畢業(yè)論文---led照明用恒流電源變換器設計

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設 計</b></p><p>　　LED照明用恒流電源變換器設計</p><p>　　系 別： 電子與電氣工程系 </p><p>　　專 業(yè)：電子信息工程(電子工程方向) </p><p>　　班 級： &l

2、t;/p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： 職稱： 教 授 </p><p>　　2012年 5月 30日</p><p>　　LED Lighting Wi

3、th Constant Current Source Converter Design</p><p>　　LED照明用恒流電源變換器設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　與人們日常生活息息相關的照明技術已經延續(xù)了一百多年的發(fā)展，近年來</p><p>　　LED (light-emit

4、ting diode) 是一個相對較新的電光源，具有效率高，耐久性，LED在照明領域，具有非常廣闊的應用前景。目前，小功率照明應用很成熟，并在大功率照明領域應用時間短，市場仍有很大潛力，本文以汽車照明為應用背景，研究在大功率照明領域驅動解決方案。LED亮度主要受電流的影響，所以最好的驅動方式應該是恒流源驅動。和其他駕駛模式，開關電源技術具有效率高，因此本文基于開關電源技術提供了一種LED的驅動電路。本文所設計的驅動結構是一種高頻降壓直流

5、-直流轉換器，專門用作一個恒定電流源的設計，內部參考電流源和采樣電路監(jiān)視電流輸出，非常適合高電流驅動。高頻率允許使用小的外部元件，電流模式脈寬調制提供了快速瞬態(tài)響應和逐周期電流限制，特別設計的調光電路可以實現寬范圍調光。具體的設計，首先闡述了開關電源的降壓拓撲的基本工作原理，詳細分析了各種調制和控制模式；然后用大功率LED照明應用，提出利用脈寬調制電流控制模式的驅動電路，并分析了其工作過程；然后介紹了主要電路模塊的性能要求和設計思路；最

6、后的手段仿真的總體設計的功能驗證，和頻率的選擇，輸入電壓范圍和調光控制給出了具體的應用說明</p><p>　　關鍵字：LED; 開關電源; 恒流電源; 變換器</p><p>　　LED lighting with constant current source converter design</p><p><b>　　Abstract</b&

7、gt;</p><p>　　Closely linked with the people daily life lighting technology has continued for more than 100 years of development, in recent years</p><p>　　LED ( light-emitting diode ) is a relati

8、vely new electric light source, which has the advantages of high efficiency, durability, LED lighting in the area, with a very broad application prospects. At present, small power lighting applications is very mature, an

9、d in the field of the high-power illumination application time is short, the market still has great potential, according to automotive lighting as the application background, research in the field of the high-power illum

10、ination drive soluti</p><p>　　Key Words: LED ; Switching Power ; Constant Current; Converter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 緒論·······

11、;····································

12、83;·················1</p><p>　　1.1 照明領域的發(fā)展歷史·············

13、·······························1</p><p>　　1.2 LED 照明

14、的原理及其優(yōu)點···································

15、83;···1</p><p>　　1.3 LED 電氣特性和驅動方案··························&#

16、183;············2</p><p>　　1.4 LED 的應用現狀和前景·················&#

17、183;·······················3</p><p>　　2 開關電源原理·······

18、3;····································&#

19、183;·········5</p><p>　　2.1 降壓型開關電源變換器(Buck) ···················

20、83;···············5</p><p>　　2.2 開關調制方式···············

21、83;··································7</p>

22、<p>　　2.2.1 脈寬調制（PWM：Pulse Width Modulation）···················8</p><p>　　2.3 控制方式····&

23、#183;····································

24、;·············8</p><p>　　2.3.1 電壓控制模式·················

25、83;···························8</p><p>　　2.3.2 電流控制模式···&

26、#183;····································

27、;·····9</p><p>　　3 LED 驅動電路的結構·························&

28、#183;···················11</p><p>　　3.1 LED 驅動電路的結構及簡述·········

29、3;···························11</p><p>　　3.2 PWM 發(fā)生器的控制邏輯··

30、83;····································&

31、#183;13</p><p>　　3.3 工作狀態(tài)描述······························

32、···················14</p><p>　　3.3.1 啟動階段狀態(tài)···········

33、83;································14</p><p>　　

34、3.3.2 穩(wěn)定工作狀態(tài)··································

35、3;·········14</p><p>　　3.3.3 自動調節(jié)工作狀態(tài)·····················

36、;···················15</p><p>　　4 子模塊的分析與設計···········

37、83;···································16</

38、p><p>　　4.1 RC 振蕩器································

39、···················16</p><p>　　4.1.1 典型的 RC 振蕩電路··········

40、3;··························16</p><p>　　4.1.2 高精度 RC 振蕩電路···&#

41、183;·································17</p><

42、p>　　4.2 基準電壓源··································

43、·················18</p><p>　　4.2.1 帶隙基準的原理·············&#

44、183;····························18</p><p>　　4.2.2 啟動電路··&

45、#183;····································

46、;·········20</p><p>　　4.3 放大器······················&

47、#183;································22</p><p>

48、　　4.3.1 運算放大器··································

49、83;···········22</p><p>　　4.3.2 緩沖放大器···················&

50、#183;··························24</p><p>　　4.3.3 GM 誤差放大器···&#

51、183;····································

52、··25</p><p>　　4.4 比較器·····························&#

53、183;·························28</p><p>　　4.4.1 普通比較器·····

54、····································

55、3;····28</p><p>　　4.4.2 遲滯比較器··························&#

56、183;···················29</p><p>　　4.5 保護電路···········

57、83;····································&

58、#183;····30</p><p>　　4.5.1 過電流保護電路的設計·························

59、···········30</p><p>　　4.5.2 溫度保護電路的設計···················

60、···················31</p><p>　　4.5.3 欠壓保護電路的設計···········

61、···························32</p><p>　　5 芯片整體仿真及其應用方式舉例···

62、;··································33</p>&

63、lt;p>　　5.1 芯片整體仿真·································&#

64、183;···············33</p><p>　　5.2 應用方式舉例···············&

65、#183;·································36</p><

66、;p>　　5.2.1 開關頻率的選擇·································&

67、#183;········36</p><p>　　5.2.2 輸入電壓范圍估算·····················&#

68、183;··················37</p><p>　　5.2.3 調光控制············&

69、#183;···································38<

70、;/p><p>　　6 總結································

71、3;····························42</p><p>　　參考文獻···

72、83;····································&

73、#183;··················43</p><p>　　致謝·············&#

74、183;····································

75、·············44</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 照明領域的發(fā)展歷史</p><p>　　電光源的發(fā)明改變了人們的生活方式，讓人可以在白天黑夜里都一樣生活著

