（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)論文）一種電壓模式控制pwm開關(guān)電源的研究.pdf

摘要 摘要 單片式開關(guān)電源管理集成電路是開關(guān)電源發(fā)展的必然趨勢(shì)，它具有高集成度、 高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成高效率電源等特點(diǎn)，得到了廣 泛的應(yīng)用。尤其是最近幾年便攜數(shù)碼產(chǎn)品的迅速發(fā)展，使得開關(guān)電源的作用越來(lái) 越重要。 自從蜂窩電話和便攜式游戲機(jī)采用彩色液晶顯示屏后，市場(chǎng)上就出現(xiàn)了對(duì)高 亮度純色背景光源的大量需求，白光二極管被認(rèn)為是目前市場(chǎng)上可以獲得的最好 的背景光源。 本論文基于1 “4 0 v 高壓c m o s 工藝，并利用c a d e n c e e d a 集成電路設(shè)計(jì)工具， h s p i c e 仿真工具，設(shè)計(jì)一種采用p w m 工作方式的單片式高頻高效高精度的開關(guān) 電源管理集成電路。該電路的輸入電壓范圍是2 5 v 7 v ，工作頻率1 o m h z ，輸出 信號(hào)工作的最大占空比為8 7 此芯片可以用于驅(qū)動(dòng)手機(jī)，p d a ，數(shù)碼相機(jī)，m p 3 等數(shù)碼產(chǎn)品的l e d 。輸入3 6 v 電壓時(shí)，可驅(qū)動(dòng)4 個(gè)l e d ，輸入為5 v 電壓時(shí)，可驅(qū)動(dòng) 6 個(gè)l e d 。 文中首先對(duì)自光l e d 驅(qū)動(dòng)方式，b o o s t 型轉(zhuǎn)換器及p w m 控制方式的工作原 理進(jìn)行介紹，然后根據(jù)功能需要以及設(shè)計(jì)要求完成了對(duì)p w m 工作方式的單片式高 頻高效的開關(guān)電源管理集成電路的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合該集成電路的實(shí)際應(yīng) 用詳細(xì)地描述了其工作原理。并對(duì)集成電路內(nèi)的各個(gè)模塊包括電流偏置電路、基 準(zhǔn)電壓電路、誤差放大電路、三角波振蕩發(fā)生電路、p w m 比較電路、驅(qū)動(dòng)電路、 過(guò)熱保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)等進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)和仿真，并對(duì)整體應(yīng)用電路進(jìn)行了 仿真，結(jié)果均達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)。 其次，本文還分析了電壓模b 0 0 s t 電路啟動(dòng)時(shí)尖峰電壓產(chǎn)生的原因及優(yōu)化方 法。 最后作者對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞t 脈寬調(diào)制，電壓反饋控制模式，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 鋤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 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示謝意。 簽名： 蘊(yùn)瞪日期：肋年羅月，日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名： 凌逛一 導(dǎo)師簽名： j旌 日期：叩，年夕月廠日 第一章引言 1 1 開關(guān)電源概述 第一章引言 隨著電予技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類 也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā) 展。電子電源是對(duì)公用電網(wǎng)或某種電能進(jìn)行變換和控制，并向各種用電負(fù)載提供優(yōu) 質(zhì)電能的供電設(shè)備。它可分為線性電源和開關(guān)電源兩種，其中，開關(guān)電源分為 a c a c 電源、d c d c 電源、a c d c 電源和d c a c 電源。目前，我國(guó)通信、家 用電器等領(lǐng)域所使用的電子電源普遍是開關(guān)電源。d c d c 變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化， 且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可。 開關(guān)電源s p s ( s w i t c h i i l gp o w e rs u p p l y ) 被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓 電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作 在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)8 0 9 0 ，比普通線性穩(wěn) 壓電源效率提高近一倍。開關(guān)電源亦稱無(wú)工頻變壓器的電源，它是利用體積很小 的高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還 可采用體積較小的濾波元件和散熱器，這就為研究與開發(fā)高效率、高精度、高可 靠性、體積小、重量輕的開關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)【l 】【2 1 。 1 1 1 開關(guān)電源國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)及應(yīng)用情況 電源產(chǎn)品的應(yīng)用十分廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2 0 0 5 年，全球開關(guān)電源的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)3 4 0 億 美元。模塊電源作為開關(guān)電源的一個(gè)分支，在通信、汽車、電力控制以及軍事等領(lǐng) 域中占有重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，模塊電源的全球市場(chǎng)規(guī)模已由1 9 9 9 年的3 0 億美元 增加到2 0 0 4 年的5 0 億美元。在國(guó)內(nèi)，由于信息、家電領(lǐng)域，特別是電信領(lǐng)域的迅 猛發(fā)展，推動(dòng)了電源市場(chǎng)的發(fā)展。