（微电子学与固体电子学专业论文）升压型大功率led驱动芯片的研究与设计.pdf

摘要 大功率l e d ( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ) 是新一代的光源，也称作“绿色光源”， 以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点正在逐渐取代传统的白炽灯、 荧光灯成为新一代照明光源。由于大功率l e d 自身的特性，需要专用的驱动电 路。所以，针对大功率l e d 驱动电路的研究设计有很重要的意义。 论文研究了大功率l e d 的发光原理、发光特性及伏安特性。分析了当前用 于l e d 驱动的电阻限流电路，串联和并联线性调节电路及开关电源电路。研究 了开关电源的基本理论，包括四种拓扑结构、p w m 电压控制模式和p w m 电流 控制模式。接下来阐述了本次设计的升压变换器的系统结构组成、工作原理和引 脚功能。分析了峰值电流模式变换器工作于电感电流连续工作模式( c c m ) 且 占空比大于5 0 时存在的开环不稳定问题，针对常规的斜坡补偿方式所存在的缺 陷，提出了一种补偿量自动适应输入输出电压变化的斜坡补偿电路。利用基本建 模法建立了c c m 下变换器主电路的小信号模型，得到系统传递函数。还结合控 制理论设计补偿网络，保证系统足够的相位裕度，提高系统的稳定性。 本文设计了一款升压型大功率l e d 恒流驱动芯片。芯片采用电流模脉宽调 制控制方案，并且设计了动态斜坡补偿电路以消除电流控制模式变换器中开环不 稳定的缺点。芯片采用内置的软启动电路，避免了启动过程的大电流。此外，芯 片还具有欠压保护、过压保护、过温保护等功能以及关断工作模式。芯片采用华 宏n e c ( 删n e c ) 0 3 5 微米b c d 工艺，电源电压范围为8 v 0 3 0 v ，输出最大负 载电流达1 a ，可恒流驱动l w 3 w 的多颗串联大功率l e d 。利用工艺参数的 s p e c 们模型在c a d e n c e 中进行模块及系统仿真，仿真结果表明电路功能和性能 指标均己达到设计要求。 关键词：开关电源大功率l e d 斜坡补偿脉宽调制峰值电流模式 a b s t r a c t h i g hp o w e rl e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) i san e wg e n e l ? a t i o no f h i g h p o w e rl i g h t s o u r c e ，a l s ok n o w n 嬲t h e “g r e e nl i g h t ：a n d ti sg 刚u a l l yr e p l a c i n gi n c a n d e s c e n ta n d f l u o r e s c e n cl i g h t m gd u et o 祗u n 码u ea t 仃弛u t e ss 啦ha sh i 曲e m ci e 眦y b we 他r 科 c o n s u m p t i o n ，b wp o l l u t i o n ，l o n gl i f ea n dh i g hr e i i a b i l i t y c o n s 订e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fh i 曲p o w e rl e d ，t h e yn e e dt ob ed r i v eb ys p e c i a lc 沁u 酞s o ，i th a st h ev c r yv i 诅l s i g n i f i c a n c et o 佗s e a r c ha n dd e s i g nt h ed r i v i n gc h u to f h i g hp o w e r l e d t h et h e s i sr e s e a r c h e dt h ep r i n c i p l eo f 字m r a t m gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi u m i n o u s f i u xc u r v ea 耐i vc u r v eo fh i 曲p o w e rl e d t l l es e r i e s c o n m c t e d 陀s i s t o rc 沁u 沁 s e r i e sl i n e a r 陀g u l a t o rc i r u 吒p a r a l l e