76、。電氣照明史在三個重要的發(fā)展階段白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈上花費了100多年的光陰。</p><p>　　白熾燈的工作原理是在燈泡鎢絲燈泡內的電加熱氣體與光激發(fā)。優(yōu)點是：體積小，成本低，色澤好，顏色溫度低，給人一種舒服的感覺，臥室客廳客廳中常用照明；啟動性能好，特別適用于應急照明；工作電壓范圍寬，輸出的光電壓變化和不斷變化，和便于實現亮度調整；但發(fā)光效率低，壽命短。</p><p>

77、　　氣體放電燈的原理是利用電極之間的氣體，電子的激發(fā)和發(fā)光。根據放電管放電氣體在不同的壓力可分為低壓氣體放電燈和高壓氣體放電燈（也被稱為高強度氣體放電燈）。低壓氣體放電燈熒光燈作為典型代表，主要來源是室內照明的白熾燈，具有無可比擬的優(yōu)點，發(fā)光效率高，壽命長，色澤好，顏色溫度范圍，不影響視覺。熒光燈為主的商業(yè)和工業(yè)照明。</p><p>　　高強度氣體放電燈主要包括高壓汞燈，高壓鈉燈，金屬鹵化物燈，燈的發(fā)光原理基本

78、相同，但有不同的光輸出。高壓汞燈光效率較低，顏色差和使用壽命短，主要用于戶外照明及一些工礦企業(yè)室內照明，高壓鈉燈、金屬鹵化物燈，發(fā)光效率高，色澤好，光線集中等優(yōu)點，廣泛應用于大型場館的照明和汽車照明等領域。</p><p>　　1.2 LED照明的原理及其優(yōu)點</p><p>　　LED（LED）是近年來發(fā)展的一個新的電光源材料，其基本結構是一個LED，該Ⅲ-Ⅳ芳香化合物，如GaAs（砷化

79、鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是 PN 結，因此它具有一般 PN 結的I-N 特性，即正向導通、反向截止和擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由 N 區(qū)注入 P 區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 N 區(qū)。進入對方區(qū)域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發(fā)光。相對于白熾燈，熒光燈和高強度氣體放電燈，LED 有著非常顯著的優(yōu)勢。</p><p>

80、;　　一、效率高。傳統(tǒng)的光源使用黑體輻射發(fā)射能量，只有10%可以轉化成可見光，獲得</p><p>　　彩色光需要使用彩色濾光片，造成能源浪費。LED光譜窄，效率高，單色性好，沒有過濾，直接光。</p><p>　　二、節(jié)能好。特性是：電壓低，電流小，亮度高。一個 10w 的 LED 光源發(fā)出的光能與一個 35W 的白熾燈發(fā)出的光一樣，照明效果同樣的 LED 比傳統(tǒng)光源節(jié)能 70%-80%

81、。</p><p>　　三、使用壽命長。白熾燈的燈絲鎢絲加熱使用輕，容易燒壞，光衰減得越快，和玻璃泡殼容易損壞，一般壽命約1000小時。高功率固體半導體芯片將電能轉化為光能，能抵抗高強度震動和撞擊。單生活超過1每天00000小時，即使連續(xù)使用能力，也能夠工作20幾年。</p><p>　　四、很多光色。白光或彩光都可以選擇，紅色，黃色，藍色，綠色等，還能組合出各種想要的色彩燈飾。</

82、p><p>　　五、安全度高。發(fā)光穩(wěn)定，可準確控制的強光燈，小，熱量低，因為它是冷安全觸摸。</p><p>　　六、符合環(huán)保的趨勢。發(fā)光材料是半導體，不含汞和其他有害元素。白光LED的光譜中沒有紫外線輻射，被譽為“綠色照明”。</p><p>　　1.3 LED 電氣特性和驅動方案</p><p>　　LED可以使用直流電源系統(tǒng)驅動，這里我們以

83、美國流明公司飛利浦產品麗訊三系列白色LED為例來研究直流特性。圖1-1顯示了25℃白色LED的正向平均電流正向壓降曲線。從圖1-1清楚地發(fā)現，白色LED有一個積極的開啟電壓，大小約3.2v，LED正向平均電流與電壓大幅度增加線性增長，那么小的正電壓波動會造成顯著正向電流波動。圖1-2顯示了25℃白色LED的發(fā)光量標準和正向電流曲線。當白光LED的正向電流大于100 mA的白色LED可以有效地發(fā)光，標準光源數量變化與正向電流幾乎呈線性。&

84、lt;/p><p>　　圖1-1 25℃白光LED平均正向電流與正向壓降的關系曲線</p><p>　　圖1-2 25℃白光LED標準發(fā)光量與正向電流的關系曲線</p><p>　　1.4 LED 的應用現狀和前景</p><p>　　小功率LED的應用發(fā)展很快，移動電話，掌上電腦，和一系列的消費電子產品變得越來越受歡迎，作為用戶的時尚和個性需求

85、，各種背光彩色發(fā)光照明、光電功能已經不能滿足用戶，彩色顯示屏和多媒體應用綜合已經成為市場的主流。在顯示技術，市場上有2種基本液晶顯示技術，使用超扭曲向列相液晶（液晶）或薄膜晶體管（液晶）顯示，這種方式需要白光照明。因為光頻譜包含所有的顏色，并顯示過濾器的光譜選擇所需的顏色。白光 LED功耗低，壽命長，是目前照明用最好的選擇方案。</p><p>　　固態(tài)光源里中大功率的LED，可大量使用在白光一般照明，裝飾照明，