目前，在我國(guó)通信、信息、家用電器等領(lǐng)域，普 遍采用了開關(guān)電源。其中，通信d c d c 電源是增長(zhǎng)速度最快的一部分。程控交換 機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展之后趨于平穩(wěn)，移動(dòng)通信已成為發(fā)展熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)中國(guó)開關(guān)電 源市場(chǎng)總額在7 0 億元人民幣以上，單片開關(guān)電源所占的比例將會(huì)越來(lái)大。 單片開關(guān)電源的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： 0 ) 通用開關(guān)電源：各種通用開關(guān)電源、開關(guān)電源模塊、精密開關(guān)電源模塊和 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 智能化開關(guān)電源模塊等。 ( 2 ) 專用開關(guān)電源：微機(jī)電源、u s b 接口電源、彩電、錄像機(jī)等家用待機(jī)電源、 手機(jī)電池充電器、調(diào)制解調(diào)器電源、電子儀器儀表電源等。 ( 3 ) 特種開關(guān)電源：恒壓恒流型開關(guān)電源、恒功率輸出型開關(guān)電源等。 1 1 1 2 開關(guān)電源的發(fā)展歷史 開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展己有3 0 多年歷史，早期的產(chǎn)品開關(guān)頻率很低，成本昂貴， 僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域。2 0 世紀(jì)6 0 年代出現(xiàn)了晶閘管相位控制式開關(guān)電源， 7 0 年代由分立元件制成的各種開關(guān)電源，均因效率不夠高、開關(guān)頻率低、電路復(fù) 雜、調(diào)試?yán)щy而難于推廣，使之應(yīng)用受到限制。7 0 年代后期以來(lái)，隨著集成電路 設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開關(guān)電源專用芯片大量問世，這種新型節(jié)能電源才 重獲發(fā)展。將控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)電路一起封裝在一個(gè)模塊內(nèi)。由于外部接 線、焊點(diǎn)減少可靠性顯著提高。集成化、模塊化使電源產(chǎn)品體積小、可靠性高， 給應(yīng)用帶來(lái)極大方便。 電源的集成化使得它被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī) 等領(lǐng)域中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)的大規(guī) 模集成電路的不斷出現(xiàn)，使電子設(shè)備的體積在不斷的縮小，重量在不斷的減輕， 與之相比，電源要笨重得多。在現(xiàn)代智能化電子產(chǎn)品中，電源體積要比微處理器 大幾十倍，如何減小開關(guān)電源的體積，面臨著新的挑戰(zhàn)，提高頻率也是開關(guān)電源 要面臨的問題。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電器產(chǎn)品的體積、重量隨供電頻率的 平方根成反比的減小，所以當(dāng)把頻率從5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提高4 0 0 倍，用電設(shè) 備的體積、重量大體上降至工頻設(shè)計(jì)的5 一5 0 。但是，頻率提高以后，對(duì)整個(gè)電 路中的元器件又將有新的要求，因此高頻工作下的有關(guān)電路元器件也有待于進(jìn)一 步的研究。 我國(guó)對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制工作開始于6 0 年代初期，7 0 年代起，我國(guó)在黑白 電視機(jī)、中小型計(jì)算機(jī)中開始應(yīng)用5 v ，2 0 2 0 0 a ，2 0 k h za c d c 開關(guān)電源。8 0 年代 進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用階段，并開發(fā)研究o 5 5 m h z 準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)電源。 8 0 年代中，我國(guó)通信電源在a c d c 及d c ，d c 開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中所占比重還比 較低。8 0 年代末，我國(guó)通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓一整流電源和 晶閘管相控穩(wěn)壓電源為大功率a c d c 開關(guān)電源所取代，并開始在辦公室自動(dòng)化設(shè) 備中得到應(yīng)用。9 0 年代我國(guó)又研制開發(fā)了一批新型專用開關(guān)電源，如衛(wèi)星上用的 第一章引言 開關(guān)電源、遠(yuǎn)程火箭控制系統(tǒng)用的d c d c 開關(guān)電源等。多年來(lái)，雖然我匡l 在開關(guān) 穩(wěn)壓電源方面得到了很大發(fā)展，但與其它技術(shù)相比，特別是與i c ，v l s i 技術(shù)相比， 還存在集成度差、使用方法復(fù)雜等缺點(diǎn)。未來(lái)的開關(guān)電源應(yīng)該是更加小型化、高 效率，其內(nèi)部的各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，并可以根據(jù)要求進(jìn)行組合，在整機(jī)電路 中形成一個(gè)黑匣子，被作為一個(gè)元器件來(lái)使用。今后，采用對(duì)環(huán)境無(wú)害的電路方 式、對(duì)電子元件進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)將繼續(xù)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的主要課題。 1 1 3 開關(guān)電源的發(fā)展方向 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)工程。