（微电子学与固体电子学专业论文）一种电压模式控制pwm开关电源的研究.pdf

摘要 摘要 单片式开关电源管理集成电路是开关电源发展的必然趋势，它具有高集成度、 高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率电源等特点，得到了广 泛的应用。尤其是最近几年便携数码产品的迅速发展，使得开关电源的作用越来 越重要。 自从蜂窝电话和便携式游戏机采用彩色液晶显示屏后，市场上就出现了对高 亮度纯色背景光源的大量需求，白光二极管被认为是目前市场上可以获得的最好 的背景光源。 本论文基于1 “4 0 v 高压c m o s 工艺，并利用c a d e n c e e d a 集成电路设计工具， h s p i c e 仿真工具，设计一种采用p w m 工作方式的单片式高频高效高精度的开关 电源管理集成电路。该电路的输入电压范围是2 5 v 7 v ，工作频率1 o m h z ，输出 信号工作的最大占空比为8 7 此芯片可以用于驱动手机，p d a ，数码相机，m p 3 等数码产品的l e d 。输入3 6 v 电压时，可驱动4 个l e d ，输入为5 v 电压时，可驱动 6 个l e d 。 文中首先对自光l e d 驱动方式，b o o s t 型转换器及p w m 控制方式的工作原 理进行介绍，然后根据功能需要以及设计要求完成了对p w m 工作方式的单片式高 频高效的开关电源管理集成电路的整体结构设计，同时结合该集成电路的实际应 用详细地描述了其工作原理。并对集成电路内的各个模块包括电流偏置电路、基 准电压电路、误差放大电路、三角波振荡发生电路、p w m 比较电路、驱动电路、 过热保护电路和过流保护等进行了具体的设计和仿真，并对整体应用电路进行了 仿真，结果均达到了预先设定的指标。 其次，本文还分析了电压模b 0 0 s t 电路启动时尖峰电压产生的原因及优化方 法。 最后作者对该项目进行了总结。 关键词t 脉宽调制，电压反馈控制模式，d c d c ，b o o s t a b s t r a c t a b s t 怕c t s i n 9 1 e c h i ps w i t c l l i n gp o w e rs u p p l ym a i l a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) i sm e i n e v i t a b l eo r i e n t a t i o no ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n t ，i ti sf a i l l o u sb ym e v j n u e so fl l i g hi n t c g r a t i o nl e v e l ，h i g hc o s t e f f e c t i v e ，l o w e s tc o m p o n e n tc i r c u i t ，h 蟾h p c r f o r l l l a n c e ，e a s yt of b r mh i 曲e f ! f i c i e n c yp o w e rs u p p l ya n ds oo n i th a sb e e nw i d c l y a p p l i e do 、屺rt h ew o d d nt a k e su pm o r ei m p o r t a n tr 0 1 ee s p e c i a i l yi nt h ep o n a b l ed i g i t a l d e v i c e ，w h i c hi sh o tr e c e m l y s i n c ec o l o rl c ds c r e e ni sa p p l i e di nm ec e l l p h o n ea i l d p o r t a b l eg a m e b o x ，t h e r ea r ea b i l n d a i l td e m a i l d sf o rl l i 曲l i g h tb r 培h t n e s sa i l ds 0 1 i dc o l o r b a c k l i g h ts o u r c e w t l i t el e d i sc o n s i d e r e da s 也eb e s ts o u r c ei nc u r r e n ts i t u a t i o n t h i sp a p e ri st od e s i g ns u c has i n g l ec h i pi cw o m n ga th i g h 矗e q u e n c ya n dh i g h e m c i e n c ya n da c c u r a c yw i t hp u l s ew i d t hi n o d u l a t i o n ( p w m ) m o d e ，w h i c hi su s i n gt h e s o f t w a r eo fc a d e n c ea n dh s p i c e b a s i n go nt h e1 4 0 vh i 曲v o i t a g ec m o st e c h n i c s t h