86、汽</p><p>　　車燈，交通信號顯示，背景顯示，大屏幕，特種照明，軍事照明和旅游業(yè)，輕工產品等。本申請時間短，市場仍有很大潛力，一個最有前途的，現有的汽車取代白熾燈的LED燈?，F在汽車制動燈，轉向燈，霧燈和其他分散，導致取代白熾燈，從發(fā)展的角度來看，汽車燈，倒車燈，大燈是可能使用的大功率LED相反，雖然有些是紅色或黃色發(fā)光，但目前的高亮度白光LED強度最大，可以使用紅色或黃色透明塑料罩濾波器實現直接用帶紅色

87、或黃色導致更好的結果。因為大地震導致的機械強度，壽命長（比汽車本身，使用壽命長），可以有效節(jié)省維修費用，甚至從修理。電池電壓是12v，汽車消費越來越大，未來的標準電壓進行，那么未來發(fā)展電源供應汽車驅動將是主流產品的需求。</p><p><b>　　第2章 開關電源</b></p><p>　　本章將要介紹的是開關電源 DC－DC 變換器 Buck 拓撲結構，電流控制

88、模式符合LED 驅動特點，并在穩(wěn)定性、準確度和性能等主要問題進行了分析。</p><p>　　2.1 開關電源變換器(Buck)</p><p>　　開關型變換器應用最早在 20 世紀 60 年代。在輸入和輸出之間裝上高速通斷的晶體管，輸出直流電壓的平均值通過調節(jié)占空比來控制。如圖 2.1 所示開關電源降壓Buck 變換器的原理圖。開關 Q1與輸入電壓Vdc相連。周期 T 內，Q1的導通時

89、間是 Ton 。在 Q1 導通時，V1 處電壓是Vdc (設 Q1 導通時兩端的電壓為零)。Q1 關斷時V1點的電壓下降到0V，則V1 處的電壓波形是矩形電波，如圖 2.2 所示，Ton 的電壓是Vdc ，其余時間電壓為零，則V1 點一個周期內的平均電壓直流值是Vdc Ton /T。LC 濾波器處在V1和 Vo 之間它使輸出點 Vo 成為幅值等于Vdc Ton /T 的無尖鋒無紋波的直流電壓。</p><p>　

90、　圖2-1 開關電源Buck拓撲的原理圖</p><p>　　損耗低，效率高是Buck 電路最大的優(yōu)點，接下來介紹一下整個電路波形變化及工作過程，設Vo為輸出電壓。</p><p>　　圖2-2 Buck變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點波形</p><p>　　當周期開始時，電感L的起始電流是I1 ，Q1 由二極管反偏截止，控制信號驅動后導通，加在 L 上的電壓是Vdc-

91、Vo，因為電壓恒定處在電感兩端，所以電流線性上升到I2，其斜率為dI/ dt= (Vdc –Vo )/L。當Q1 關斷時，電感的電流無法改變，電壓極性在電感兩端顛倒，二極管導通續(xù)流，這種現象就是電感反沖。沒有接二極管 D1的話，保持電感 L 上的電流方向不變，這會讓 Q1 兩端的電壓差過大而損壞開關。為了使電感中的電流線性下降，連接二極管，使電感兩端電壓極性產生反轉，其斜率為dI/ dt= (Vd1+Vo )/L。Q1 關斷結束后，電感

92、上的電流降低為1I 。Q1 再導通時，D1 的電流減少，直到 電流變0，因為Q1 上的電流增長并取代了二極管的 D1 正向電流，D1 再次反偏，V1 恢復到</p><p>　　Vdc ，電感的電流變化過程重復上一個周期。電感的電流在整個周期內，會有I2-I1的變化，輸出電流 Io 為I1+1/2 (I2-I1 )。</p><p>　　電流在下降時沒有下降為 0，也就是I1 >0，

93、這種模式就是連續(xù)工作模式，如圖 2-2中所示。電感上的電流在下降時下降到0，也就是在電感上的儲能已經完全釋放，這樣的工作模式是不連續(xù)模式，如圖 2-3所示。</p><p>　　圖2-3 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖</p><p>　　2.2 開關調制方式</p><p>　　在調制方式上開關電源電路的調制方式主要有脈寬調制和脈頻調制。我們主要介紹PWM調制方式&

94、lt;/p><p>　　2.2.1 脈寬調制（PWM：Pulse Width Modulation）</p><p>　　開關頻率保持不變的是脈寬調制，占空比是通過調整開啟脈沖寬度來改變</p><p>　　的，從而實現能源的負荷轉移控制，稱為“定頻調寬”。</p><p>　　PWM脈寬調制開關電源轉換器是最常用的方法，通過反饋端的反饋信號和參

95、考信號的差異，內部產生的鋸齒波進行比較，并輸出一個恒定頻率可變寬度方波信號來控制開關管，可以根據負載調速開關管開啟時間，從而使輸出電壓穩(wěn)定。</p><p>　　PWM 調制適用于電壓和電流控制模式，在負載較重的情況下具有：效率很高，電壓調整率高，線性度高，輸出紋波小。</p><p><b>　　2.3 控制方式</b></p><p>　　

96、開關電源 DC－DC 變換器有兩種控制模式，分別是電流控制模式（Current Ctonrol Mode）和電壓控制模式（Voltage Ctonrol Mode）。</p><p>　　2.3.1 電壓控制模式</p><p>　　將一個鋸齒波與誤差放大器的輸出電壓進行比較就是電壓控制的原理，產生控制用的 PWM 信號。PWM 電壓模式的控制原理圖如圖 2-5 所示，其原理為：講放大的誤

97、差電壓Vea 輸入到脈寬調整器(電壓比較器)中。誤差電壓Vea是由R1和R2檢測出來的電壓V。輸入誤差放大器EA中與參考電壓Vref比較獲得。</p><p>　　圖2-5 PWM電壓模式控制原理圖</p><p>　　2.3.2 電流控制模式</p><p>　　針對電壓控制方式的缺點，近年來開發(fā)的電流控制技術。電流控制模式可分為峰值電流模式控制（脈沖編碼調制峰值