ll i n e a rr e g u h t o rc i i u i ta n ds w 沁h i n gp o w e r s u p p l yc h u i ta r ea m l y z e d t h e n ，t h es w 沁h i n gp o w c rs 叩p l y sb a s i ck w m g cb r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n g 旬u rt y p e s t o p o b g ys 仃u c t u r e ，p w mv o h a g ec o n n o ln 的d ea n d p w mc u r r e n tc o m r o lm d d e n e x t ，d e s c r i b et h ed e s i 掣篙db o o s tc o n v e r 屯c r ss y s t e m s 竹u c t 潜，0 1 ) e m t b np r i i i c 够l ea n dp i n s 如m t b i la n a l y s i st h e 础l e m ss u c h a s i n s t a bi i i t yo f 叩e nb o pw h e nt h ep e a k - c w r e l m 脚d ec o n v e 他r sw o 永i n gi nc o n t i n u e d c o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) a n dt h ed u t yc y c l ei sm o r et h a n5 0 a c c o r d i n gt 0t h e d e f c c to f n 翟d i t i o m ls l o p ec o n 驴e n s a t i o n ，as e 峪a d a p t a b i es b pc o n 甲e n s a t i o nc k u i ti s p m p o s e d ，w h 0 c o n 驴e n s a t i o n a m o u n tv a r i e sw 曲i 印u ta 耐o u 印u tv o h g e a u t o m t h l l y t h es n n us i g m lm o d e lo ft h e i rm a i nc n u i t si nc c m i sd e r i v e db y b a s i cm o d e l i n gm e t h o da n dt m 璐凳rf u n c t i o n 西e s t a b l i s h e d f i m l l y ，t h e 丘q u e n c y c o n 驴e n s a t i o nc 讹u i tw a si n 仃o du c e d t og u a m m e et h ee n o u 曲p h a s cm a r g i na n d i m p r o v et h es t l b i l i t yo f t h es y s t e m a c h i pw h i c hi su s e di nt h eb o o s ta p p l i c a t i o nt 0d r i v eh i g h - p o w e rl e d w i t ha c o 璐t a mc 町e mi sp r o p o s e da n dd e s i g n e d mt h i sp 印e lt h ec h 币a d o 幽p w mp e a k c 瑚陀n t m ) d ec o m r o lc o n 甲e n s a t i o nc 砬u i t 瓷d e s i 伊di no r d e rt oo v e r c o m et t l e d i s a d v a m a g e so fc u 眦n tm 3 d ec o m i d ls h 船m s t a b i l i t yo fo p e n - b o p as o rs t 甜 c 沁u “w h i c hc o u l da v o i dt h el a r 萨c u 九n ti nc o u l s eo f s t a n i n gi sb u i l t i nc h i p b e s i d e ， b t so fp m t e c t i o nc h u 瓶a 陀i n t e g r a t e di nt h ec h 币，s i