 下的 应用环境， 再加上白 光l e d本身对正 向 电 压 ( 3 .6 v ) 和正 向 电 流 ( 2 0 m a 左 右 ) 的 苛 刻 要 求 ， 很 需 要 一 个 能 够 给白 光l e d 提供稳定的输出电压或电流的驱动电路. 第二章 之光l e d驼动方式1 1 浙江大学硕士学位论文白光l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 二 高亮度应用 一种实现高亮度的 方式是采用单个高功率大晶粒的 l e d 。 最有代表性的 是 l u mi l e d s 的产品，最大驱动电流可以达到 1 a，一般使用的驱动电流为4 0 0 ma - 5 0 0 n a , 输出 光量可 达 1 8 1 m / w ， 最大可达3 0 1 m / w ， 晶粒 制作 尺寸为1 m mx l m m. 这种单晶粒l e d结构的好处是可以得到较高的亮度， 而且体积可以缩减到最小， 光点集中， 有利于光学设计。 但是要得到单个大颗晶粒很难， 材料生长工艺要求 很 复杂， 因此成本很高， 而且单个大晶 粒使用大电 流驱动使晶 粒 温度大幅 度升高， 这对 l e d亮度的提高反而不利。另一种结构是为了得到较高的光源，采用 l e d 矩阵，每颗 l e d采用较小颗粒的晶粒，单颗晶粒采用 2 0 m a电流驱动，这样既 可以 保证 l e d亮度稳定，又可以 保证比 较高的 光源亮度。但是 多颗晶 粒构成的 矩阵使光源面积变大， 因 此没 有了l e d体积小的 特点。 仪 高亮度的白光 l e d 一般都需要大于 2 0 0 ma的驱动电流，其应用和低亮度 l e d应用类似，都要专门的电源管理驱动芯片。 2 .2白 光l e d驱动方式 根据前面对白 光 l e d的特性分 析和背 光照明 应用时 对光源的 要求， 都需要 对白光 l e d进行专门的电源管理。 目 前，白 色 l e d驱动电 路按照负载连接方式分为:并联型、串 联型和串 并 混联型:从提供驱动源的类型分为:电压驱动型和电流驱动型。通常白光 l e d 的 驱动分类是结合上面两种 分类， 分为四 种常用的电 源驱动方式， 1 ) 电 压 源加镇 流电 阻; 2 ) e p , 流源加镇流电阻; 3 ) 多 路电 流源; 4 ) 磁升 压方式驱动串 联l e d . 3 ) 2 .2 . 1电压源加镇流电阻驱动方式 该驱动类型如图 2 - 1 所示，电路用稳压源配合镇流电阻控制 l e d 的电流， 这种结构的优点是选择电压源的余地很大，提供一定电压给白光 l e d而不需考 虑其正向电 压。 驱动芯片与l e d之间 只需要一个连接端点， 外围 储能元件只需 要若干电容就可以从 2 . 7 v -5 v的输入电压得到稳定的5 v输出电压，完全不需 要电 感， 使整个应用电 路所占 体积 很小， 非常 适用于 轻便微型需要节省电路 板面 积的应用场合 ( 如， 手机应用) 。另 外，由 于它不需要使用电 感关系，也就 没有 第二章 白光 l e d驱动方式 浙江大学硕士学位论文 白光 l e d驱动电路的研究及其子电路的设计 一般电压转换器最头痛的线圈引入的噪声问题，电磁干扰问题也就不存在了。 图2 - 1电 压 源加镇流电阻驱 动模式 然而这种驱动方式的缺点也很明显，第一，虽然它可以提供一个比其正向电 压大的恒定电压给白光 l e d提供正向驱动， 但对白光 l e d而言， 其正向电压很 大的离散性，也造成了白光 l e d亮度不一致的情形。第二，由于铿电池利用电 荷泵升压最多采用倍压方式， 也就是 说对铿电 池而言， 假设其电 压为4 v ， 若使 用电荷 泵倍压，在没有 稳压的 情形下， 其输出电 压 应为8 v ,而为了 得到稳定的 5 v输出电 压， 需要 牺牲掉多 出来的电 压， 这种工作 方式就造成了 此方式输入电 压越高，电源转换 效率越低的主要原因。另外，镇流电阻的存在也是造成该方 式效率低的一个原因，而且，它对 l e d正向电流的控制也不是很精确。 图2 - 2 简单电荷 泵电 压 源原 理图( a p p . n o t e : a i c 1 8 4 5 ) 图2 - 2 是一个利用开关电容电 荷泵 结构实现5 v稳 压的电 压 源原 理图 工 习 ， 从 图中电荷泵的工作方式可以看出其工作在倍压方式下，电路通过对输出电压 第二章 白光l e d驱动方式 e %1 江 大 于 砍 二 字 但 化 x 。尤l e i)驱动电; b a 幼5 i 从兵于+8的议:r v o u t 分 压得到一反馈电压v fb与v r e 比较的结 果判断输出