98、電流模式）和平均電流模式控制（計算機：平均電流模式），含石棉材料的相變材料的基礎上發(fā)展起來的電流控制模式，通常稱為峰值電流控制模式。電流控制模式是在電壓控制模式的基礎上，增加，電流負反饋環(huán)節(jié)，電感電流不再是一個獨立的變量，使開關電源變換成一階無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有一個桿和一個90度的相位滯后，從而容易沒有限制大開放的增加和改善小信號，信號特征。根據最優(yōu)控制理論，系</p><p>　　統(tǒng)實現全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，可

99、以實現最小平方誤差積分指標的動態(tài)響應。因此，在脈寬調制和輸出電壓和電感電流反饋信號的雙閉環(huán)控制是一致的一個最優(yōu)控制法。圖 2.6 為 PWM 峰值電流控制模式的原理框圖。與電壓控制方式的不同，電流控制方式的脈寬調制電壓比較器的輸入端的電壓控制模式在鋸齒信號改變電感電流采樣值轉換成一個電壓比較器，另一端是輸出電壓采樣值與參考值的誤差放大器。在每個周期開始時，時鐘信號控制開關開啟，電流在開關和電感上增加，當電流增加與比vilella，觸發(fā)端

100、高電位，關閉開關。如果Vdc 增大，則 Vs 上升速度會因為開關導通加快，Vs 超過Vea 所用的時間縮短，則Ton 變短；若Vdc 減小，則 Vs 超過Vea 讓 PWM 需要更長的時間來控制信號。所以不管輸入電壓Vdc 如何波動，開關的導通時間Ton都能通過電流控制改變 ，使得輸出電壓穩(wěn)定為Vo=Vref(1+R1/R2)。</p><p>　　圖2-6 PWM峰值電流型控制原理圖</p>&l

101、t;p>　　從圖 2-6 上可以看到，電流控制是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由輸出電壓反饋電路是由電壓外環(huán)控制，電流環(huán)，內環(huán)電流在每個開關周期的增加，直至達到設定誤差電壓閾值電壓外環(huán)，電流環(huán)是瞬時快到每個周期脈沖電流取樣，檢測動態(tài)變化輸出電感電流，電壓外環(huán)只負責控制輸出電壓。因此，電流控制模式與電壓控制模式更大的帶寬，理論分析和試驗，證明了電流模式控制有許多優(yōu)點比電壓模式控制。</p><p>　　第3章 LED

102、驅動電路的結構</p><p>　　在第一章中有詳細的說明設計和驅動應用環(huán)境和驅動電路設計需要考慮的各種基本模式，設計了一種驅動芯片使用電流模式脈寬調制控制降壓結構。如第一章緒論，電流控制模式比電壓控制模式相比具有更高的效率，更好的負載調整率和線性調整，因為是一個閉環(huán)系統(tǒng)，但也有更好的穩(wěn)定性和更簡單的設計方法。而使用降壓途徑是由于電池電壓高于典型值12v，驅動所需的電壓，所以需要驅動的降壓拓撲。采用脈寬調制控制由

103、于大功率照明等重負荷的條件下，效率高，電壓調整率高，線性度高，低輸出紋波。</p><p>　　本文所設計的驅動芯片作為穩(wěn)定的照明電光源，基本要求是在外界條件變化時保持穩(wěn)定的亮度。從圖1-2顯示發(fā)光量基本與正向平均電流成線性關系，當流過LED正向平均電流增大，LED發(fā)光亮度是一個線性增加，所以控制LED亮度基本上是通過控制LED正向平均電流。圖1-1給出的LED驅動在常溫下I - V曲線，從圖中可以看出在正向電壓

104、低于一個閾值，電流小，無光。當電壓超過一定的閾值，電流與電壓迅速增加，使LED的發(fā)光。通過控制電壓的抗體可以控制電流的設備，從而控制LED亮度，但如果恒壓源的驅動，和小的變化將造成較大變化的亮度，也會產生很大的變化，從而導致如果使用恒定電壓驅動方式無法滿足日常照明光源亮度穩(wěn)定的要求，因此，要精確控制高功率LED亮度，驅動器的輸出必須提供準確的恒定電流，使高功率LED一般采用恒定電流源驅動。</p><p>　　3

105、.1 LED 驅動電路的結構及簡述</p><p>　　經過之前的理論分析，LED 驅動芯片在本設計中的總體結構圖如圖 3-1所示：</p><p>　　圖3-1 LED驅動芯片總結構圖</p><p>　　Vin ： Vin 引腳連接外部電源，起到對 LED 驅動電路內部的控制電路和開關管輸送電流的作用，SHDN ：SHDN 引腳是關閉整個驅動電路的，驅動電路工作

106、啟動在該引腳的電壓升為2.5V 時。不使用的話則讓引腳連到Vin。TR ：TR 是用來控制內部振蕩器頻率的。內部基準的緩沖輸出由REF：REF 控制。調節(jié) LED 電流的大小可把 REF 引腳連接至引腳Vadj ，也可以用一個電阻分壓器在Vadj 引腳上產生一個較低的電壓。接在放大器內部電壓輸入端的是Vadj：Vadj 引腳。將REF引腳與Vadj引腳連接，可以輸出電流為1A。輸出電流想要第一點的話，可以根據式 3-1 來設置Vadj

107、的電壓：</p><p>　　11.25ADJLEDVI AV= × ………………………………………………………（3-1）</p><p>　　接連接到地電位的引腳是GND：GND 。內部誤差放大器由Vc ： Vc 決定輸出。內部電路與CV 引腳是否連接由PWM：PWM 引腳控制。LED 的正極連接到LED：LED 引腳，利用電流檢測電阻器的輸出。OUT：OUT連接到輸出電容器和

108、電感器，利用電流檢測電阻的輸入。SW：SW 引腳接到續(xù)流二極管和電感器上，是內部電源開關的輸出。LED驅動芯片在每個周期，反饋回路控制開關的峰值電流，并沒有直接供電的開關占空比的方法。與電壓控制模式，電流模式控制，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性的循環(huán)，并提供逐周期電流限制。每個周期開始時，振蕩器產生的低電壓是用來連接內部開關。開關和外部電感電流的我開始增加，當電流超過某一水平所決定的簡歷引腳電壓，電壓比較器將RS觸發(fā)器輸出，從而切斷開關。外部電感電

