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高亮度白光LED驱动电路设计的开题报告
一、选题背景
LED（Light Emitting Diode）是一个具有广泛应用前景的半导体光源。
随着LED 技术的发展，高亮度白光LED已成为照明产业的主流技术之一。
LED与传统的白炽灯和荧光灯相比，具有能耗低、寿命长、无辐射、灯珠精细等优点。
因此，在家庭、商业、汽车、照明等领域得到广泛应用。
然而，高亮度白光LED的驱动电路设计在实践中存在一些问题。
一方面，高亮度白光LED的驱动电压高（通常在2.5至4 V之间），需要使用高效 LED驱动器，避免由于温升导致的灯珠损坏；另一方面，需要对驱动电路的稳定性、可靠性和成本等方面进行优化。
因此，本研究旨在设计一种高效、稳定、可靠且低成本的高亮度白光LED驱动电路，以满足实用应用需求。
二、研究内容
1.高亮度白光LED的特性分析及电路设计的条件约束分析
2.驱动电路设计的方案比较、选择与优化
3.高亮度白光LED驱动电路的原理及工作流程分析
4.电路安全设计、电磁干扰抑制及故障保护等关键技术研究
5.电路性能测试与优化，包括效率、稳定性、可靠性、成本等方面
三、研究意义
本研究可以为高亮度白光LED照明产业提供一种高效、稳定、可靠且低成本的驱动电路，有望推动相关行业的发展。
此外，本研究可以为LED驱动电路设计提供一些启示和思路，有益于LED技术的推广和应用。
如图1所示的驱动电路是采用反馈电压进行LED亮度控制的，而如图2所示的电路是采用PWM信号控制白光LED的亮度的。
在如图2所示电路中，IC的EN端子是可使开关变换器做ON／OFF模式运行的端子，如果对EN端子施加PWM信号，白光LED会以某种速度做ON／OFF模式运行，进而实现LED亮度的控制，此电路的Tcl 输出信号需经A／D变换器转换为数字信号。
利用PWM信号控制白光LED的亮度时，白光LED的平均电流／LED（ave）可按下式计算。
图1 利用周围照度控制LED亮度的驱动电路图2 利用PWM信号控制LED亮度的驱动电路式中，ILED（max）为开关变换器的最大输出电流；SDUTY为PWM信号的占空因子（％）。
如图3所示为NJU6502 IC电路的方块图，NJU6502 IC由开关变换器、晶体管输入电路、晶体管输入电路、A／D变换器、PWM控制器，以及可从微控器设定内部阻抗值与工作模式的串行接口构成。
NJU6502IC内部共有8个设定电阻，每个电阻都可任意设成6位。
可通过利用环境照度检测晶体管Tcl产生的输入电压来选择各电阻，以实现由64阶的其中任意8阶控制白光LED的亮度。
图3 NJU6052 IC的电路方块图采用由NJU6052 IC构成的白光LED驱动电路如图4所示。
路中，NJU6052 IC实现升压与亮度控制功能所需的外置元件非常少。
光LED驱动电路中的各元件参数取决于下列条件。
图4 利用NJU6052lIC构成白光LED驱动电路①负载阻抗RL。
由于内部基准电压UREF为0.6V，因此负载阻抗RL可按下式计算。
②内部振荡器的电容量Cx。
内部振荡器的电容量Cx，可利用如图5所示的坐标图求得。
由于振荡频率fosc介于350～500kHz之间，因此内部振荡器的电容量Cx可在47～68pF之间选取。
图5 Cx与fosc的关系③L1的电感值。
L1的电感值可按下式计算。
式中，UOUT为开关变换器的输出电压；UIN为输入电压；ILIMTT 为内部开关的电流限制值（720mA）；η为变换器效率（0.7～0.8）。
一种升压型白光LED驱动控制芯片的设计方案摘要文章针对高亮度白光LED的驱动要求，提出一种适用于升压型LED驱动电路的控制器设计方案。
针对LED的电气特性，芯片控制策略采用峰值电流模式控制并建立了小信号模型进行系统环路补偿设计；针对LED的背光应用要求，在控制器中集成了模拟与数字调光（PWM Dimming）功能，具体介绍了数字调光模式的功能电路，其最大的调光比（Dimming Ratio）可以达到3000:1,为了满足更高的效率要求，设计了无采样电阻的控制电路，减少了外围的器件并提高了系统的效率。
芯片在1.5μm BCD工艺下设计并流片，最后给出了各种工作模式下的测试结果，基本满足设计要求。
1 前言由于世界上日趋严重的能源危机，发光二极管（LED）作为一种高效率光源得到了高度重视，不仅消费电子产品中的手机、PDA、液晶电视等的背光光源中已普遍应用白光LED,在公共交通信号标志，工业通信照明系统、汽车灯具以及用量巨大的普通工业与民用照明领域也将获得广泛应用。
作为光源，LED的优势主要体现在三个方面：节能、环保和长寿耐用。
首先，LED的能耗理论上仅为白炽灯的10%,荧光灯的50%;在使用寿命方面，LED是利用固体发光，耐震、耐冲击、不易破碎，预期寿命可达10万小时。
在环保方面，由于在生产环节中不使用汞等易污染物，废弃物可回收无污染。
LED应用中的一个技术关键是提供与其特性相适应的电源或驱动电路。
在照明应用中，现今的高亮度白光LED的工作电流可达150mA~3A,导通压降高达3~5V,以提供更高的亮度。
由于功率的增加，传统的电阻限流，线性调节，电荷泵的驱动方法的效率受原理的限制已无法进一步提高，PWM开关电源型的直流变换器就成为首选的LED驱动解决方案。
本文提出一种应用于升压LED驱动电路的控制器的芯片，考虑到LED是典型的电流型器件，电流的波动会影响其发光效率和色彩，而电流超过额定值将损害其寿命与可靠性。