ef e a t u r e so ft h j sc i r c u i ta r ed e s i g n e da s ：t h ei n p u tv o l t a g er a n g e df r o m2 5 vt o7 v ， a n dt h ew o 凼n g 如q u e n c yi sf i x e da t1 0 m h z ，p w mi r m i 枷md u t yc y c l ei s8 7 t h i si cc h i pc a nb eu s e dt od r i v ew h i t el e d d i s p l a y si nc e l l p h o n e ，d i g i t a lc 锄e r a ，m p 3 p l a ) 忙r ，p d aa n do t h e rp o r t a b l ed i g i t “d e “c e s t h i sc l l i pc a nd r i v eu pt o4 l e d sf r o ma 3 6 vs u p p l y ，a n dd r i v eu pt o6 i e d sf 如ma5 v s u p p l y h lt h ec i r c u i td e s i g n i n gs e c t i o n ，t h eb a s i ct h e o r i e so fw h i t ei 正dd r i v e r s ，p u i s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m o d ea n dd cc o n v e r t e ra r cg i v e nf i r s t t h e nt h e g e n e r a ls m l c t u r eo ft h ei ci sd e s i 弘e db a s e do ni t sf u n c t i o n “r e q u i r e m e n t c o i n b i n e d w i 也i t sa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n ，t h cw o r k i n gc o u r s ei ss h o w e d s u b d r c u i tm o d e l sa r e d e s i g n e da n ds i m u l a t e d ，w 1 1 i c hi n c l u d e sb i a sc u r r e n ts o u r c e ，v 0 1 t a g er e f e r e n c e ，髓0 r a m p l i r ，p w mc o m p a r a t o r ，d r i v e rc i r c u i t ，p m t e c t i o nc i r c u i t sf o r0 v e r - t e m p e r a 山r e ， o v e r _ c u r r e n t a tl a s t ，c o m b i n e dw i t hp e r i p h e r yc o m p o n e n t ，t h ec i r c u i ti ss i m u l a t e d ，髓d t h er e s u l tm e e t st h ea n t i c i p a n tr e q u i r e m e n t t h e nt h er e a s o no fp e a kp u l s ev o l t a g ei s a n a l y z e da i l dt h eo p t i 血z a t i o ni sc o m eu pw i t l l f i n a l l y t h ec o n c l u s i o ni ss u i 玎血a n z e d k e y w o r d s ：p m ，v 0 1 t a g ef e e d b a c kp a t t e m ，d c d c ，b o o s t i i 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注和致谢的地 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 蕴瞪日期：肋年罗月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分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应遵守此规定) 签名： 凌逛一 导师签名： j旌 日期：叩，年夕月厂日 第一章引言 1 1 开关电源概述 第一章引言 随着电予技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类 也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发 展。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优 质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种，其中，开关电源分为 a c a c 电源、d c d c 电源、a c d c 电源和d c a c 电源。