109、流通過外部二極管，并開始下降。當收到一個低脈沖，周期重新開始。所以，簡歷引腳電容的電壓控制通過電感電流和輸出電流。內部錯誤放大器通過不斷調整簡歷引腳電壓調節(jié)輸出電流。電壓的Vadj引腳設置通過引腳電流調節(jié)器，通過1.25kΩ電阻獲得和Vadj成比例的電流，電流流過100歐姆的電阻。通用放大器是負責維護的簡歷引腳電壓，建立</p><p>　　3.2 PWM 發(fā)生器的控制邏輯</p><p>

110、;　　圖3-2 PWM邏輯控制信號發(fā)生器</p><p>　　開關電源的對輸出的調整是通過控制開關管導通和關斷的占空比，因此作為整個芯片產生 PWM 調制信號的核心部分，控制邏輯直接決定了對開關管的 PWM調制實現方法。本芯片產生 PWM 調制信號的邏輯電路部分如圖 3-2 所示。</p><p>　　開關管控制邏輯主要有三個特點：一、開關是由振蕩器的輸出邏輯“0”觸發(fā)；二、關閉由比較器輸

111、出邏輯“1”觸發(fā)；三、如果振蕩器的邏輯“1”之前，</p><p>　　該比較器輸出邏輯“1”，然后開關，和輸出的比較邏輯狀態(tài)。因此，如果振蕩器的頻率，開關的脈寬調制信號的工作周期通常是由芯片電流控制回路，最大占空比的工作周期是由一個振蕩器。</p><p><b>　　3.3 工作狀態(tài)</b></p><p>　　工作狀態(tài)分為三種：啟動階段狀

112、態(tài)、穩(wěn)定工作狀態(tài)、自動調節(jié)工作狀態(tài)。</p><p>　　3.3.1 啟動階段</p><p>　　啟動期間， Vout 為低電壓。想要調整管 Q2 正常運作要使Vout 具有足夠的電壓。所以設計了比較器在芯片內部，用來檢測Vout ，當低于 2V 時，要強制為Vc 充電是通過一個二極管來達到的，讓開關管工作，輸出電容Cout從電感 L 上獲得電壓，當Vout 的電壓升至 2V 的時候停止

113、獲得，這個時候調整關Q2的工作狀態(tài)為正常。</p><p>　　3.3.2 穩(wěn)定工作</p><p>　　在 LED 驅動器穩(wěn)定工作的過程中，一個周期的開始時刻，振蕩器輸出的低電壓和Q的邏輯“0”經過或非門使開關管導通，開關電流通過電感L對輸出電容Cout充電，電感電流LI 線性上升[12]。LED 上的電流同時流過 0.1 Ω 的采樣電阻，采樣電阻上的壓降與基準電流通過 100Ω電阻的壓

114、降進行比較，雙方的壓力差通過通用放大器，放大器的輸出電流對電容充放電電容，電壓的比較器反相輸入端的基準電壓，比較器的正輸入開關電流采樣后得到的電壓與和正斜率補償電壓，當電壓和過電壓時電容器，比較器輸出從低層次向高水平的營業(yè)額，是引發(fā)的輸入端子是“1”，使“1”，所以問邏輯開關管的關閉[12]。在剩下的時間內，續(xù)流二極管導電，電感電流線性減小，輸出電容法院繼續(xù)提供電流[12]。理想情況下，在整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定的輸出電壓，電容器電容基本保持恒

115、定，每個周期的流出的領導和我從電感電流等于。0.1Ω電阻和100ohm電阻的壓降等于電壓保持恒定[12]。</p><p>　　3.3.3 自動調節(jié)狀態(tài)</p><p>　　系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，各項參數均在一個恒定值，處于平衡狀態(tài)，如果一個參數或外部環(huán)境的變化，如參考電流調整或負載變化時，則系統(tǒng)穩(wěn)定平衡狀態(tài)的打破，但因為一個負反饋回路，系統(tǒng)會自動調整達到新的平衡。目前的參考源變小為例，介紹了調

116、整過程。當電流基準減小，即流經 100Ω電流減小，壓降隨之變小。電流在LED上沒有馬上改變，則電阻 0.1Ω還繼續(xù)維持原來的壓降，導致GM 放大器從 C 上抽走電流，電容 C 上的電壓下降，則比較器的翻轉電平值降低，電源對開關提供的電流減小，這樣電感 L 對輸出電容</p><p>　　Cout 的平均充電電流也就減少了，最終使輸出電容Cout對 LED 提供的電流減小到基準電流值，0.1 Ω 電阻和 100 Ω

117、 電阻的壓降相等，電容 C 的電壓保持不變，系統(tǒng)穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài)[12]。</p><p>　　第4章 子模塊的分析與設計</p><p>　　4.1 RC 振蕩器</p><p>　　4.1.1 典型的 RC 振蕩電路</p><p>　　我們使用了以下三個振蕩器：振蕩器，振蕩器和振蕩器。晶體振蕩頻率精度，但價格高；環(huán)形振蕩器的布局面積大

118、，振動頻率高，但其穩(wěn)定性不好；和振蕩器具有成本低，沒有電感，可調頻率和電容電阻可以被集成到一個芯片次要優(yōu)點，但精度不高，一般在1%至10%，對工藝參數和溫度敏感，影響其工作電壓頻率。雖然振蕩器有很多優(yōu)點，但電路結構仍然是有限的，在許多苛刻的應用。振蕩器僅能工作在較低的頻率，這些限制使振蕩器適合應用在低成本，低精度的應用，如音頻發(fā)生器，報警，閃爍的燈光。雖然在某些要求精度在1%到10 %的振蕩器的應用，取而代之的將是高價格的晶體振蕩器，但