l c h 嬲u n d e rv o l t a g el o c k o 惦 o v e rv o l t a g ep m t e c t i o n ，t h e r m a ls h u 日o w n ，a n ds oon s y s t e ms h 砌o w nw a sa l s 0 i n t e g r a t e di n t ot h ec h 够i ti sd e s i g n e dw i t hh h n e co 3 5 p m b c d p r o c e s sw i t hi i p l i t v o h a 蓼m n 寥d 舶m8 vt o3 0 vm a x 蛐u mo m p u tb a dc r e m 叩t 01 a t h ec h i pc a n d r i v es c v e m l lw 3 wh i g hp o w e rl e d si ns e r i e sw i t hac o n s t a n td r i v i n gc w r e m s p e c 他s i m u l a t i o n sa r ed o n eo ne a c hc e l l a n dt h ew h o l es y s t e mi n c a d e n c e ， s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e 亿n c t i o na n dp e r i b r m a n c eo ft h ew h ol ech u i th a v e m e ta i lt h er e q u i r e n l e n t s 1 皿yw o r d s ： s 、v i 劬i n gp o w e rs 叩p l y ，h i g hp o w e rl e d ，s b pc o 呷e n s a t b 玛 p w m ，p e a k c u r r e n t - m o d e 第一章绪论 第一章绪论弟一早硒记 在电光源发展的一百多年来，光源照明电气已经经历了三个重要的发展阶 段，三个阶段的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，现在人 们普遍认为大功率照明l e d 是第四代光源。大功率l e d 作为第四代电光源，赋 有“绿色照明光源 之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、 响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯 而成为2 1 世纪的新一代光源【1 3 j 。普通l e d 功率一般为o 0 5 w ，工作电流为 2 0 m a 。一般来说，大功率l e d 的功率至少在1 w 以上，目前比较常见的有1 w 、 3 w 、5 w 、8 w 和l o w 。已经大批量应用的有1w 和3 wl e d ，而5 w 、8 w 和 1 0 w 的应用相对较少【4 】。l e d 在引发照明革命的同时，也为推动节能减排、环 境保护做出重大贡献。随着政府的大力推广和全球产业梯次转移，未来的景观照 明，将是l d 翩翩起舞的时代。 1 1 大功率l e d 的原理及特性 1 1 1 大功率l e d 的原理 l e d ( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ) 发光二极管是一种将电能转化为光能的半导体 固体器件。它的结构主要由p n 结芯片、电极和光学等系统组成。其基本工作原 避是个电光转换的过程j 如图1 1 所示，当一个正向偏压施加于p n 结两端， 由于p n 结势垒的降低，p 区的正电荷将向n 区扩散，n 区的电子也向p 区扩散， 同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子相对不 稳定，对于p n 结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其 中多余的能量将以光的形式辐射出去，电子和空穴的能量差越大，产生的光子能 量就越高。由于能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜 色就会不同。理论和实践证明，发光的波长和频率取决于选用的半导体材料的能 隙e g ，e 窑的单位为电子伏特( e v ) 。 e ：竺：竺 ( 1 1 ) 5 g幻 名：旦：竺) ( 1 2 ) = = i 聆脚ll 卜z ， q ege g ? ? 