目前，我国通信、家 用电器等领域所使用的电子电源普遍是开关电源。d c d c 变换器现已实现模块化， 且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可。 开关电源s p s ( s w i t c h i i l gp o w e rs u p p l y ) 被誉为高效节能电源，它代表着稳压 电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作 在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达8 0 9 0 ，比普通线性稳 压电源效率提高近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小 的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还 可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高精度、高可 靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础【l 】【2 1 。 1 1 1 开关电源国内外市场及应用情况 电源产品的应用十分广泛。据统计，2 0 0 5 年，全球开关电源的市场规模达3 4 0 亿 美元。模块电源作为开关电源的一个分支，在通信、汽车、电力控制以及军事等领 域中占有重要的地位。据统计，模块电源的全球市场规模已由1 9 9 9 年的3 0 亿美元 增加到2 0 0 4 年的5 0 亿美元。在国内，由于信息、家电领域，特别是电信领域的迅 猛发展，推动了电源市场的发展。目前，在我国通信、信息、家用电器等领域，普 遍采用了开关电源。其中，通信d c d c 电源是增长速度最快的一部分。程控交换 机市场经过几年的发展之后趋于平稳，移动通信已成为发展热点。预计中国开关电 源市场总额在7 0 亿元人民币以上，单片开关电源所占的比例将会越来大。 单片开关电源的主要应用领域有： 0 ) 通用开关电源：各种通用开关电源、开关电源模块、精密开关电源模块和 电子科技大学硕士学位论文 智能化开关电源模块等。 ( 2 ) 专用开关电源：微机电源、u s b 接口电源、彩电、录像机等家用待机电源、 手机电池充电器、调制解调器电源、电子仪器仪表电源等。 ( 3 ) 特种开关电源：恒压恒流型开关电源、恒功率输出型开关电源等。 1 1 1 2 开关电源的发展历史 开关稳压电源的发展己有3 0 多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵， 仅用于卫星电源等少数领域。2 0 世纪6 0 年代出现了晶闸管相位控制式开关电源， 7 0 年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复 杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。7 0 年代后期以来，随着集成电路 设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才 重获发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接 线、焊点减少可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高， 给应用带来极大方便。 电源的集成化使得它被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机 等领域中。随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的大规 模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻， 与之相比，电源要笨重得多。在现代智能化电子产品中，电源体积要比微处理器 大几十倍，如何减小开关电源的体积，面临着新的挑战，提高频率也是开关电源 要面临的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的 平方根成反比的减小，所以当把频率从5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提高4 0 0 倍，用电设 备的体积、重量大体上降至工频设计的5 一5 0 。但是，频率提高以后，对整个电 路中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关电路元器件也有待于进一 步的研究。 我国对开关稳压电源的研制工作开始于6 0 年代初期，7 0 年代起，我国在黑白 电视机、中小型计算机中开始应用5 v ，2 0 2 0 0 a ，2 0 k h za c d c 开关电源。8 0 年代 进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究o 5 5 m h z 准谐振型软开关电源。 