119、其成本優(yōu)勢是非常明顯的。大多數的振蕩器使用電阻和電容的振蕩周期的確定。振蕩周期和大小是成正比的。然而，電阻電容的變化以及電路中放大器的延遲會顯著改變振蕩器的頻率。高頻開關模塊的原理圖如圖7所示。圖，是一個關鍵部分開關轉換器和脈寬調制控制。單片機實現監(jiān)控模塊，通訊等。 </p><p>　　圖4-1 傳統(tǒng)的RC振蕩器</p><p>　　典型的非對稱多諧振蕩器振蕩器包括三逆變器與一二輸入與非

120、門，如圖4.1所示，其中振蕩器由非門I 1和逆變器碘，內容，和i1at一端的振動信號被添加，使非門輸出電壓的振動的轉折點，使電路振動的。典型的非對稱多諧振蕩器振蕩器包括三逆變器與一二輸入與非門，如圖4.1所示，其中振蕩器由非門I 1和逆變器碘，內容，和i1at一端的振動信號被添加，使非門輸出電壓的振動的轉折點，使電路振動的。逆變器i4role振蕩波形整形和驅動器上。該振蕩器周期為鋼筋混凝土≈2.2rc稀土。這種振蕩器是由逆變器。因為，所

121、以轉換閾值電壓的電源電壓敵敵畏變化很敏感，如敵敵畏變化，電源的噪聲是直接添加到振蕩信號，振蕩頻率如此不安。此外，工藝參數確定管手感值，和振蕩頻率和馬鞍山手感值，使振蕩頻率由于過程中的變化。</p><p>　　4.1.2 高精度 RC 振蕩電路</p><p>　　鑒于振蕩器的關鍵參數，直接影響到工藝參數和供電電壓，導致缺少穩(wěn)定性，因此基于比較器的振蕩器電路被提出，圖4-2電路，電容器恒流

122、充電或放電就是通過比較器輸出控制，電參考電壓在電容極板電壓間的變化在二一之間，從而產生振蕩周而復始。該refv相連的三分壓電阻，以減少的影響，電流源管阻力，可以產生參考電路的大小調整，通過電阻，具體原則在4.2節(jié)說明。</p><p>　　圖4-2 改進后的RC振蕩器原理圖</p><p><b>　　4.2 基準電壓源</b></p><p>

123、;　　參考電壓源系統(tǒng)中最重要的一個性能模塊，在各種模擬電路具有非常廣泛的應用。通常我們需要一個幾乎是獨立的溫度，電源電壓和參考過程工藝參數。目前較常用的參考源</p><p>　　技術參考齊納和帶隙參考，這里的設計參考了帶隙基準。</p><p>　　4.2.1 帶隙基準的原理</p><p>　　如果有相反的溫度系數與適當的加權和，那么結果顯示溫度系數為0。例如，

124、對于隨溫度變化向相反方向變化的V1 和V2 來說，我們選取α1和α 2使得,這樣就得到了具有零溫度系數的電壓基準源Vref = α1 V1+ α2V2。因此，我們需要確定一個正溫度系數和負溫度系數的2種電壓的半導體技術，各種參數的裝置，一個雙極晶體管的特性參數是證明有最好的重復性，并能提供一個正溫度系數和負溫度系數的嚴格定義的體積[12]。帶隙基準源的 PTAT 部分由與電源無關的偏置電路和兩個橫截面積之比為n的 PNP 管構成[12]

125、。假設 M1和 M2 是相同的 NMOS 管，M3 和 M4 為相同的 PMOS 管，形成一個回路，產生的電流與電源電壓無關。因為 M3～M4 柵源偏置電壓相同，所以M3～M4 的電流大小相等，要使 M1～M2 的電流相等，則 M1～M2 的柵源偏置電壓要相等[12]。因為 M1～M2 的柵電壓的電位相同，所以源電壓的電位也要相同，即Va = Vb，又因為流過 PNP 管的電流密度之比由橫截面機之比n決定[12]。所以：</p&g

126、t;<p>　　因為 M5 和 M4 是相同的 PMOS 管，則：</p><p>　　則輸出的基準電壓為： (4-5)</p><p>　　考慮到在室溫下BE3V 的溫度系數為 -1.5 mV /°C，Vt 在室溫下的溫度系數為+0.087 mV /°C，為了設計出零溫度系數[12]。選擇：</p><p>　　圖4-3 典型

127、的帶隙基準源</p><p><b>　　4.2.2啟動電路</b></p><p>　　在設計時參考電壓也需要考慮的現象：當一個參考電路上電偏置電流為零，因為目前的繁殖特性，所有部門繼續(xù)保持目前的一零，這會導致無限期關閉，無法獲得所需的輸出參考。因此，我們可以知道，一個參考電壓電路可以穩(wěn)定在不同的國家，因此我們需要擺脫零偏置電流的穩(wěn)定狀態(tài)。解決問題的基本思路是避免起

128、始基準電路上電期間維持零偏置電流，可以提高啟動模塊實現以下功能：權力的參考電路提供從電源到地面，從而使偏置電流不為零，當參考電路形成一個偏置電流，起動模塊不會造成任何影響。</p><p>　　圖4-5 折疊式運算放大器的結構</p><p>　　啟動電路的具體實現如圖4-5中所示，在上電后，4R和6R 上流過的電流為零，因此 M15 的柵極和 M13 的源極為地電位，M15 導通后M14

129、 和 M13 隨后導通，M13 導通使得 M5～M8 導通，M6 和 M8 導通使得 M1～M4 導通。此時 Q1 管也導通，所以 M15 的源極電位為V be1 [12]。因為大電阻8R的負反饋作用顯著，則Vs15≈丨Vthp丨+Vbe1，所以 M13 的柵壓 Vg13 ≤Vbe1+丨Vthp丨，M13 的源極約為2V，Vbe1+丨Vthp丨<2+Vthn，所以 M13 關斷，結束啟動過程[12]。</p><

130、;p><b>　　4.3 放大器</b></p><p>　　4.3.1 運算放大器</p><p>　　在模擬電路中運算放大器是很非常核心的一部分，一般使用在反饋電路中。設計運算放大器未能達到通用設計，是因為放大器的參數互相牽制，這就造成放大器設計成一個多層面的優(yōu)化問題。設計運算放大器，需要從開始認識到的參數之間的權衡，這一特點，最終需要在整體設計上綜合考慮，