主要技術(shù)平臺(tái)包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、標(biāo) 準(zhǔn)1 c 及器件、傳統(tǒng)及成熟設(shè)計(jì)技術(shù)、e m c 及國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)、c a d c a t 計(jì)算機(jī)仿 真及制造平臺(tái)、自動(dòng)在線測(cè)試及功能測(cè)試，制作工藝等一系列技術(shù)的規(guī)范化、量產(chǎn) 化。其中，先進(jìn)的制作工藝和質(zhì)量控制技術(shù)平臺(tái)是其中最重要的部分。一整套全面 質(zhì)量控制技術(shù)包括從自動(dòng)排料、自動(dòng)插件至總裝制作工藝、表面裝貼與插接件組 合焊接工藝、在線測(cè)試、功能測(cè)試及老化性能測(cè)試等，屬于系統(tǒng)工程。 以下幾個(gè)方面將是開關(guān)電源發(fā)展的方向】： 小型化、輕量化和高頻化。 開關(guān)電源的體積、重量主要由儲(chǔ)能元件( 磁性元件和電容) 決定，因此，開關(guān)電 源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小儲(chǔ)能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提 高，不僅能有效地減小電容、電感以及變壓器的尺寸，而且還可抑制干擾、改善電 源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。 高效率和高可靠。 開關(guān)電源使用的元器件大大少于連續(xù)工作電源，因此提高了可靠性。電容、光 電耦合器以及功率m o s 等元器件的壽命決定開關(guān)電源的壽命。因此，要盡可能采用 較少的元器件，提高集成度。另外，開關(guān)電源的工作效率高，會(huì)使自身發(fā)熱減少、 散熱容易，從而達(dá)到高功率密度、高可靠性。 低噪聲和良好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)。 開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純追求高頻化，噪聲也會(huì)隨之增大。采用部 分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，既可以提高頻率，又可以降低噪聲川鍆。 1 2 課題的引出 自從手機(jī)，m p 3 播放器，p d a ，數(shù)碼相機(jī)，攝像機(jī)等采用彩色液晶顯示屏后， 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 市場(chǎng)上就出現(xiàn)了對(duì)高亮度純色背景光源的大量需求，白色l e d 是小型彩色l c d 背光照明的最佳選擇，這是因?yàn)樗苁筶 c d 色彩更逼真、色度更飽和，并且電路 簡(jiǎn)單占印制板體積小、耗電省、壽命長(zhǎng)、價(jià)格較便宜的緣故。 圖1 1 給出了一組隨機(jī)挑選的白光l e d 的電流一電壓曲線。在這些l e d 上加 載3 3 v 電壓( 上端虛線) 會(huì)產(chǎn)生2 m a 至5 m a 范圍的正向電流，導(dǎo)致不同亮度的白 光。該區(qū)域中y 坐標(biāo)變化很劇烈，會(huì)導(dǎo)致顯示色彩的不真型”。同樣，u d 也具 有不同的光強(qiáng)，這會(huì)產(chǎn)生不均勻的亮度。另外一個(gè)問題是所需的最小供電電壓， l e d 要求高于3 v 的電壓驅(qū)動(dòng)，若低于該電壓，幾個(gè)l e d 可能會(huì)完全變暗。所以 必須保證足夠高的驅(qū)動(dòng)電壓，和選擇合適的結(jié)構(gòu)，得到均勻亮度的背光l e d 。大 多數(shù)情況下單個(gè)白光l e d 不能滿足需求，所以需要幾個(gè)白光l e d 進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián) 工作。 圖1 - 1l e d 電流一電壓曲線 在手機(jī)，p d a ，數(shù)碼相機(jī)等便攜設(shè)備中，其背光照明的電源一般都是由電池 來(lái)提供，電池的滿電電壓一般都在4 2 v 到5 v ，在使用過(guò)程中要產(chǎn)生放電，下降 到標(biāo)稱的電壓值( 鋰電池一般為3 6 v ) 。l c d 屏的背光照明一般由4 個(gè)到1 0 個(gè) 不等的白光l e d 串聯(lián)提供，而u 的正向?qū)妷旱湫椭禐? v 到4 v ，所以背 光l e d 驅(qū)動(dòng)電路可以采用升壓模式的驅(qū)動(dòng)電路。如圖1 2 所示。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2 0 0 3 年的l e d 產(chǎn)值達(dá)1 0 0 億人民幣，產(chǎn)量超過(guò)2 0 0 億只，其中相當(dāng) 一部分用于數(shù)碼便攜產(chǎn)品的背光照明中，因而為了滿足市場(chǎng)的巨大需求，各大半 導(dǎo)體公司都推出了背光l e d 驅(qū)動(dòng)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 ，臺(tái)灣a n a c h i p 的a p l 5 2 1 等等，其單片價(jià)格 一般都比較高，大概在每片4 塊左右。 4 第一章引言 目前市場(chǎng)流行的很多l(xiāng) e d 驅(qū)動(dòng)芯片都是外置了高壓m o s 開關(guān)管，這樣就導(dǎo) 致了高成本，外圍電路復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的便攜性較差。而且國(guó)內(nèi)電源管理芯片中 并無(wú)集成4 0 v 高壓開關(guān)管的產(chǎn)品，市場(chǎng)潛力很大。所以本論文將高壓管內(nèi)置芯片 之內(nèi)，在降低成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款高頻高效高精度的電源管理芯片，其主 要用于驅(qū)動(dòng)便攜產(chǎn)品背光l e d ，以迎合市場(chǎng)對(duì)白光l b d 驅(qū)動(dòng)芯片的巨大需求。 