8 0 年代中，我国通信电源在a c d c 及d c ，d c 开关电源应用领域中所占比重还比 较低。8 0 年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压一整流电源和 晶闸管相控稳压电源为大功率a c d c 开关电源所取代，并开始在办公室自动化设 备中得到应用。9 0 年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，如卫星上用的 第一章引言 开关电源、远程火箭控制系统用的d c d c 开关电源等。多年来，虽然我匡l 在开关 稳压电源方面得到了很大发展，但与其它技术相比，特别是与i c ，v l s i 技术相比， 还存在集成度差、使用方法复杂等缺点。未来的开关电源应该是更加小型化、高 效率，其内部的各个功能模块相对独立，并可以根据要求进行组合，在整机电路 中形成一个黑匣子，被作为一个元器件来使用。今后，采用对环境无害的电路方 式、对电子元件进行最优化设计将继续是开关电源设计的主要课题。 1 1 3 开关电源的发展方向 开关电源技术的发展是一个系统工程。主要技术平台包括电路拓扑结构、标 准1 c 及器件、传统及成熟设计技术、e m c 及国际安全标准、c a d c a t 计算机仿 真及制造平台、自动在线测试及功能测试，制作工艺等一系列技术的规范化、量产 化。其中，先进的制作工艺和质量控制技术平台是其中最重要的部分。一整套全面 质量控制技术包括从自动排料、自动插件至总装制作工艺、表面装贴与插接件组 合焊接工艺、在线测试、功能测试及老化性能测试等，属于系统工程。 以下几个方面将是开关电源发展的方向】： 小型化、轻量化和高频化。 开关电源的体积、重量主要由储能元件( 磁性元件和电容) 决定，因此，开关电 源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提 高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电 源系统的动态性能。因此高频化是开关电源的主要发展方向。 高效率和高可靠。 开关电源使用的元器件大大少于连续工作电源，因此提高了可靠性。电容、光 电耦合器以及功率m o s 等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采用 较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、 散热容易，从而达到高功率密度、高可靠性。 低噪声和良好的动态相应。 开关电源的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化，噪声也会随之增大。采用部 分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声川钔。 1 2 课题的引出 自从手机，m p 3 播放器，p d a ，数码相机，摄像机等采用彩色液晶显示屏后， 电子科技大学硕士学位论文 市场上就出现了对高亮度纯色背景光源的大量需求，白色l e d 是小型彩色l c d 背光照明的最佳选择，这是因为它能使l c d 色彩更逼真、色度更饱和，并且电路 简单占印制板体积小、耗电省、寿命长、价格较便宜的缘故。 图1 1 给出了一组随机挑选的白光l e d 的电流一电压曲线。在这些l e d 上加 载3 3 v 电压( 上端虚线) 会产生2 m a 至5 m a 范围的正向电流，导致不同亮度的白 光。该区域中y 坐标变化很剧烈，会导致显示色彩的不真型”。同样，u d 也具 有不同的光强，这会产生不均匀的亮度。另外一个问题是所需的最小供电电压， l e d 要求高于3 v 的电压驱动，若低于该电压，几个l e d 可能会完全变暗。所以 必须保证足够高的驱动电压，和选择合适的结构，得到均匀亮度的背光l e d 。大 多数情况下单个白光l e d 不能满足需求，所以需要几个白光l e d 进行串联或并联 工作。 图1 - 1l e d 电流一电压曲线 在手机，p d a ，数码相机等便携设备中，其背光照明的电源一般都是由电池 来提供，电池的满电电压一般都在4 2 v 到5 v ，在使用过程中要产生放电，下降 到标称的电压值( 锂电池一般为3 6 v ) 。l c d 屏的背光照明一般由4 个到1 0 个 不等的白光l e d 串联提供，而u 的正向导通电压典型值为3 v 到4 v ，所以背 光l e d 驱动电路可以采用升压模式的驱动电路。如图1 2 所示。 据统计，2 0 0 3 年的l e d 产值达1 0 0 亿人民币，产量超过2 0 0 亿只，其中相当 一部分用于数码便携产品的背光照明中，因而为了满足市场的巨大需求，各大半 导体公司都推出了背光l e d 驱动芯片，如m a x i m 的m a x l 5 x x ，m a x l 8 】【】【， m a x 8 6 x x 系列，x c 9 1 0 3 ，x c 6 3 6 7 ，台湾a n a c h i p 的a p l 5 2 1 等等，其单片价格 一般都比较高，大概在每片4 块左右。 4 第一章引言 目前市场流行的很多l e d 驱动芯片都是外置了高压m o s 开关管，这样就导 致了高成本，外围电路复杂，整个系统的便携性较差。而且国内电源管理芯片中 并无集成4 0 v 高压开关管的产品，市场潜力很大。