131、因此我們必須滿足每一個參數的適當的數值。</p><p>　　4.3.1.1 運算放大器的基本結構</p><p>　　由于差分放大器電源抑制高線性度等優(yōu)良性能，基本上所有的放大器設計都是從最基本的差分放大器結構改進，才能在不同的環(huán)境中使用。性能參數是我們設計一個運算放大器首要考慮的，像一些常規(guī)特性，第一關注的有開環(huán)增益跟輸出電壓擺幅。是一個差分放大器的低頻小信號增益，這里gm 為差分輸入

132、對的跨導，ron 和rop 分別為 NMOS和 PMOS 的等效輸出電阻[12]。在電流為亞微米型條件下，很難超過 20的增益，高增益通過提高輸出阻抗和輸入對管的跨導，其中增加輸出阻抗的方法就是采用共源共柵電路，其增益級約為。但是，這是減少輸出擺幅和增長極為代價。級聯運算放大器有2種電路結構，一個“套”級聯運算放大器，另一種是“折疊”級聯運算放大器。”折疊”級聯運算放大器結構提出了“套”級聯運算放大器的輸出擺幅是有限的，在實際應用中，很

133、難使輸入和輸出電路，但“折疊”級聯運算放大器這一優(yōu)勢在大功率，低電壓增益，降低頻率和高費用的噪音。一個運算放大器輸入對管的小信號電流流過直接輸出阻抗，使電路增益限制在輸入跨導和輸出阻抗的產品，雖然這些電路級聯結構，通過增加輸出阻抗來提高增益，但限制的輸出擺幅。在一些應用中，一級的級聯運算</p><p>　　4.3.1.2 折疊式運放結構</p><p>　　為了實現高的開環(huán)增益和高輸出擺

134、幅，放大器采用一二級結構，通常第一階段主要提供高增益，二級大輸出擺幅。由于設計中的運算放大器的輸入電壓范圍是0.15～順序，輸入電壓范圍的特點是表面電位和輸入范圍大，所以第一級運算放大器使用半導體作為輸入</p><p>　　的折疊放大器，以提高驅動能力和輸出擺幅，二級采用共源電路，并通過電流鏡的雙端單端輸出，放大器的偏置電壓從一個參考電路。</p><p>　　圖4-6 折疊式運算放大器

135、的結構</p><p>　　二級運算放大器的電路結構如圖 4-6 所示，M1、M4、M5、M8 和 M9 為電流源，為了實現近地電壓的輸入，需要調小 M4 和 M5 的過驅動電壓，放大器的增益計算如下。</p><p><b>　　第1級增益為：</b></p><p><b>　　第2級的增益為：</b></p&g

136、t;<p>　　4.3.2 緩沖放大器</p><p>　　LED驅動芯片設置LED的輸出電流是一個電流參考源，在參考電壓輸入電壓電流運算放大器后我們就可以獲得一個參考電流。調光功能的實現，可作為參考電壓源的電阻分壓器的方式獲得所需的參考電壓，當電壓電流運算放大器的輸入端，從而得到不同的電流參考，具體應用在第五章闡述了應用部分。如果部分4.2the參考電壓的電阻分壓得到較小的電壓參考，實際不可行的。

137、在這里，我們需要一個緩沖功能的中間模塊，其不影響精度</p><p>　　的基準電壓產生，并在電阻分壓器是理想的參考電壓，換句話說，希望得到一個輸入阻抗很大，但很小的運算放大器輸出阻抗。一般運算放大器的輸入級是馬鞍山上管，它的輸入電阻很大，為獲得較高的電壓增益，輸出電阻往往較大，因此我們主要考慮如何獲得較小的運算放大器輸出阻抗。有2種方法：第一種方法是在運算放大器的輸出級采用源極跟隨器，源跟隨器在使用管獲得低輸出

138、電阻，輸出電阻的方法是數量級的1 /通用；另一種方法是使用電壓并聯負反饋的原則，假設操作放大器的輸出阻抗，開環(huán)增益，反饋系數，然后輸出電阻是反滲透/（+自動切片），通常較大，所以十Ω周圍的輸出電阻?？梢姸玫姆椒ǎ⒒谏鲜龇治鎏岢隽嘶窘Y構的緩沖運算放大器圖4-7。</p><p>　　圖4-7 緩沖放大器結構</p><p>　　負反饋的實現，將輸出端 OUT 直接接至 M2 的柵極

139、，所以 F = 1。開路輸出阻抗 Ro = r 9 P r7；增益 A可以分兩級考慮：</p><p><b>　　第1級增益是：</b></p><p><b>　　第2級增益是: </b></p><p>　　4.3.3 GM誤差放大器 </p><p>　　LED 驅動芯片中的 GM 誤差放大

140、器其實就是一個運算跨導放大器 OTA（Operational Transconductance Amplifier），其輸入電壓來自于 LED 電流采樣電阻 0.1Ω上的電壓和基準電流源流過電阻 100Ω上產生的電壓，其輸出是一個電流源或電流漏，用于對負載電容 C 的驅動[12]。。通用GM放大器的最終設計</p><p>　　結構如圖4-8所示。誤差放大器分為三個部分：偏置部分，高增益差分輸入部分，電流放大輸出

141、部分，MOS 管 M16 和 M17 為偏置部分，為電流源提供柵壓。MOS 管 M1～M9 是差分輸入級。差分輸入級的電壓增益可以通過提高 M6 和 M9 的漏極輸出電阻實現高增益。MOS 管 M10～M15 構成了電流輸出部分，它實際上是一個推挽源極跟隨器， M11和 M14 分別與 M12 和 M15 構成了互補對稱結構，其柵壓可以相互補償，M10 和 M13為 M11 和 M12 提供電流偏置[12]。電阻輸出為：</p&g

142、t;<p>　　負載電容充電時，其正擺率：</p><p>　　負載電容放電時，其負擺率：</p><p>　　因為輸出裝置的絕對價值的大隱靜脈可大，輸出設備可以保持開放狀態(tài)，確保有足夠的電流源，從而提供高轉換率。</p><p>　　圖4-8 GM誤差放大器</p><p><b>　　4.4 比較器</b&g