v i n 圖1 2 開關(guān)模式升壓驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用電路 1 3 本論文的設(shè)計(jì)目標(biāo) 0 2 2 u f 本論文所設(shè)計(jì)的是一個(gè)d c d c 變換型電壓控制開關(guān)電源集成電路，為滿足 l e d 驅(qū)動(dòng)器的要求，對(duì)此集成電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下： ( 1 ) 正常工作的電壓為2 5 7 v ： ( 2 ) 采用升壓d c d c 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： ( 3 ) 正常工作的溫度范圍：最低為一4 0 ，允許工作的最高溫度是9 0 ； ( 4 ) 采用脈沖寬度調(diào)制即p w m 控制方式； ( 5 ) 開關(guān)頻率設(shè)計(jì)為1 m h z ，允許范圍為7 5 0 k h z 1 2 5 m h z ； ( 6 ) 信號(hào)輸出的最大占空比是8 7 ； ( 7 ) 具有過(guò)熱保護(hù)電路，過(guò)流保護(hù)電路； ( 8 ) 高輸出效率，最高可達(dá)8 5 ； ( 9 ) 完成所有子電路的設(shè)計(jì)與仿真、綜合電路的仿真； ( 1 0 ) 分析電路啟動(dòng)時(shí)尖峰電壓產(chǎn)生的原因及優(yōu)化方法。 1 4 本論文的開發(fā)環(huán)境 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 在硬件方面：兩臺(tái)分別在u 血】【和w i n d o w s 環(huán)境下工作的p c 機(jī)。 ( 2 ) 在軟件方面：開發(fā)工具是u n i ) 【環(huán)境下運(yùn)行的c a d e n c ee d a 工具；電路設(shè)計(jì) 工具是c a d c n c ce d a 軟件中c o m p o s e r 軟件包；仿真工具是h s p i c e ，在本論文中出 現(xiàn)的所有仿真圖均為h s p i c e 仿真波形。 ( 3 ) 在工藝方面：采用了1um 4 0 v 高壓c m o s 工藝。 1 5 本文所做的工作 第一章介紹了開關(guān)電源i c 的發(fā)展進(jìn)程，應(yīng)用市場(chǎng)及發(fā)展趨勢(shì)，并分析了此 類i c 在目前市場(chǎng)上的應(yīng)用前景。并對(duì)本文工作進(jìn)行部署。 第二章比較分析l e d 驅(qū)動(dòng)電路，闡述b 0 0 s t 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及p w m 控制工作原 理。 第三章主要說(shuō)明電路工作原理和仿真情況。首先對(duì)電路的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行 介紹，然后對(duì)其中部分電路進(jìn)行詳細(xì)分析并給出電路模擬仿真結(jié)果。 第四章對(duì)整體電路進(jìn)行仿真，并對(duì)電壓模b 0 0 s t 電路啟動(dòng)時(shí)尖峰電壓產(chǎn)生 的原因及優(yōu)化方法重點(diǎn)進(jìn)行了分析。 第五章總結(jié)了該電路的設(shè)計(jì)工作。 第二章白光l e d 驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式 第二章白光l e d 驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式 2 1 白光l e d 驅(qū)動(dòng)電路 隨著近幾年移動(dòng)電話、p d a 等便攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示屏從黑白背景換成 了彩色背景，要顯示色彩豐富逼真的圖像，就必須采用白光l e d 照明方案。而且 白光l e d 具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、環(huán)保、可平 面封裝易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)完整的背光照明方案，最基本的要求 是l e d 發(fā)光亮度的穩(wěn)定，以及在整個(gè)背景屏幕上亮度均勻。然而l e d 在正向?qū)?后其正向電壓的細(xì)小變動(dòng)將引起l e d 電流的很大變化，并且，環(huán)境溫度，l e d 老 化時(shí)間等因素也將改變影響l e d 的電氣性能。而l e d 的光輸出直接與l e d 電流 相關(guān)，所以要求l e d 驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下能 很好的控制l e d 電流的大小7 】【町。白色l e d 驅(qū)動(dòng)電路按照負(fù)載連接方式分為并聯(lián) 型和串聯(lián)型。 2 1 1 并聯(lián)白光l e d 驅(qū)動(dòng)電路 并聯(lián)白光l e d 的驅(qū)動(dòng)電路通常有電壓源加鎮(zhèn)流電阻：電流源加鎮(zhèn)流電阻：多 路電流源三種： 2 1 1 1 電壓源加鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)方式 該驅(qū)動(dòng)類型如圖2 1 所示，電路用穩(wěn)壓源配合鎮(zhèn)流電阻控制l e d 的電流，這 種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是選擇電壓源的余地很大，提供一定電壓給白光l e d 而不需考慮其 正向電壓。驅(qū)動(dòng)芯片與l e d 之間只需要一個(gè)連接端點(diǎn)，外圍儲(chǔ)能元件只需要若干 電容就可以從2 7 v 5v 的輸入電壓得到穩(wěn)定的5 v 輸出電壓，不需要電感，使整 個(gè)應(yīng)用電路所占體積很小，非常適用于輕便微型需要節(jié)省電路板面積的應(yīng)用場(chǎng)合。 另外，由于它不需要使用電感關(guān)系，也就沒有一般電壓轉(zhuǎn)換器最頭痛的線圈引入 的噪聲問題，也就不存在電磁干擾問題。 然而這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)也很明顯，首先，雖然它可以提供一個(gè)比其正向電 壓大的恒定電壓給白光l e d 提供正向驅(qū)動(dòng)，但對(duì)白光l e d 而言，其正向電壓很大 的離散性，也造成了白光l e d 亮度不一致的情形。第二，由于鋰電池利用電荷泵 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 升壓最多采用倍壓方式，也就是說(shuō)對(duì)鋰電池而言，假設(shè)其電壓為4 2 v ，若使用電 荷泵倍壓，在沒有穩(wěn)壓的情形下，其輸出電壓應(yīng)為8 4 v ，而為了得到穩(wěn)定的5 v 輸出電壓，需要犧牲掉多出來(lái)的電壓，這種工作方式就造成了此方式輸入電壓越 = 圖2 1電壓源加鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)模式 高，電源轉(zhuǎn)換效率越低的主要原因。另外，鎮(zhèn)流電阻的存在也是造成該方式效率 低的一個(gè)原因，而且它對(duì)l e d 正向電流的控制也不是很精確。 