高压高效率白光LED驱动电路的研究与设计的开题报告一、选题的背景和意义随着LED技术不断发展和应用，白光LED已成为LED照明的重要应用之一，并且得到了广泛的应用。
同时，为了提高LED照明系统的能效和可靠性，需要研究和设计高压高效率的LED驱动电路。
本次课题的研究与设计，旨在开发高压高效率的白光LED驱动电路，为LED照明系统提供效率更高、更可靠的驱动电路，同时也有利于降低LED照明系统的成本和减少环境污染。
二、主要研究内容和方案1. 研究LED照明的基本原理和发展现状，了解目前常见的LED驱动电路的设计方案和方法。
2. 研究高压高效率的升压电路、交流电-直流电变换器以及开关电源等电路的工作原理和设计要点。
3. 基于上述理论和分析，设计出一种高压高效率的白光LED驱动电路方案。
其中，升压电路将低电压DC转换成高电压DC，交流电-直流电变换器是将AC电源转换成DC电源，开关电源是对DC电源进行转换和稳压的。
4. 在设计过程中，要考虑电路的稳定性、效率、可靠性等因素，并对各个部分的电路参数进行优化选择，以达到高效率、高静态稳定性和动态响应的要求。
三、预期成果和进度安排1. 设计出一种高压高效率的白光LED驱动电路，实现自主驱动白光LED发光器件的作用。
2. 利用MATLAB和PSpice等仿真软件进行电路参数分析和验证。
3. 在实际的驱动电路中进行测试和改进，得出最终的电路原型。
4. 完成相关实验和性能测试，对电路的性能和效果进行评价和总结，写出相应的论文和综述。
本次课题的预期完成时间基本安排为：开题报告（1周）、研究方案设计（2周）、电路仿真验证（2周）、电路实现和测试（3周）、论文撰写和汇报（1周）。
四、研究所需资源和支持本次课题的研究所需资源和支持主要包括：1. 有关LED照明、升压电路、交流电-直流电变换器等相关文献、图书和专利。
2. 带有驱动电路、光源和测量仪器等实验设备。
3. 论文撰写和汇报所需的支持，包括电脑、打印机、文献库等。
高效白光LED驱动方案Analogic公司的AAT1451是4路高集成高效白光LED驱动器。
器件的输入电压从5V到26V，可从DC、汽车点烟器或多个锂电池输入，集成的升压转换器提供高达50V的输出，每串LED电流高达30mA，120mA总输出电流可驱动多达481个LED，效率高达93%。
主要用在监视器、笔记本和上网本电脑、手提DVD播放器、手提TV和白光LED背光驱动。
AAT1451通过一个外部RSET电阻器，其四个可编程精密吸引电流最大为30mA/每串，在120mA总输出电流时，最高支持481个白光LED。
其升压输出电压取决于LED串的最高总正向电压，具有广泛的LED特性。
每个串为PWM 调光，90度相移，以降低纹波电流和电容尺寸。
PWM的输入频率范围为100Hz 到10kHz，调光范围为256:1。
图1是AAT1451内部框图。
①集成升压稳压器的开关频率为可编程，从600kHz到1MHz，由外部电阻进行，以达到最佳效率和最小外部L/C滤波元件。
升压电流模式控制提供了线路和负载瞬态的快速响应。
综合的轻负载模式确保了整个负载范围内的最高效率。
具有关闭开路和短路的LED串功能的容错电路，延长了系统的寿命。
独特的高压电流源防止LED短路造成的损害。
FAULT引脚指示LED短路或过热的情况。
AAT1451采用无铅，热增强型，16引脚3×4TDFN封装。
1. AAT1451的主要特性1、输入电压范围：5V到26V；2、集成的50V升压转换器；3、最大输出电流：120mA；4、可编程开关频率；5、600kHz到1MHz；6、最高93的效率；7、高效率轻负载模式；8、4个白光LED串；9、可编程最大吸收电流为30mA/每个；10、±2%精度（22mA）；11、±1.5%匹配（22mA）；12、直接PWM调光；13、自动相移；14、快速开关；15、集成故障防护：独立关闭开路/短路LED串，过压保护，过热保护；16、短路LED和过温故障指示；17、软启动浪涌电流最小化；18、TDFN34-16超小型封装；19、-40°到+85°温度范围。
【深度分析】大功率白光LED路灯发光板与驱动设计
LED是一种绿色照明光源，其主要优点是发光效率高。
随着材料科学的进展，在未来十几年其发光效率会有更大幅度的提高；且能量消耗低、寿命长、
材料可回收，不会污染环境。
基于LED照明的以上优点，欧美、日本和韩国都制定了相应的法律法
规和产业扶持政策，在未来十几年的时间里大规模推广相关技术到民用照明领域。
我国虽然起步比较晚，但最近几年也开始了积极的科研开发和产业政策的
制定和扶持等工作。
大功率白光LED路灯发光板设计的相关应用技术
目前，白光LED技术主要有三种：采用InGaN蓝色LED管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧光粉，由蓝光LED激发荧光粉发出黄光，与蓝光混合发
出白光；利用三基色原理将红、绿、蓝三种LED混合成白光；用紫外光LED
激发三基色荧光粉产生多色光混合成白光。
其中第二种方案控制难度较高、而且阵列应用很难保证发出均匀的白光，而第三种白光技术所发白光有紫外光成分，因此这里选择第一种白光技术进行
应用技术分析。
大功率白光LED的发明成功为半导体发光元件进入照明领域
提供了物质与技术保障。
大功率白光发光二极管在照明领域的使用需要注意两
方面问题：电/光转化率和发光组件的热控制。
大功率LED是一种小型器件，随着制造技术的提高，输入的驱动电流
越来越大，输入功率也随之提高。