143、t;</p><p>　　4.4.1 普通比較器</p><p>　　圖4-9 普通比較器的電路結構</p><p>　　比較器是一個非常重要的功能模塊，在控制電路，啟動電路，保護電路采用，它的功能是用來判斷輸入信號的大小，輸出邏輯電平[12]。電壓比較器，運算放大器的電路結構性能基本相同，不同的是比較器工作在開環(huán)模式，重點考慮的是轉換速度，增益和輸入失調電壓[12

144、]。為了提高差分放大器的電壓增益，降低輸入偏移，提高了靈敏度比較，設計的比較器采用雙級放大器結構，和輸出終端與水平的提高逆變器，具體的電路結構如圖4-9所示[12]。第一級是差分輸入級，PMOS 對管 M2～M3 雙端輸入，NMOS 管 M4～M5 實現單端輸出；第二級是共源放大級，用 NMOS 管 M7 作為輸入，PMOS 管 M6 作電流源負載；第三級采用推挽式 CMOS 反相器，由于采用反相器，所以幾乎能達到滿幅輸出[12]。在靜

145、態(tài)偏置設計中，來自于基準電路的偏置電壓VBias 使電流源 M1 和 M6工作在飽和</p><p>　　區(qū)，在同一時間偏移所設計的二級和第三級的靜態(tài)輸出電壓大幅一半的供電電壓，保證后期反相器可以工作在高增益區(qū)[12]。</p><p>　　4.4.2 遲滯比較器</p><p>　　一般比較器在實際應用中并不能有效工作，例如，如果電源電壓噪聲大，和它的意思是在欠壓

146、保護電位，比較器的輸出噪聲的變化，導致頻繁開啟和關閉的驅動芯片。在這種情況下，我們希望傳播特性的修改，需要引入滯環(huán)比較器。</p><p>　　遲滯比較器生成方法很多，這些方法都是利用正反饋，又可以分為外部或內部的方法。外部滯后使用外部反饋實現延遲。內部遲滯比較器的結構如圖 4-10，由一個高增益差分輸入及和一個雙端轉單端輸出放大器組成[12]。電路中有兩條反饋路徑：第1條是晶體管 M2 和 M3的共源節(jié)點串聯電

147、流反饋，這條反饋通路是負反饋；第2條是連接 M5 和 M6 的源—漏極并聯電壓反饋，反饋途徑是積極的[12]。當負反饋系數大于正反饋系數，電路將負反饋，而失去了滯后效應；當負面的反饋系數小于正反饋系數，電路性能的積極反饋，而在電壓傳輸將出現滯后。</p><p>　　圖4-10 遲滯比較器結構圖</p><p><b>　　4.5 保護電路</b></p>

148、<p>　　驅動電路的設計過程，實現特定功能的同時，為了使芯片不超過額定參數，保證可靠性，避免因過熱而損壞，需要一些額外的保護電路。一般來說，該保護電路的形式：一是過流保護，這是一個當流過開關管峰值電流超過額定電流值，試圖限制開關的峰值電流，平均電流使開關管不超過額定值時，開關管電流和燒傷；另一個是過熱保護，在電路設計中的一個溫度敏感的線性裝置，該裝置設置在開關管通常圍繞，是用來檢測溫度的開關，當開關管因過度功耗和溫度上升

149、超過額定工作溫度范圍內，溫度測量裝置將啟動保護電路，使開關管工作電流下降，這限制了功率開關管，使溫度可逐漸下降，直到低于額定工作溫度為一定值時，保護電路故障，電路恢復正常工作的圣吃。通常一個溫度測量設備布局設計是接近開關，它可以直接快速感知開關管的溫度，由于開關電源芯片的主要來源，限制了其能耗大小可以有效地保證了整個芯片工作在額定溫度范圍。</p><p>　　從保護過程看，過電流保護和過熱保護電路，每個人都有他

150、的優(yōu)點。如果芯片是因為超載造成的損壞，過熱保護電路，如果短時間內存在大電流過載時，由于電路本身具有一定的熱容量（需要在電流過載時，積累到一定的量熱工作），和一個傳熱也需要一定的時間延遲電路，過熱沒有反應，有時不是芯片損壞，當過電流保護，因為有短暫的反應能力，在每個周期的限制電流峰值，可以有效地保護。如果損壞芯片是正確的嗎？因為電流過載，但因為芯片的冷卻條件，溫度過高而導致過熱過電流保護芯片損壞，無法起到保護作用，和過熱保護此時卻可以有效

151、地工作，定義了一個芯片在額定溫度范圍。所以，在功率集成電路的設計，通常伴有的保護模式，基本可以避免芯片過熱和破壞。</p><p>　　4.5.1 過電流保護電路</p><p>　　在工作過程中，當驅動器負載過大，或著外部電路裝置內部部件的局部短路，開關管電流受到過流保護電路的流量限制，這是控制在額定范圍。傳統(tǒng)的保護方式是通過檢測開關管電流，一般用開關管串聯一個電阻小、使用該開關的柵源電

152、</p><p>　　壓檢測，檢測到的電阻壓降或開關的柵源電壓，然后比較與參考電壓源，如壓降</p><p>　　高低于參考電壓源，比較器的輸出電壓，使開關關閉，停止當前的進一步提高，保證電流不超過額定電流。</p><p>　　圖4-11 過流保護原理圖</p><p>　　本論文設計的 LED驅動電路的設計，因為電流控制模式，每個周期的峰

153、值電流的大小是受電流誤差放大器的輸出電壓控制，所以數量限制電流誤差放大器在每個周期的峰值電流都有限制輸出電壓的大小。實施方式是利用穩(wěn)壓管夾控制電流誤差放大器的輸出端，如圖 4-11，峰值電流Imax與穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz 的關系是：Vz=K·Imax·Rs，其中Imax是通過開關和電感。穩(wěn)壓管反向截止開關管，每個周期的峰值電流是由一個電容電壓控制；當放大器輸出連接到電容兩端的電壓的上升大于穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓管的反向導通，電