式中：人为发光波长；v 为电子的运动速度；h 为普朗克常数；q 为载流子 第一章绪论 所带的电荷；c 为光速。 二 2 秽一嚣一举意 一，二二，一一 ! 一 一j l _ 一 ：e rv v 发光 一一_ 多一i ，i ：，：i 了t _ 一 毒衣汪卜； 价带 】 帮j ) 1 7 n 区 结区p 区 图1 1l e d 发光原理示意图 1 1 2 大功率l e d 的特性 控制大功率l e d 的发光亮度，其实质就是控制它的输出光通量。如图1 2 ( a ) 所示为美国流明( l u m i l e d s ) 公司的1 w 大功率白光l e d ( l u x e o n t ms t a r ) 在常温 ( 2 5 0 c ) 下光通量m 与正向电流i f 的关系曲线。从图中可知，l e d 的发光亮度 与正向平均电流大小基本成正比关系，因此可以通过控制流过l e d 的正向电流 来控制其发光亮度。 。 一r o1 2 湖柏0 i 一a v e 翰9 e 内憎训q 删瞧) 图1 2 ( a ) l u 】e o n t ms t a r 在常温下光通量西与l f 关系曲纠5 】 图1 2 ( b ) 给出了该大功率l e d 在常温( 2 5 0 c ) 下正向导通压降( v f ) 和正 2 1 8 6 4 2 o 1 o o o o 泛避5，一缶怠p黛9茁罄彩麓葛e。oz 第一章绪论 向电流( 1 f ) 的关系曲线图。由曲线图可见，通过控制其正向电压v f 就可以控 制其正向电流i f ，从而控制其发光的亮度。在正向电压较小时，电流极小，l e d 不发光。当正向电压超过某个阈值电压之后，i f 随v f 的上升而急剧上升，从而 使l e d 发光。可见大功率l e d 是低电压、大电流的发光器件，当l e d 电压变 化很少时，其电流也会变化很大。 f j f o o o 51 o1 52 o 2 5 3 o3 54 o v f f 洲a 皤v o 翰g e ( v o 黔) 图1 2 ( b ) l u x e o n t ms 诅r 在常温下v f i f 关系曲线【5 】 由于大功率l e d 的光特性通常都描述为正向电流( i f ) 的函数，而不是导通压 降( v f ) 的函数。由于l e d 生产工艺和温度的不同，大功率l e d 的正向压降( v f ) 变化范围也会出现比较大的波动( 最大可达l v 以上) 。由v f - i f 特性曲线可知， v f 的微小变化会引起较大的i f 变化。l d 的发光强度由流过l e d 的电流决定， 电流过强会引起l e d 的衰减，电流过弱会影响l e d 的发光强度。所以，采用恒 压源驱动不能保证l e d 发光亮度的一致性，并且会影响l e d 的可靠性和寿命。 因此，大功率l e d 通常采用恒流电源驱动，以保证大功率l e d 使用的安全性， 同时达到理想的发光亮度。 1 2 白光u d 驱动方案 l e d 驱动电路就是能为l e d 正常工作提供所需的电压和电流的电路。原始 电源有多种形式，但无论哪种电源一般都不能直接给l e d 供电。因此，要用l e d 作为照明光源就需要解决电源变换的问题。 舯 弱 舯 弱 o 4 3 3 2 2 ， 一鼍v芝2u 2鐾coj&ej爱乏。j 第一章绪论 1 2 1l e d 的连接方式 l e d 常用的连接方式有全部串联、全部并联和混联方式。 1 、l e d 全部串联方式 l e d 采用全部串联的驱动方式如图1 3 ( a ) 所示，其优点是保证流过每个l e d 的电流相等，而l e d 的发光亮度和其导通电流呈正比关系，因此采用此种驱动方 式可以保证各l e d 发光亮度均匀，适合对发光亮度的匹配性要求高的场合。串联 驱动的缺点是其需要较高的驱动电压，所以需要升压电路将电源电压升高，而高 的驱动电压往往要求芯片采用耐高压工艺制造，如b c d 工艺。 ( a )( b ) 图1 3l e d 采用全部串联方式连接图 当采用恒定电压驱动时，如果某只l e d 短路，由于总电压不变，其他l e d 的 正向压降会增加，电流也会增加，余下的l e d 就容易损坏。当然，采恒定电流驱 动时不会存在上述问题。另外，如果一只l e d 断开，则整个l e d 串就熄灭。解决 的办法是在每只l e d 两端并联一个齐纳二极管，如图1 3 ( b ) 所示。注意，齐纳 二极管的导通电压要比l e d 的导通电压高，否则l e d 就不会亮。 2 、l e d 全部并联方式 如图1 4 所示为l e d 采用全并联方式的连接，其特点是每个l e d 的工作电压 相等，总电流为zi f 。