2 1 1 2 電流源加鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)方式 圖2 2 是電流源加鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)方式的外圍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此方式下，電流驅(qū)動(dòng) = 圖2 2 電流源加鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)模式 器采用帶有整流功能的電荷泵，電荷泵向外提供穩(wěn)定的電流輸出。這種結(jié)構(gòu)好處 8 第二章自光l e d 驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式 是不但具備解決方案電路簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)，還考慮了提高電流的匹配性能。 雖然總的輸出電流穩(wěn)定了，但是為了匹配各個(gè)l e d 的電流，使用了鎮(zhèn)流電阻 來(lái)檢測(cè)l i d 電流。電流可以利用反饋連接至鎮(zhèn)流電阻的u 進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于l e d 之間的正向電壓各不相同，因此電流匹配的精度非常有限，電路可以通過(guò)減小鎮(zhèn) 流電阻，使功耗降低，但是這種結(jié)構(gòu)在鎮(zhèn)流電阻上的耗電仍然較大。 2 1 _ 1 3 多路電流源驅(qū)動(dòng)方式 圖2 3 是采用多路電流源驅(qū)動(dòng)白光l 王m 的方案，電路可以分別調(diào)節(jié)l e d 的電 流，不需要鎮(zhèn)流電阻。電流調(diào)節(jié)精度和匹配度取決于每個(gè)獨(dú)立電流源調(diào)節(jié)器。由 于沒有了鎮(zhèn)流電阻，就沒有了輸出電阻上的電損耗，而且該結(jié)構(gòu)允許輸入和輸出 電壓的壓差可以很低，這兩個(gè)方面都提高了電路的效率。這種結(jié)構(gòu)能夠保證較高 的性能指標(biāo)，鎮(zhèn)流電阻的減少也進(jìn)一步減小了應(yīng)用電路的有效體積，更適合空間 極為狹窄的場(chǎng)合使用。該結(jié)構(gòu)和基于電感結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案比具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力，它 唯一的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)白光l e d 的數(shù)量由它的輸出端口數(shù)目決定。 圖2 - 3 多電流源驅(qū)動(dòng)并聯(lián)l e d 驅(qū)動(dòng)模式 2 1 2 串聯(lián)l e d 驅(qū)動(dòng)方式 由于白光l e d 的正向?qū)妷簽? 4 o v ，所以驅(qū)動(dòng)串聯(lián)u m 需要電路能夠 提供很高的輸出電壓和2 0 l i l a 左右電流輸出，還要能保持很高的電源轉(zhuǎn)換效率。 這種情況下基本上都是采用電感升壓電路結(jié)構(gòu)。 圖2 4 給出了電感升壓電路的外圍結(jié)構(gòu)圖。串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的最大好處是能夠提供一 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 固定電流驅(qū)動(dòng)自光l e d ，對(duì)于每個(gè)l e d 而言流過(guò)的電流都是一樣的，因此l e d 的亮度也相同，不存在亮度不匹配的問題。而且升壓轉(zhuǎn)換在其最大工作周期內(nèi)可 以有適當(dāng)?shù)纳龎罕?，可以提供一個(gè)足夠大的電壓以驅(qū)動(dòng)l e d ，這種方式驅(qū)動(dòng)l e d 可以得到很高的電源效率。另外，驅(qū)動(dòng)器和l e d 之間只需要兩個(gè)連接端口，l e d 的使用數(shù)量也不會(huì)收到升壓種類的影響， 是其缺點(diǎn)是，電感元件外形體積比較大， 擾 9 】 1 0 1 。 使設(shè)計(jì)靈活性更大，應(yīng)用場(chǎng)合很廣。但 成本也偏高，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)e m i 輻射干 、 、| 、 圖2 - 4電感升壓驅(qū)動(dòng)串連l e d 外圍結(jié)構(gòu)圖 2 1 3 驅(qū)動(dòng)白光l e d 效率比較 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)以多電流源驅(qū)動(dòng)并聯(lián)自光l e d 為例，設(shè)升壓電荷泵的增益為n ，那 么流過(guò)白光l e d 總的輸出電流皿d s 三f 砌( 假設(shè)電荷泵功率轉(zhuǎn)換效率為1 0 0 ， 那么式子取等號(hào)】。此時(shí)，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器的l e d 效率可以定義為： 忡。：挈：坐墮墮：墮( 2 1 ) pf九陽(yáng)竹 n竹p 魏上已苞d，l n 九 、 其中t 1 l e d p 。n 。l 為并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器白光l e d 的效率，d ，p 。l l d 是其損耗功率，圪e d 為其正向壓降，而屯為流過(guò)l e d 的電流。 同樣的，在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，其l e d 的效率可以定義為： 忡：筆竽：嘗 ( 2 _ 2 ) 忡l 舳2 百2 蔫磊礦 ( 2 。2 ) 第二章白光l 功驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式 其中”l e d s 嘶。為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器白光l e d 的效率。 以圖1 2 中的串聯(lián)白光l e d 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用電路為例。l e d 的電流為： 皿e d = 噘1 ( 2 - 3 ) 其中v f b 是f b 端的參考電壓，其值為3 1 0 r n v 。其輸出電壓可以表示為： 砌耐= + 珊 ( 2 。4 ) 將式2 3 ，2 4 帶入式2 2 中得到： 恤* * = 塑學(xué)= 墮等產(chǎn)州一焉) ( 2 s ) n舾d，腳婦=一=nl一=-j t 二jj ，l n，l 胛 r o “f 其中n 是升壓d c d c 的電源轉(zhuǎn)換效率。 