大功率LED驱动电路的研究与设计

论文摘要

照明能耗一直在能源消耗中占有较大的比重。针对日益严重的资源和环境问题,二十世纪末各国先后推出了半导体照明计划。其主要内容是在道路和建筑中采用高效照明电器产品,使照明更科学、舒适、安全和可靠,同时达到照明节能的作用。大功率白光LED电源作为半导体照明产业的一项非常关键的配套产业已成为目前电源管理芯片市场的研究热点。目前对开关电源特别是LED专用电源提出了相当高的要求,主要包括在更大的输入电压范围内能够提供稳定的输出电压,在全负载范围内高效率工作,以及体积更小,功率密度更高等。本课题设计了一款高效率、高输入电压、输出电流恒定的大功率白光LED驱动电路,该电路的输入电压范围为8V-40V,输出电流为350mA。电路采用单片集成双极型管Bipolar, CMOS和DMOS器件的高压工艺,即BCD工艺。电路采用了功率管内置结构,控制模式和调制方式分别采用了电流控制模式和PWM调制方式,从而提高了转换效率。文中重点对芯片电路中的运算放大器电路、带隙基准电路、输入电压预调整电路、锯齿波发生器电路、开关MOS管驱动电路进行了设计。运算放大器采用两级运放,其增益达到95.5dB；带隙基准电压源的温漂系数降到了30ppm/℃以下,输入电压预调整电路为芯片内部其他电路提供了稳定的5V和15V的工作电压。随后对多值偏置电路、比较器电路、误差放大器电路、输出过压保护电路、过热保护电路、逻辑控制电路等进行了设计。开关MOS管内置使得外围电路集成度增加,采用BCD工艺使得输入电压范围增大。内置的过热保护电路、过压保护电路、低压锁定电路,不仅提高了芯片的集成度,也使得芯片在非正常工作状态下能够自动的关断,保护芯片的同时也防止了对LED的破坏。在各个单元模块分别仿真成功的基础上,并对电路进行了全局仿真,转换效率在90%以上,而且在-50℃到150℃范围内,输出电流波动为1%。输出电压达到40V时,可以有效地实现过压保护。仿真结果表明设计的电路达到了预期的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 LED的发光原理及其特点
• 1.1.1 LED的发光原理
• 1.1.2 白光LED的产生方式及其特点
• 1.1.3 LED的应用前景
• 1.2 LED驱动电路的现状和趋势
• 1.2.1 线性电源的原理和结构
• 1.2.2 开关电源的原理和结构
• 1.2.3 LED驱动芯片的发展格局
• 1.3 论文主要研究内容及结构安排
• 2 驱动电路原理和设计方案
• 2.1 主回路组态的选择
• 2.1.1 Buck（降压型）转换器
• 2.1.2 Boost（升压型）转换器
• 2.1.3 开关电源回路组态的选择
• 2.2 DC/DC变换器的调制方式
• 2.2.1 PWM调制方式
• 2.2.2 PFM调制方式
• 2.2.3 调制方式选择
• 2.3 DC/DC变换器的控制模式
• 2.3.1 电压控制模式
• 2.3.2 电流控制模式
• 2.3.3 控制模式选择
• 2.4 本章小结
• 3 驱动电路设计及仿真
• 3.1 驱动电路设计的工作环境
• 3.1.1 BCD工艺介绍
• 3.1.2 华虹-NEC BCD350工艺的特点
• 3.2 驱动芯片的特性
• 3.2.1 驱动芯片的主要设计要求
• 3.2.2 驱动芯片的典型应用电路
• 3.2.3 驱动芯片的内部架构
• 3.3 芯片内部重点模块设计
• 3.3.1 运算放大器设计
• 3.3.2 带隙基准电压源设计
• 3.3.3 输入电压预调整电路设计
• 3.3.4 锯齿波发生器设计
• 3.3.5 开关MOS管驱动电路设计
• 3.4 芯片内部其他模块设计
• 3.4.1 多值偏置电路设计
• 3.4.2 基准电流源设计
• 3.4.3 误差放大器设计
• 3.4.4 比较器设计
• 3.4.5 输出过压保护电路设计
• 3.4.6 低压锁定电路设计
• 3.4.7 过热保护电路设计
• 3.4.8 逻辑控制电路设计
• 3.5 本章小结
• 4 整体电路的仿真
• 4.1 仿真结果
• 4.2 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果