为了实现每只l e d 的工作电流i f 一致，要求每只l e d 的正 向电压也要一致。但器件之间的v f 总是存在一定的差别，且l e d 的v f 会随结温 上升而下降，不同的l e d 可能会因散热条件差别而引发v f 不同进而影响到i f 的差 别。散热条件较差的l e d 温升较大，v f 下降较大，l f 上升较多。l f 的上升又会加 剧温升，如此恶性循环会导致l e d 烧毁。采用全部并联时只需要低的电压就可以 驱动多个l e d ，其要求驱动电路能提供大的驱动电流。由前述知l e d 正向导通压 v 趣 u 第一章绪论 降存在一定差异，所以并联驱动的最大不足是流过每个l e d 的电流不相等，致使 l e d 的亮度不匹配。 v + n 一 ir 图1 - 4l e d 采用全部并联方式连接图 当某只l e d 因品质不良而断路时，如果采用稳压式l e d 驱动方式，驱动器 的输出电流将减小，但不影响其余的l e d 工作。如果采用恒流驱动，由于输出 电流保持不变，分配到余下的l e d 上的电流将增大，容易损坏所有的l e d 。其 解决的方法是尽量多的并联l e d ，当断开某一只时，分配到余下的l e d 中的电 流不太大，不至于影响余下的l e d 正常工作。所以功率l e d 作并联负载时，不 宜采用恒流驱动器。 3 、l e d 混联方式 当要驱动大量l e d 时，假如采用串联驱动，则会要求很高的电源电压；假如 采用并联驱动，则会要求很大的负载驱动电流，所以就出现了混联驱动。混联驱 动是串并联两种方式的一种综合，适合于驱动大量l e d 的场合。这种先串联后 再并联的连接方式的优点是线路简单、亮度稳定、可靠性高，并且对器件的一致 性要求也较低，不需要特别挑选器件。 图1 5l e d 混联方式连接图 第一章绪论 4 、交叉阵列方式【6 】 为提高可靠性，降低熄灯几率，人们提出了各种各样的连接方式，交叉阵列 形式就是其中一种。如图1 6 所示，这种交叉连接方式的目的是即使个别l e d 断路或短路，也不会造成发光组件整体失效。 v 十 ! ! ! !吣3吣! 吣! ! ! 尊 警 津 图1 6u d 交叉阵列方式连接图 当然以上分类并没有绝对的优劣之分，还需根据实际应用场合来确定。例如 对于作为手持设备背光用的l e d 驱动电路，要求电路结构简单、封装较小以实 现小型化，多采用并联方式。对于照明用白光l e d 驱动电路，要求较大的驱动 电流，较好的亮度均匀性，因此多采用串联连接方式。 1 2 2 白光l e d 的驱动方式 由于l e d 是电流型的器件，必须对其电流进行控制，以保证l e d 的发光效 率和寿命。由于白光l e d 的正向导通压降因制造工艺的离散性而存在一定的差 异，所以恒流驱动是白光l e d 驱动的最佳选择【7 一。大功率u d 恒流驱动常用 的方式有电阻限流、线性控制调节、电荷泵升压、开关变换器控制等，下面对现 有的各种控制方法进行简单的介绍1 9 1 5 1 。 ( 1 ) 电阻限流方式，如图1 7 所示。此种控制方式是根据l e d 的1 v 特性 曲线来确定预期的正向电流所需的电压，通过串联电阻来控制流过l e d 的电流。 这种电路简单、体积小、成本低，但其效率低、调节性差。输入电压的微小 变化都会导致l e d 电流发生变化，从而影响光通量输出。这种电路一般只能用 于小功率、短时间照明，如l e d 手电筒、应急灯等。 第一章绪论 v i n 图1 7 电阻限流电路 ( 2 ) 线性调节器方式，其原理是把处于线性工作区的功率m o s f e t 或三极 管等效为一个动态电阻，通过控制该动态电阻的阻值来调节输出电流的大小。线 性调节器可分为并联型和串联型两种。 如图1 8 ( a ) 所示为并联型线性调节器，又称分流调节器。它采用功率管与 l e d 并联，分流掉l e d 的一部分电流。当输入电压v i n 增大或l e d 电压减小时， 通过分流调节器的电流将会增大，这就增大了限流电阻r 上的压降，从而使得 l e d 上的电流和电压保持恒定。 + v i n + v i n ( a ) ( b ) 图1 8 并联型线性调节器( a ) 和串联型线性调节器( b ) 串联型调节器是采用功率管与l e d 串联的方式，如图1 8 m ) 所示。当输入 电压v i n 增大时，动态调节电阻增大，从而使得功率管上的压降增大，以保持 l e d 上的电流恒定。 以上两种电路受输入电压v i n 的限制，本身效率较低。在用于小功率的普通 l e d 驱动时，由于电流只有几十毫安，因此损耗并不明显。但当电流达几百毫 安甚至高达几安培时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。