所以本论文将高压管内置芯片 之内，在降低成本的基础上，设计了一款高频高效高精度的电源管理芯片，其主 要用于驱动便携产品背光l e d ，以迎合市场对白光l b d 驱动芯片的巨大需求。 v i n 图1 2 开关模式升压驱动芯片的应用电路 1 3 本论文的设计目标 0 2 2 u f 本论文所设计的是一个d c d c 变换型电压控制开关电源集成电路，为满足 l e d 驱动器的要求，对此集成电路的设计目标如下： ( 1 ) 正常工作的电压为2 5 7 v ： ( 2 ) 采用升压d c d c 拓扑结构： ( 3 ) 正常工作的温度范围：最低为一4 0 ，允许工作的最高温度是9 0 ； ( 4 ) 采用脉冲宽度调制即p w m 控制方式； ( 5 ) 开关频率设计为1 m h z ，允许范围为7 5 0 k h z 1 2 5 m h z ； ( 6 ) 信号输出的最大占空比是8 7 ； ( 7 ) 具有过热保护电路，过流保护电路； ( 8 ) 高输出效率，最高可达8 5 ； ( 9 ) 完成所有子电路的设计与仿真、综合电路的仿真； ( 1 0 ) 分析电路启动时尖峰电压产生的原因及优化方法。 1 4 本论文的开发环境 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 在硬件方面：两台分别在u 血】【和w i n d o w s 环境下工作的p c 机。 ( 2 ) 在软件方面：开发工具是u n i ) 【环境下运行的c a d e n c ee d a 工具；电路设计 工具是c a d c n c ce d a 软件中c o m p o s e r 软件包；仿真工具是h s p i c e ，在本论文中出 现的所有仿真图均为h s p i c e 仿真波形。 ( 3 ) 在工艺方面：采用了1um 4 0 v 高压c m o s 工艺。 1 5 本文所做的工作 第一章介绍了开关电源i c 的发展进程，应用市场及发展趋势，并分析了此 类i c 在目前市场上的应用前景。并对本文工作进行部署。 第二章比较分析l e d 驱动电路，阐述b 0 0 s t 拓扑结构及p w m 控制工作原 理。 第三章主要说明电路工作原理和仿真情况。首先对电路的总体结构设计进行 介绍，然后对其中部分电路进行详细分析并给出电路模拟仿真结果。 第四章对整体电路进行仿真，并对电压模b 0 0 s t 电路启动时尖峰电压产生 的原因及优化方法重点进行了分析。 第五章总结了该电路的设计工作。 第二章白光l e d 驱动电路拓扑结构及其控制方式 第二章白光l e d 驱动电路拓扑结构及其控制方式 2 1 白光l e d 驱动电路 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，要显示色彩丰富逼真的图像，就必须采用白光l e d 照明方案。而且 白光l e d 具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、可平 面封装易开发成轻薄短小产品等优点。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。然而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，所以要求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能 很好的控制l e d 电流的大小7 】【町。白色l e d 驱动电路按照负载连接方式分为并联 型和串联型。 2 1 1 并联白光l e d 驱动电路 并联白光l e d 的驱动电路通常有电压源加镇流电阻：电流源加镇流电阻：多 路电流源三种： 2 1 1 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 5v 的输入电压得到稳定的5 v 输出电压，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。 另外，由于它不需要使用电感关系，也就没有一般电压转换器最头痛的线圈引入 的噪声问题，也就不存在电磁干扰问题。 然而这种驱动方式的缺点也很明显，首先，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，由于锂电池利用电荷泵 电子科技大学硕士学位论文 升压最多采用倍压方式，也就是说对锂电池而言，假设其电压为4 2 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 4 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 = 图2 1电压源加镇流电阻驱动模式 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。 2 1 1 2 电流源加镇流电阻驱动方式 图2 2 是电流源加镇流电阻驱动方式的外围拓扑结构。此方式下，电流驱动 = 图2 2 电流源加镇流电阻驱动模式 器采用带有整流功能的电荷泵，电荷泵向外提供稳定的电流输出。这种结构好处 8 第二章自光l e d 驱动电路拓扑结构及其控制方式 是不但具备解决方案电路简单、体积小的优点，还考虑了提高电流的匹配性能。 