讓我們假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，用3 6 v 的電源輸入驅(qū)動(dòng)3 個(gè)正向?qū)妷簽? 6 v 的 白光l e d ，流過(guò)每個(gè)l e d 的電流為2 0 f n a 。 假設(shè)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的升壓電荷泵的增益為1 5 倍，那么當(dāng)電荷泵轉(zhuǎn)換效率為1 0 0 時(shí)，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器l e d 的效率為： t 1 n 。m ：竺生：塹一l o o ：6 6 7 n 所玎1 5 3 6 在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)l e d 應(yīng)用中，其輸出電壓為： 砌塒：y 玩點(diǎn)d + 阡b = 3 6 3 + o 3 1 = 1 1 1 l 礦 假設(shè)其整體應(yīng)用電路的效率，7 為8 5 ，則l e d 的效率為： 恤州1 一羆) - 8 5 ( 1 一篇) _ 8 2 堿 從這個(gè)結(jié)果看，兩種驅(qū)動(dòng)方式的效率差別很明顯。而且從兩個(gè)效率表達(dá)式看， 并聯(lián)方式的l e d 效率與輸入電壓v i n 和電荷泵增益的乘積成反比，如果輸入電壓 變?yōu)? 2 v ，電荷泵增益增加到2 ，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的l e d 效率就會(huì)降到5 0 ，如果輸入 再高，效率就會(huì)更低。而串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式中l(wèi) e d 的效率基本上還是取決于應(yīng)用電路 的電源轉(zhuǎn)換效率，7 ，因此該效率比較穩(wěn)定，不會(huì)隨輸入電壓的大范圍變化而有很大 的變化。 通過(guò)對(duì)各種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)的比較及白光l e d 不同連接方式下，轉(zhuǎn)換效率的 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 明顯差異，本論文采用串聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)白光u m ，以獲得亮度均勻，轉(zhuǎn)換效率高的 優(yōu)質(zhì)背光光源。 2 - 2b o o s t 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在前面我們討論的四種驅(qū)動(dòng)電路中，白光l e d 的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)采用的是b o o s t 電路結(jié)構(gòu)，它具有高輸出電壓，2 0 玎徂左右電流輸出，很高的電源轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)用 電路簡(jiǎn)單的諸多優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于驅(qū)動(dòng)便攜產(chǎn)品中的背光l e d 。在便攜式應(yīng)用中的白 光l e d 驅(qū)動(dòng)電路，基本上都是采用c m o s 工藝，這是因?yàn)閏 m o s 工藝在低功耗 上有標(biāo)準(zhǔn)b i p o l a r 工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且c m o s 工藝在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于更適合 設(shè)計(jì)大電流驅(qū)動(dòng)的b i c m o s 工藝。標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝有很難提供穩(wěn)定大電流輸出的 先天缺陷，而白光l e d 驅(qū)動(dòng)，很重要的一點(diǎn)就是要提供穩(wěn)定的大電流輸出。盡管 如此，標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝下，m o s 管也可以提供幾十到幾百毫安的大驅(qū)動(dòng)電流【”， 也正好可以滿足現(xiàn)行便攜式白光l e d 驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用條件。所以本文設(shè)計(jì)一種電壓模 p w m 控制的采取b o o s t 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的背光l e d 驅(qū)動(dòng)芯片1 5 】。 2 2 1 基本原理 b o o s t 變換器又稱為升壓電感變換器，它可以從低輸入電壓得到高的輸出電 壓，其電路圖如2 5 所示： 圖2 5b 0 0 s t 電路示意圖 其工作過(guò)程為：當(dāng)功率管q 導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)電感線圈l ，電流線性增加， 電能以磁能形式儲(chǔ)在電感線圈l 中。此時(shí)，輸出電流完全由c 提供，所以c 應(yīng)選 得足夠大，以使在導(dǎo)通時(shí)段向負(fù)載供電時(shí)其電壓降低能滿足要求。電容c 放電， 負(fù)載上流過(guò)電流如，負(fù)載兩端為輸出電壓，極性上正下負(fù)，由于開關(guān)管導(dǎo)通，二極 管反向截至，所以電容不能通過(guò)開關(guān)管放電當(dāng)功率管q 關(guān)斷時(shí)，由于線圈l 上的電 第二章白光l e d 驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式 流不能突變，l 的電壓極性顛倒，以保持電感電流不變這樣線圈l 磁能轉(zhuǎn)化成的電 壓圪與電源串聯(lián)，以高于圪的電壓向電容c 、負(fù)載放電，維持圪不變。 由于圪+ 向負(fù)載供電時(shí)，圪高于，故稱它為升壓變換器。工作中輸入電 流等于電感電流是連續(xù)的，但流經(jīng)= 極管d 的電流卻是脈動(dòng)的。由于有c 的存在， 負(fù)載上仍有穩(wěn)定、連續(xù)的負(fù)載電流厶。 2 2 2 定量計(jì)算 下面分析功率管開關(guān)閉合和斷開的情況與輸出電壓的關(guān)系 1 l j 。設(shè)開關(guān)動(dòng)作周 期為r ，導(dǎo)通時(shí)間為t o n d 1 t 關(guān)斷時(shí)間為t 。f f d 2 t 。