由于效率低，发 热厉害，这会影响电源本身的效率和l e d 的正常工作，所以这种驱动方式不适 合于大功率l e d 的驱动。 ( 3 ) 开关变换器，通过电路中开关的周期性打开和关断来调节电路的稳态 第一章绪论 增益，实现直流到直流的转换。常见的开关型电路可以分为两种，一种是电荷泵 电路，另一种是开关电源电路。 电容式开关变换器，也被称为电荷泵。它通过开关阵列和控制电路实现电压 变换，可组成升压型或降压型结构，采用电容作为储能元件，具有体积小、设计 简单的优点，一般使用外围器件较少，成本低。但是该电路结构只能提供有限的 输出电压范围，大多数电荷泵电路的输出电压增益为输入电压的1 、1 5 或2 倍， 因此只使用于输入输出电压相差不大的应用。若要驱动较多的l e d 时，必须采 用并联驱动方式。为了防止并联支路上电流分配不均，每条并联支路上必须使用 镇流电阻，这会消耗大量的功率，从而使这个系统的效率降低。 随着白光l e d 的功率越来越大，电荷泵型驱动显然不能满足效率和散热的 要求，而开关电源是目前直流变换器电路中效率最高的，自然成为大功率白光 l e d 驱动电路的首选。开关电源具有多种拓扑结构，应用的电压工作范围也更 大，效率也更高。但由于电路的复杂性带来成本高、体积大，并且存在e m i 问 题，则是这种驱动方式的缺点。在论文的下面的章节将对开关电源进行详细的介 绍，并设计一款驱动大功率l e d 的开关电源芯片。 1 3 白光l e d 驱动的发展趋势及研究意义 目前采用小功率l e d 做l c d 背光照明的驱动器在数量上是占据首位的，而 作为照明灯、闪光灯中的功率或大功率白光l e d 驱动器由于应用时间不长，具 有很大的发展空间。驱动器是随着白光l e d 的应用发展而发展的，最有发展前 途的是将现有的汽车上的白炽灯更换为l e d 灯【1 6 】。同时，u d 照明符合节能环 保的大趋势，采用市供电的大功率l e d 照明驱动器是发展的大方向。另外，白 光l e d 驱动器作为开关电源的具体应用，也随着开关电源围绕提高集成度、提 高效率、提高控制精度和小型轻量化方向发展【1 7 l 8 】。 l 、提高集成度。集成开关电源己成为电源设计的主流，代表着稳压电源的 发展方向，被誉为高效节能的电源。发展到今天，功率集成电路控制芯片把控制 电路和功率开关管集成在一起，芯片外部仅需少量的电感和电容元件就可以方便 地构成开关电源。可以预期，随着工艺的进步，电感元件在芯片上集成技术的日 渐成熟，白光l e d 驱动器等开关电源系统的集成度会更进一步的提高。 2 、提高电源转换效率。提高电源的转换效率意味着电源损耗的降低。开关 电源的损耗主要包括两个方面：开关元件导通时，电流流经开关的导通电阻，产 生导通损耗；开关元件在导通、关断间转换时，由开关管的栅一源电容充放电引 起的开关损耗。为了减少这两项损耗，分别发展了开关管同步整流技术和软开关 第一章绪论 拓扑结构。 3 、提高控制精度。控制模式由初期的电压单环反馈控制发展到电压、电流 双环反馈控制方式，其中基于平均电流控制方式的p w m 控制技术能实现对电感 电流平均值的精确控制，已成功应用在功率因素矫正电路中。 4 、小型轻量化。随着芯片集成度的提高，白光l e d 驱动器等开关电源所需 要的外围元件越来越少；随着开关频率的提高，芯片所需的电感、电容元件值降 低，电感、电容元件占用的体积也将减小。 根据市场研究公司i s 印p l i 公司2 0 0 9 年7 月发布的报告，2 0 0 8 年全球l e d 驱动i c 市场值为1 0 亿美元，并预计2 0 1 2 年达1 9 亿美元。中国l e d 驱动器i c 市场2 0 1 0 年将增长9 6 ，规模达1 2 7 7 亿美元，并预计2 0 1 3 年中国l e d 市场 将达到1 3 9 亿美元。外商目前控制着中国的l e d 驱动i c 市场，尤其是德州仪 器、国家半导体和凌特公司等美国企业。在2 0 0 8 年以前，中国只有几家本土半 导体厂商专注于l e d 驱动器市场。但是，从去年开始，由于中国采取措施发展 国内供应，以满足l e d 城市照明以及其它项目的需求，越来越多的国内企业开 始进入l e d 驱动器市场。 目前，国内对于白光l e d 驱动电路的设计研究还都是只是小功率的层次。 作为半导体照明产业的一项非常重要的配套产业，大功率白光l e d 驱动集成电 路的设计研究还处在起步阶段，现有产品基本上由分立元件组成或依赖昂贵的进 口芯片产品，降低生产成本是我国l e d 照明产业发展和产品推广应用的关键。 可见对白光l e d 驱动器进行设计研究，不仅在学术上意义重大，在市场上也有 着无限的前景。 