虽然总的输出电流稳定了，但是为了匹配各个l e d 的电流，使用了镇流电阻 来检测l i d 电流。电流可以利用反馈连接至镇流电阻的u 进行调节。由于l e d 之间的正向电压各不相同，因此电流匹配的精度非常有限，电路可以通过减小镇 流电阻，使功耗降低，但是这种结构在镇流电阻上的耗电仍然较大。 2 1 _ 1 3 多路电流源驱动方式 图2 3 是采用多路电流源驱动白光l 王m 的方案，电路可以分别调节l e d 的电 流，不需要镇流电阻。电流调节精度和匹配度取决于每个独立电流源调节器。由 于没有了镇流电阻，就没有了输出电阻上的电损耗，而且该结构允许输入和输出 电压的压差可以很低，这两个方面都提高了电路的效率。这种结构能够保证较高 的性能指标，镇流电阻的减少也进一步减小了应用电路的有效体积，更适合空间 极为狭窄的场合使用。该结构和基于电感结构驱动方案比具有很大的竞争力，它 唯一的缺点是驱动白光l e d 的数量由它的输出端口数目决定。 图2 - 3 多电流源驱动并联l e d 驱动模式 2 1 2 串联l e d 驱动方式 由于白光l e d 的正向导通电压为3 4 o v ，所以驱动串联u m 需要电路能够 提供很高的输出电压和2 0 l i l a 左右电流输出，还要能保持很高的电源转换效率。 这种情况下基本上都是采用电感升压电路结构。 图2 4 给出了电感升压电路的外围结构图。串联驱动的最大好处是能够提供一 9 电子科技大学硕士学位论文 固定电流驱动自光l e d ，对于每个l e d 而言流过的电流都是一样的，因此l e d 的亮度也相同，不存在亮度不匹配的问题。而且升压转换在其最大工作周期内可 以有适当的升压比，可以提供一个足够大的电压以驱动l e d ，这种方式驱动l e d 可以得到很高的电源效率。另外，驱动器和l e d 之间只需要两个连接端口，l e d 的使用数量也不会收到升压种类的影响， 是其缺点是，电感元件外形体积比较大， 扰 9 】 1 0 1 。 使设计灵活性更大，应用场合很广。但 成本也偏高，同时还会带来e m i 辐射干 、 、| 、 图2 - 4电感升压驱动串连l e d 外围结构图 2 1 3 驱动白光l e d 效率比较 并联驱动以多电流源驱动并联自光l e d 为例，设升压电荷泵的增益为n ，那 么流过白光l e d 总的输出电流皿d s 三f 砌( 假设电荷泵功率转换效率为1 0 0 ， 那么式子取等号】。此时，并联驱动器的l e d 效率可以定义为： 忡。：挈：坐堕堕：堕( 2 1 ) pf九阳竹 n竹p 魏上已苞d，l n 九 、 其中t 1 l e d p 。n 。l 为并联驱动器白光l e d 的效率，d ，p 。l l d 是其损耗功率，圪e d 为其正向压降，而屯为流过l e d 的电流。 同样的，在串联驱动器应用中，其l e d 的效率可以定义为： 忡：笔竽：尝 ( 2 _ 2 ) 忡l 舳2 百2 蔫磊矿 ( 2 。2 ) 第二章白光l 功驱动电路拓扑结构及其控制方式 其中”l e d s 嘶。为串联驱动器白光l e d 的效率。 以图1 2 中的串联白光l e d 驱动器应用电路为例。l e d 的电流为： 皿e d = 噘1 ( 2 - 3 ) 其中v f b 是f b 端的参考电压，其值为3 1 0 r n v 。其输出电压可以表示为： 砌耐= + 珊 ( 2 。4 ) 将式2 3 ，2 4 带入式2 2 中得到： 恤* * = 塑学= 堕等产州一焉) ( 2 s ) n舾d，脚妇=一=nl一=-j t 二jj ，l n，l 胛 r o “f 其中n 是升压d c d c 的电源转换效率。 让我们假设一个场景，用3 6 v 的电源输入驱动3 个正向导通电压为3 6 v 的 白光l e d ，流过每个l e d 的电流为2 0 f n a 。 假设并联驱动的升压电荷泵的增益为1 5 倍，那么当电荷泵转换效率为1 0 0 时，并联驱动器l e d 的效率为： t 1 n 。m ：竺生：堑一l o o ：6 6 7 n 所玎1 5 3 6 在串联驱动l e d 应用中，其输出电压为： 砌埘：y 玩点d + 阡b = 3 6 3 + o 3 1 = 1 1 1 l 矿 假设其整体应用电路的效率，7 为8 5 ，则l e d 的效率为： 恤州1 一罴) - 8 5 ( 1 一篇) _ 8 2 碱 从这个结果看，两种驱动方式的效率差别很明显。而且从两个效率表达式看， 并联方式的l e d 效率与输入电压v i n 和电荷泵增益的乘积成反比，如果输入电压 变为4 2 v ，电荷泵增益增加到2 ，并联驱动的l e d 效率就会降到5 0 ，如果输入 再高，效率就会更低。而串联驱动方式中l e d 的效率基本上还是取决于应用电路 的电源转换效率，7 ，因此该效率比较稳定，不会随输入电压的大范围变化而有很大 的变化。 通过对各种驱动方式优缺点的比较及白光l e d 不同连接方式下，转换效率的 电子科技大学硕士学位论文 明显差异，本论文采用串联方式驱动白光u m ，以获得亮度均匀，转换效率高的 优质背光光源。 2 - 2b o o s t 电路拓扑结构 在前面我们讨论的四种驱动电路中，白光l e d 的串联驱动采用的是b o o s t 电路结构，它具有高输出电压，2 0 玎徂左右电流输出，很高的电源转换效率，应用 电路简单的诸多优点，适应于驱动便携产品中的背光l e d 。