d l 為導(dǎo)通時(shí)間占空比，d 2 為 關(guān)斷時(shí)間占空比，它們各自小于1 ，連續(xù)狀態(tài)時(shí)d l + d 2 = 1 。 若q 下次導(dǎo)通之前，流過(guò)d 的電流已下降到零，則認(rèn)為上次q 導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)于 l 上式的能量已釋放完畢，電路工作在不連續(xù)模式。此模式下，導(dǎo)通時(shí)電感電流增 量可以表示為： 屯。：阜d 1 丁 ( 2 6 ) 關(guān)斷時(shí)，電感電流在d 2 t 時(shí)間內(nèi)下降為零，則電感增量表示為： t ：一堡當(dāng)d ：丁 ( 2 7 ) 開關(guān)關(guān)斷在a 一( d 。+ d 2 ) n 時(shí)間內(nèi)，電流為零，相當(dāng)于電感與并聯(lián)的電容c 、 電阻r 斷開。同樣按交接處電流相等，即= 陋屯：i 原則有 半：絲摯三 ( 2 - 8 ) rr 、 有上式可以推導(dǎo)出增益： m = 魯= 警 ( 2 - ，) d 2 、。 若流過(guò)d 的電流在關(guān)斷時(shí)間結(jié)束時(shí)還沒有下降到零，則由于電感電流不能突 變，q 下次導(dǎo)通時(shí)電流上升會(huì)有一個(gè)階梯。q 和d 上的電流將呈典型的階梯斜坡 形狀，此時(shí)，稱電路工作在連續(xù)模式。此模式下d l + d 2 = 1 ，所以由式3 4 推導(dǎo)出 此模式下的增益為： 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 m = 毒= 警= 去= 高 d 2 d 21 一d l 、 電路工作在不連續(xù)模式和連續(xù)模式電感電流波形如圖2 - 6 ，2 7 所示。 圖2 6 不連續(xù)模式的電感電流圖2 7 連續(xù)模式的電感電流 2 3p w m 控制方式工作原理 在d c d c 電源變換模塊的作用是將一個(gè)輸入不穩(wěn)定的直流電壓變成一個(gè)輸出 穩(wěn)定直流電壓，是通過(guò)控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)進(jìn)行工作的。p w m 控制方式用在開關(guān)電源的反饋控制電路之中，固定開關(guān)頻率，通過(guò)改變脈沖寬度 來(lái)調(diào)節(jié)占空比的，圖2 8 給出了脈沖寬度調(diào)制方式的基本原理圖 1 3 】。 圖2 - 8 p w m 控制基本原理圖 反饋電壓與基準(zhǔn)電壓之差通過(guò)誤差放大器進(jìn)行放大產(chǎn)生誤差控制信號(hào)作為 p w m 比較器的一個(gè)輸入，而p w m 比較器的另一個(gè)輸入則是鋸齒波信號(hào)，二者通 1 4 第二章白光l e d 驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式 過(guò)比較產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)即p w m 信號(hào)來(lái)控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，當(dāng)鋸 齒波信號(hào)電平值高于誤差控制信號(hào)時(shí)，p w m 信號(hào)為低電平。氆則功率開關(guān)器件 關(guān)斷，反之為高電平o n ，功率開關(guān)管導(dǎo)通。所以p w m 信號(hào)的占空比d 為： d = 等1 0 0 = i 竺 1 0 0 ( 2 1 1 ) r+ 、 其中t o 。和1 矗分別是p w m 信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間和低電平持續(xù)時(shí)間，t 為 p w m 信號(hào)的周期。反饋電壓升高時(shí)，誤差放大器的輸出誤差控制電壓降低，則 死伊增大，乃。減小，占空比d 減小，反之，占空比d 增加。 本文采用電壓模式控制p w m 。電壓模式控制p w m 三角波幅度大，有較好的 抗噪聲裕度，并且是單一反饋環(huán)設(shè)計(jì)，調(diào)試比較容易且電路簡(jiǎn)單；但同時(shí)電壓控 制模式暫態(tài)響應(yīng)慢，且在啟動(dòng)到達(dá)穩(wěn)定前會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓【l “。在第四章中提 出了對(duì)尖峰電壓的優(yōu)化方法。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 整體電路介紹 第三章電路原理與仿真 電壓模p w m 控制的d c 仍c 開關(guān)電源主要由電流偏置電路、帶隙基準(zhǔn)源、誤 差比較器、p w m 比較器、振蕩器及最大占空比產(chǎn)生電路、r s 觸發(fā)器和調(diào)整管m 1 組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖3 1 所示。 3 1 1 芯片內(nèi)部啟動(dòng)過(guò)程 ( 1 ) 當(dāng)外加電源超過(guò)了最低工作電壓并且s h d n 信號(hào)為高時(shí)，偏置電流模塊開 始工作。 ( 2 ) 偏置電流正常工作以后，會(huì)給電壓基準(zhǔn)源、誤差放大器、p w m 比較器、振 蕩器、斜坡發(fā)生器、等其他功能模塊提供偏置電流。 ( 3 ) 電壓基準(zhǔn)源在啟動(dòng)過(guò)程中，分頻器并未開始工作。當(dāng)基準(zhǔn)源電壓達(dá)到設(shè)定 值1 2 v 以后給振蕩器、斜坡發(fā)生器提供供電電壓，此時(shí)分頻器開始工作，向基準(zhǔn) 源提供時(shí)鐘信號(hào)。 ( 4 ) 芯片正常工作后，如果溫度高于9 0 度時(shí)，過(guò)溫保護(hù)模塊使整個(gè)芯片停止 工作，直到溫度降低于8 0 度后芯片又開始正常工作。 ( 5 ) 當(dāng)電感電流大于設(shè)定值后，過(guò)流保護(hù)模塊會(huì)關(guān)斷功率管，將電感電流限定 在最大值上。 3 1 2 加上外圍電路后整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程 當(dāng)電路剛上電時(shí)，f b 反饋回來(lái)的電壓為低，電壓誤差放大器輸出高電平。此 直流電平與三角波比較同樣產(chǎn)生一個(gè)低電平，r s 觸發(fā)器以振蕩器產(chǎn)生的最大導(dǎo)通 占空比脈沖信號(hào)控制調(diào)整管m 1 導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)m 1 導(dǎo)通時(shí)電源對(duì)電感充電，此時(shí) 二極管反向截止；m l 截止時(shí)，電感電流不能突變，電感連接二極管處電壓升高， 此時(shí)二極管導(dǎo)通，電感對(duì)負(fù)載充電提高v 。