1 4 主要工作与论文组织结构 本文主要由以下几个部分组成： 第一章：绪论。研究了大功率l e d 的发光原理、发光特性及伏安特性。讨 论了当前用于l e d 控制的电阻限流电路，串联和并联线性调节电路及开关变换 器。说明了白光l e d 驱动的发展趋势及研究意义。 第二章：开关电源基础。研究了开关电源的四种拓扑结构及其特点。分别分 析了p w m 电压控制模式和p w m 电流控制模式的系统架构、工作原理及其优缺 点。 第三章：芯片的系统研究及设计。给出了本次设计的升压变换器的系统结构、 工作原理和引脚功能，简单阐述了芯片内部各个模块的功能。分析了峰值电流模 式变换器工作于电感电流连续工作模式( c c m ) 且占空比大于5 0 时存在的开 第一章绪论 环不稳定问题，针对常规的斜坡补偿方式所存在的缺陷，提出了一种补偿量自动 适应输入输出电压变化的斜坡补偿电路的实现原理。利用基本建模法建立了 c c m 下变换器主电路的小信号模型，得到系统传递函数。还结合控制理论设计 补偿网络，保证系统足够的相位裕度，提高系统的稳定性。 第四章：芯片模块的电路设计。分析和设计了芯片内部几个核心模块如带隙 基准源、误差放大器、p w m 比较器、斜坡补偿电路及一些保护电路等，并给出 了电路参数的详细理论推导及仿真结果。 第五章：芯片整体的仿真。为了验证芯片的功能和性能，对系统整体电路做 了仿真分析。从仿真结果可以看出，芯片实现了其预定的功能并且达到了设计要 求的性能。 第六章：结论。对本论文的工作进行总结。 第二章开关电源基础 第二章开关电源基础 开关电源是指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关( m o s f e t 等) 进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容( 感) 里，当开关断开时，电能 再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比( 由开关导通时 间与整个开关的周期的比值) 有关。 开关电源系统由主电路和控制电路组成。其中，主电路包括开关网络和l c 低通滤波网络组成；控制电路包括输出采样网络、误差放大器、补偿器、脉宽调 制器以及功率开关管驱动器等构成，通过控制功率管的打开和关断来控制电路的 工作状态。此外，整个系统还包括一些辅助及保护功能的电路。 2 1 开关电源的拓扑结构 开关电源按照主回路的拓扑结构来分主要包括b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 和 c 出四种基本类型。 2 1 1b u c k 变换器 b u c k 变换器又称降压变换器，其拓扑图如图2 1 所示。m 1 作为开关器件， 其打开与关断受控制电路的控制，其周期为t ，占空比为d 。二极管d 是辅助开 关管，也叫整流管，其作用是在m l 关闭时对电流起续流作用，电感l 和电容c 组成低通滤波器，使输出l l t 主要是以直流分量为主的稳定电压，耻为负载。 输入一定电压，通过控制功率开关导通的占空比即可改变输出电压的值，实现降 压功能。 v i n 图2 1b u c k 变换器拓扑结构图 第二章开关电源基础 在一个开关周期内，通过控制电路控制功率管开关与整流管的交替导通形成 两个等效拓扑结构，如图2 2 所示。其工作过程分为两个阶段，开关管导通阶段： 在控制电路作用下，m 1 导通，a 点高电位，二极管因受反向偏压而截止，电流 由输入电压流过m 1 、电感l 到电容c 和负载r l ，电感电流持续上升，电感储 能逐渐增加，能量由输入端传输到电感并存储在其中；开关管关断阶段：控制电 路使m 1 截止，输入和电感元件断路，由于电感电流不能突变，电感产生电动势 维持电流原来的流向，迫使a 点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通 压降，二极管d 导通，为电感电流提供通路。电感电流由电感l 流向负载和电 容c ，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 v i n r l v i n = 图2 2 ( a ) 开关管导通拓扑 = 图2 - 2 ( b ) 开关管关断拓扑 根据电感电流i l 在周期开始时是否从零开始，可分为电感电流连续模式 ( c c m ) 和不连续模式( d c m ) 两种不同工作模式。 在一个开关周期r 内，m o s 管导通占空比为d l ，二极管导通占空比为伤， 开关电源工作在连续电流模式下时，有d l 也= l 。