在便携式应用中的白 光l e d 驱动电路，基本上都是采用c m o s 工艺，这是因为c m o s 工艺在低功耗 上有标准b i p o l a r 工艺无法比拟的优势，而且c m o s 工艺在成本上远远低于更适合 设计大电流驱动的b i c m o s 工艺。标准c m o s 工艺有很难提供稳定大电流输出的 先天缺陷，而白光l e d 驱动，很重要的一点就是要提供稳定的大电流输出。尽管 如此，标准c m o s 工艺下，m o s 管也可以提供几十到几百毫安的大驱动电流【”， 也正好可以满足现行便携式白光l e d 驱动的应用条件。所以本文设计一种电压模 p w m 控制的采取b o o s t 拓扑结构的背光l e d 驱动芯片1 5 】。 2 2 1 基本原理 b o o s t 变换器又称为升压电感变换器，它可以从低输入电压得到高的输出电 压，其电路图如2 5 所示： 图2 5b 0 0 s t 电路示意图 其工作过程为：当功率管q 导通时，电流流过电感线圈l ，电流线性增加， 电能以磁能形式储在电感线圈l 中。此时，输出电流完全由c 提供，所以c 应选 得足够大，以使在导通时段向负载供电时其电压降低能满足要求。电容c 放电， 负载上流过电流如，负载两端为输出电压，极性上正下负，由于开关管导通，二极 管反向截至，所以电容不能通过开关管放电当功率管q 关断时，由于线圈l 上的电 第二章白光l e d 驱动电路拓扑结构及其控制方式 流不能突变，l 的电压极性颠倒，以保持电感电流不变这样线圈l 磁能转化成的电 压圪与电源串联，以高于圪的电压向电容c 、负载放电，维持圪不变。 由于圪+ 向负载供电时，圪高于，故称它为升压变换器。工作中输入电 流等于电感电流是连续的，但流经= 极管d 的电流却是脉动的。由于有c 的存在， 负载上仍有稳定、连续的负载电流厶。 2 2 2 定量计算 下面分析功率管开关闭合和断开的情况与输出电压的关系 1 l j 。设开关动作周 期为r ，导通时间为t o n d 1 t 关断时间为t 。f f d 2 t 。d l 为导通时间占空比，d 2 为 关断时间占空比，它们各自小于1 ，连续状态时d l + d 2 = 1 。 若q 下次导通之前，流过d 的电流已下降到零，则认为上次q 导通时存储于 l 上式的能量已释放完毕，电路工作在不连续模式。此模式下，导通时电感电流增 量可以表示为： 屯。：阜d 1 丁 ( 2 6 ) 关断时，电感电流在d 2 t 时间内下降为零，则电感增量表示为： t ：一堡当d ：丁 ( 2 7 ) 开关关断在a 一( d 。+ d 2 ) n 时间内，电流为零，相当于电感与并联的电容c 、 电阻r 断开。同样按交接处电流相等，即= 陋屯：i 原则有 半：丝挚三 ( 2 - 8 ) rr 、 有上式可以推导出增益： m = 鲁= 警 ( 2 - ，) d 2 、。 若流过d 的电流在关断时间结束时还没有下降到零，则由于电感电流不能突 变，q 下次导通时电流上升会有一个阶梯。q 和d 上的电流将呈典型的阶梯斜坡 形状，此时，称电路工作在连续模式。此模式下d l + d 2 = 1 ，所以由式3 4 推导出 此模式下的增益为： 电子科技大学硕士学位论文 m = 毒= 警= 去= 高 d 2 d 21 一d l 、 电路工作在不连续模式和连续模式电感电流波形如图2 - 6 ，2 7 所示。 图2 6 不连续模式的电感电流图2 7 连续模式的电感电流 2 3p w m 控制方式工作原理 在d c d c 电源变换模块的作用是将一个输入不稳定的直流电压变成一个输出 稳定直流电压，是通过控制功率开关器件的导通和关断时间来进行工作的。p w m 控制方式用在开关电源的反馈控制电路之中，固定开关频率，通过改变脉冲宽度 来调节占空比的，图2 8 给出了脉冲宽度调制方式的基本原理图 1 3 】。 图2 - 8 p w m 控制基本原理图 反馈电压与基准电压之差通过误差放大器进行放大产生误差控制信号作为 p w m 比较器的一个输入，而p w m 比较器的另一个输入则是锯齿波信号，二者通 1 4 第二章白光l e d 驱动电路拓扑结构及其控制方式 过比较产生脉宽调制信号即p w m 信号来控制功率开关管的导通和关断时间，当锯 齿波信号电平值高于误差控制信号时，p w m 信号为低电平。氆则功率开关器件 关断，反之为高电平o n ，功率开关管导通。所以p w m 信号的占空比d 为： d = 等1 0 0 = i 竺 1 0 0 ( 2 1 1 ) r+ 、 其中t o 。和1 矗分别是p w m 信号的高电平持续时间和低电平持续时间，t 为 p w m 信号的周期。反馈电压升高时，误差放大器的输出误差控制电压降低，则 死伊增大，乃。减小，占空比d 减小，反之，占空比d 增加。 本文采用电压模式控制p w m 。电压模式控制p w m 三角波幅度大，有较好的 抗噪声裕度，并且是单一反馈环设计，调试比较容易且电路简单；但同时电压控 制模式暂态响应慢，且在启动到达稳定前会产生一个尖峰电压【l “。在第四章中提 出了对尖峰电压的优化方法。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 整体电路介绍 第三章电路原理与仿真 电压模p w m 控制的d c 仍c 开关电源主要由电流偏置电路、带隙基准源、误 差比较器、p w m 比较器、振荡器及最大占空比产生电路、r s 触发器和调整管m 1 组成。其结构图如图3 1 所示。 