電壓。在這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，由于對(duì)電 感充電時(shí)間遠(yuǎn)大于電感對(duì)負(fù)載放電的時(shí)間，電感電流不停上升，直到電流達(dá)到m 1 管所能提供的飽和電流，電感電流便不再上升。當(dāng)v 。電壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，f b 處 管所能提供的飽和電流，電感電流便不再上升。當(dāng)v 。u 。電壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，f b 處 第三章電路原理與仿真 電壓高于、k 設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，電壓誤差放大器的輸出電平開始降低，此直流反饋 控制信號(hào)u 。與三角波經(jīng)p w m 比較器比較產(chǎn)生一定導(dǎo)通占空比的控制信號(hào)，當(dāng)該 信號(hào)占空比小于最大導(dǎo)通占空比時(shí)，r s 觸發(fā)器選擇p w m 比較器的輸出控制信號(hào) 控制m l 。由于控制信號(hào)使一個(gè)周期內(nèi)調(diào)整管m l 導(dǎo)通時(shí)間減短，既電感充電時(shí)間 減短；m 1 關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，既電感對(duì)負(fù)載放電時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)u 。電平小于三角波的 最小值時(shí)，p w m 比較器的輸出信號(hào)使調(diào)整管常關(guān)，此時(shí)電感電流不斷下降，正常 負(fù)載情況下電感工作模式由連續(xù)工作模式轉(zhuǎn)換到不連續(xù)工作模式，f b 點(diǎn)電壓再次 小于設(shè)定基準(zhǔn)電壓，經(jīng)過(guò)幾次阻尼振蕩p w m 比較器輸出一個(gè)恒定占空比的控制信 號(hào)，輸出電壓、穩(wěn)定在設(shè)定值上( 1 ”。電壓設(shè)定公式為： 口j 口 = 二：坐 ( 3 1 ) 圖3 1 系統(tǒng)典型應(yīng)用電路及內(nèi)部框圖 各模塊功能描述如表3 1 。 3 2 與輸入電壓變化無(wú)關(guān)電流偏置模塊 本論文所設(shè)計(jì)的芯片主要應(yīng)用于p d a ，手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等便攜產(chǎn)品中，用于 驅(qū)動(dòng)其背光l e d ，這些產(chǎn)品的電源一般都為電池，而電池電壓是不斷變化的，以 標(biāo)準(zhǔn)的鋰電池為例，滿電電壓為4 2v ，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，電池電壓不斷下降， 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 最后下降至標(biāo)稱值3 6 v 左右。而電流偏置模塊產(chǎn)生整個(gè)電路工作的偏置電壓，這 就要求輸入電壓的變化對(duì)偏置電壓的影響很小。因此本論文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且與 輸入電壓變化( 2 5 v 乙7 無(wú)關(guān)的電流偏置模塊。 3 2 1 電路工作原理 此模塊產(chǎn)生整個(gè)電路工作的偏置電壓，電流偏置模塊總共輸出了三個(gè)偏置電 壓b 隊(duì)s 1 、b 隊(duì)s 2 、c o m p _ b 隊(duì)s 提供給內(nèi)部其他模塊，具體電路如圖3 2 所示。 s h d n 為電路的使能信號(hào)，當(dāng)它由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，三極管q 4 、q 5 所在的支 路有電流通過(guò)。q 4 的面積為q 5 面積的4 倍，所以( m 的b e 結(jié)電壓要小于q 5 的 b e 結(jié)電壓，即q 4 的b e 結(jié)電壓趨向于大于q 5 的b e 結(jié)電壓，而q 4 、q 5 又接 表l 內(nèi)部模塊功能描述 序 模塊名稱模塊功能描述 號(hào) l 偏置電路給所有比較器和運(yùn)放提供偏置 2 帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)與反饋信號(hào)比較，并產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電壓源 3 過(guò)溫保護(hù)當(dāng)芯片內(nèi)部溫度過(guò)高時(shí)，關(guān)斷偏置電流，使芯片停止工作 4 誤差比較器 檢測(cè)反饋信號(hào)并放大誤差信號(hào) 5p w m 比較器 根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整占空比 6r s 觸發(fā)器 兩個(gè)脈寬信號(hào)的或，產(chǎn)生高壓開關(guān)管的控制信號(hào) 7 振蕩器產(chǎn)生鋸齒波和三角波信號(hào) 8過(guò)流保護(hù)當(dāng)流過(guò)功率管電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)斷功率管 9 最大占空比發(fā)生器產(chǎn)生最大占空比信號(hào) 1 0 分頻器提供給帶隙基準(zhǔn)時(shí)鐘控制信號(hào) 成電流鏡的結(jié)構(gòu)，要求兩條支路電流相等。而此時(shí)q 3 的b e 結(jié)電壓足夠?qū) 3 開 啟，電流經(jīng)過(guò)p 8 b 、q 3 流向r 9 ，用來(lái)抵消q 4 、q 5 發(fā)射區(qū)面積不同造成的b e 結(jié) 電壓不同【1 6 】 1 7 】。 此電流計(jì)算如下： s2 訕每、。2 訕苦2 訕殺 ( 3 _ 2 ) o s 51 s 41 4 s 5 第三章電路原理與仿真 = s 一= 巧1 n 等一巧l n 等2 1 “ = k r 9 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 圖3 2 電流偏置模塊電路 式3 2 分別為同樣電流大小時(shí)q 4 、q 5 的b e 結(jié)電壓，反比于發(fā)射區(qū)的面積。 式3 3 為q 4 、q 5 的b e 結(jié)電壓之差，約3 6 m v 。其中坼是正溫度系數(shù)，即偏置電 流要隨溫度的升高而升高，由于巧每變化1 0 0 度研升高8 m v ，所以玎對(duì)偏置的 電流的影響并不是很大。如產(chǎn)生以后由p 8 a 和n 7 b