在第一阶段，开关管导通，电 感电流无1 的上升量为 她，= e 与：毕 ( 2 - l 厂 在第二阶段，开关管关断，电感电流下降量为 也= _ f 2 挚= 一等o ：1 ) 亿2 ) 由于平衡时i u l = i l 1 ，并且f 。= q 丁，f ：一f 。= ( 1 一d l 沙，则有： 譬肇d 1 丁：华( 1 一d 。矿 ( 2 - 3 ) 圪。= d 1 圪 ( 2 - 4 ) 上式表明，输出电压旺随占空比d 1 而变化，由于d 1 l ，故 。 设电压增益为m ，则有 m ：丝坚：d l( 2 5 ) 第二章开关电源基础 如图2 3 所示，电压增益m 由开关接通时占空比d 】决定，即变换器在电流 连续工作模式下有很好的控制特性。 m 图2 - 3b 眦k 结构中胆胭1 ) 的关系图 当电感值较小，负载电阻较大或周期r 较大时，将出现电感电流下降到零， 而下一周期却还没有开始的情况。当下一周期开始时电感电流从零开始上升，此 种情况称为电感电流不连续模式，此时，d 1 + d 2 三m ，( 3 6 ) 2 对于固定输入输出的变换器来说，采用单一斜率补偿实现起来比较简单，能 保证提供适量的补偿，保证系统的稳定性不受影响。但对于宽输入输出的变换器 来说，采用单一补偿就必须满足在最坏情况下保证系统稳定，这样在占空比较小 时通常会导致过度补偿。 因此，为了解决此问题，本芯片采用随输入输出变化的动态斜坡补偿，补偿 斜率随输入输出电压变化而变化。升压型开关变换器电感电流的下降斜率可表示 为： 朋，：匕型二坠( 3 7 ) 又有： d ：匕! ，二幺( 3 8 ) l ，。f 第三章芯片系统的研究与设计 由式( 3 5 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 可以得到当占空比少o 5 时，系统要实现稳定所需 补偿的斜坡斜率为啪3 川： 册 匕型二当 2 三 ( 3 9 ) 由公式( 3 9 ) 可见，式中斜坡补偿的斜率关系式中含有是输入输出电 压的函数式，故可以构造一个电路，实现斜坡补偿量随输入、输出电压动态 变化。具体的电路结构及实现过程将在后面的章节中详细介绍。 当系统工作于电感电流不连续模式时，电感电流在每个周期开始时都从 零开始线性增加，前一个周期电感电流的扰动量不会传递到下一个周期，不 会造成系统的不稳定，所以在d c m 模式下，斜坡补偿不像在c c m 那样是必 须的。 3 3 系统的频率补偿 为： 如图3 3 所示为一反馈系统，反馈系数为d ，该闭环系统的传输函数可表示 假如有条件： 姜阱蕊 i 胆u 缈】= 1 4 鲫0 国) = 一1 8 0 。 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 成立，即系统增益趋于无限，电路可以放大自身的噪声直到它最终开始震荡。系 统的环路增益等于l 和环路增益的相位裕度等于18 0 0 的两个频率在系统稳定性 方面起着重要作用，分别称这两个频率点为“增益交点”和“相位交点”。在稳 定系统当中，增益像必定发生在相位相交之前。系统的稳定性分析常采用波特图 来分析，系统存在零点和极点。在系统传输函数中，当分母为零时就会产生一个 极点，在波特图中当增益以2 0 d b d e c 斜率开始递减时就会产生一个极点，并伴 随有9 0 0 的相位滞后。在系统传输函数中分子等于零就产生一个零点，在波特图 中零点发生在增益以2 0 d b d e c 的斜率开始递增的点，并伴随有9 0 0 的相位超前。 同时在b o o s t 结构中存在第二种零点一右半平面零点，它引起相位滞后而非超 前，所以在设计反馈补偿网络时要十分警惕。 3 3 1 电流型升压变换器功率电路模型 为了研究含有交流小信号分量的直流一直流变换器动态特性，目前已提出了 第三章芯片系统的研究与设计 多种直流一直流变换器的交流小信号分析方法，例如：基本建模法、状态空间平 均法、开关元件与开关网络平均模型法。根据变换器的解析模型建立等效电路模 型是分析变换器的一个重要手段，建立等效电路模型可以为变换器低频动态特性 的分析提供方便。各种建模方法共同遵循一个最基本思路，即求平均变量、分离 扰动与线性化，基于这一思路直接得到的方法称为基本建模法。如图3 3 为理想 b o o s t 变换器的功率电路，电路工作在连续导电模式( c c m ) 下，占空比为d ， 下面采用基本建模法来建立起小信号s 域等效电路模型3 2 。 呕力 l = 图3 3 理想b o o s t 变换器的功率电路图 对变换器应用小信号分析必须满足三个重要前提条件： ( 1 ) 低频假设：交流小信号的频率庭应远远小于开关频率磊，即 五 z ( 3 1 3 ) 这时在一个开关周期内求平均可以滤除变量