3 1 1 芯片内部启动过程 ( 1 ) 当外加电源超过了最低工作电压并且s h d n 信号为高时，偏置电流模块开 始工作。 ( 2 ) 偏置电流正常工作以后，会给电压基准源、误差放大器、p w m 比较器、振 荡器、斜坡发生器、等其他功能模块提供偏置电流。 ( 3 ) 电压基准源在启动过程中，分频器并未开始工作。当基准源电压达到设定 值1 2 v 以后给振荡器、斜坡发生器提供供电电压，此时分频器开始工作，向基准 源提供时钟信号。 ( 4 ) 芯片正常工作后，如果温度高于9 0 度时，过温保护模块使整个芯片停止 工作，直到温度降低于8 0 度后芯片又开始正常工作。 ( 5 ) 当电感电流大于设定值后，过流保护模块会关断功率管，将电感电流限定 在最大值上。 3 1 2 加上外围电路后整个系统的启动过程 当电路刚上电时，f b 反馈回来的电压为低，电压误差放大器输出高电平。此 直流电平与三角波比较同样产生一个低电平，r s 触发器以振荡器产生的最大导通 占空比脉冲信号控制调整管m 1 导通与关断。当m 1 导通时电源对电感充电，此时 二极管反向截止；m l 截止时，电感电流不能突变，电感连接二极管处电压升高， 此时二极管导通，电感对负载充电提高v 。电压。在这个启动过程中，由于对电 感充电时间远大于电感对负载放电的时间，电感电流不停上升，直到电流达到m 1 管所能提供的饱和电流，电感电流便不再上升。当v 。电压到达设定值时，f b 处 管所能提供的饱和电流，电感电流便不再上升。当v 。u 。电压到达设定值时，f b 处 第三章电路原理与仿真 电压高于、k 设定的基准电压，电压误差放大器的输出电平开始降低，此直流反馈 控制信号u 。与三角波经p w m 比较器比较产生一定导通占空比的控制信号，当该 信号占空比小于最大导通占空比时，r s 触发器选择p w m 比较器的输出控制信号 控制m l 。由于控制信号使一个周期内调整管m l 导通时间减短，既电感充电时间 减短；m 1 关断时间延长，既电感对负载放电时间延长。当u 。电平小于三角波的 最小值时，p w m 比较器的输出信号使调整管常关，此时电感电流不断下降，正常 负载情况下电感工作模式由连续工作模式转换到不连续工作模式，f b 点电压再次 小于设定基准电压，经过几次阻尼振荡p w m 比较器输出一个恒定占空比的控制信 号，输出电压、稳定在设定值上( 1 ”。电压设定公式为： 口j 口 = 二：坐 ( 3 1 ) 图3 1 系统典型应用电路及内部框图 各模块功能描述如表3 1 。 3 2 与输入电压变化无关电流偏置模块 本论文所设计的芯片主要应用于p d a ，手机，数码相机等便携产品中，用于 驱动其背光l e d ，这些产品的电源一般都为电池，而电池电压是不断变化的，以 标准的锂电池为例，满电电压为4 2v ，经过一段时间的使用，电池电压不断下降， 电子科技大学硕士学位论文 最后下降至标称值3 6 v 左右。而电流偏置模块产生整个电路工作的偏置电压，这 就要求输入电压的变化对偏置电压的影响很小。因此本论文设计了结构简单且与 输入电压变化( 2 5 v 乙7 无关的电流偏置模块。 3 2 1 电路工作原理 此模块产生整个电路工作的偏置电压，电流偏置模块总共输出了三个偏置电 压b 队s 1 、b 队s 2 、c o m p _ b 队s 提供给内部其他模块，具体电路如图3 2 所示。 s h d n 为电路的使能信号，当它由低电平转为高电平时，三极管q 4 、q 5 所在的支 路有电流通过。q 4 的面积为q 5 面积的4 倍，所以( m 的b e 结电压要小于q 5 的 b e 结电压，即q 4 的b e 结电压趋向于大于q 5 的b e 结电压，而q 4 、q 5 又接 表l 内部模块功能描述 序 模块名称模块功能描述 号 l 偏置电路给所有比较器和运放提供偏置 2 带隙基准源产生基准信号与反馈信号比较，并产生一个内部电压源 3 过温保护当芯片内部温度过高时，关断偏置电流，使芯片停止工作 4 误差比较器 检测反馈信号并放大误差信号 5p w m 比较器 根据负载情况调整占空比 6r s 触发器 两个脉宽信号的或，产生高压开关管的控制信号 7 振荡器产生锯齿波和三角波信号 8过流保护当流过功率管电流超过设定值时，关断功率管 9 最大占空比发生器产生最大占空比信号 1 0 分频器提供给带隙基准时钟控制信号 成电流镜的结构，要求两条支路电流相等。而此时q 3 的b e 结电压足够将q 3 开 启，电流经过p 8 b 、q 3 流向r 9 ，用来抵消q 4 、q 5 发射区面积不同造成的b e 结 电压不同【1 6 】 1 7 】。 此电流计算如下： s2 讪每、。2 讪苦2 讪杀 ( 3 _ 2 ) o s 51 s 41 4 s 5 第三章电路原理与仿真 = s 一= 巧1 n 等一巧l n 等2 1 “ = k r 9 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 图3 2 电流偏置模块电路 式3 2 分别为同样电流大小时q 4 、q 5 的b e 结电压，反比于发射区的面积。 式3 3 为q 4 、q 5 的b e 结电压之差，约3 6 m v 。其中坼是正温度系数，即偏置电 流要随温度的升高而升高，由于巧每变化1 0 0 度研升高8 m v ，所以玎对偏置的 电流的影响并不是很大。如产生以后由p 8 a 和n 7 b