虽然电/光转化率较高，但从芯片面积上来讲，应该算作是点光源，因此单位面积上发热量很大。
而大功率LED器件性能随
着结温的升高会受到很大影响，超过一定温度后，电/光转化率会急剧下降，甚至器件因为温度过高而永久失去功能。
白光LED灯驱动电路设计摘要对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
作为一种新型的光源，白光LED更具有无污染、长寿命、耐震动和抗冲击的鲜明特点。
虽然白光LED的发光效率正逐步提高，但是LED灯配套的驱动器性能不佳，故障率高，成为了LED推广应用的瓶颈。
本文介绍了一种照明用LED高效驱动电路的设计方法。
本设计采用单独的驱动电路。
通过脉宽调制方式来调节LED灯的亮度；采用开关电源供电方式，输入电压范围广、抗干扰性好、驱动效率高，保证了该驱动板在不同场合、不同区域都能正常使用。
关键词：LED；照明；高效；驱动White LED lamp driver circuit designAbstractFor general lighting, people need more white light sources. As a new light source, white LED with pollution-free, long-life, vibration and shock resistant to the distinct characteristics. At present, the luminous efficiency white LED is gradually improving, the commercialization of the device has reached the level of the incandescent lamp, but the fact should not be overlooked that the LED lights and supporting, the driver did not keep up with a timely manner, the drive circuit poor performance, fault Rate is high and promote the use of LED become the bottleneck, there are many technical issues need to study and solve.This paper introduces a kind of LED lighting efficiently driving circuit design method. This design USES the separate drivers circuit. Through the pulse width modulation way to adjust LED lamp brightness, Using power switch mode, the input voltage range, anti-jamming good, driving with high efficiency, guarantee the driven plate in different situations, different regions can normal use.Keywords: LED; Lighting; High-efficiency; Driver目录摘要 (1)引言 (3)第一章绪论 (4)1.1 LED的结构以及发光原理 (4)1.2 LED用途介绍 (4)1.3白光LED灯的特点 (6)1.3.1 白光LED灯的优点 (6)1.3.2 白光LED灯的缺点 (6)1.4 我国白光LED发展前景 (6)第二章白光LED灯驱动电源 (8)2.1 LED驱动电源要求 (8)2.2 LED电源的分类 (8)2.3 恒流驱动的理由 (9)第三章 LED驱动器 (12)3.1 白光LED驱动器的要求 (12)3.2 驱动器的分类 (12)3.2.1 恒流源 (13)3.2.2 电荷泵 (13)3.2.3 开关电源 (14)3.3 驱动电源效率 (15)第四章 LED驱动电路设计 (17)4.1 芯片LM3402/LM3402HV电路性能 (17)4.2 PWM调光 (18)4.3 输出开路 (18)结论 (20)参考文献 (21)致谢 (21)附件一实物照片 (22)引言“绿色照明”是20世纪90年代初提出的照明领域的新方针，它是从节约能源、保护环境的角度提出的。
第44卷第1期2010年1月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang U niver sity (Eng ineering Science)Vol.44No.1Jan.2010收稿日期:2008 04 02.浙江大学学报(工学版)网址:w w w.journals.z /eng基金项目:国家自然科学基金资助项目(90702002).作者简介:杨旸(1983-),男,浙江杭州人,博士生,主要从事模拟集成电路设计.E mail:yangyang@vlsi.z 通信联系人:赵梦恋,女,讲师,博士后.E mail:zh aoml@DOI:10.3785/j.issn.1008 973X.2010.01.020高亮度白光LED 驱动控制器设计杨 旸,赵梦恋,陆佳颖,李 帆,吴晓波(浙江大学超大规模集成电路研究所,浙江杭州310027)摘 要:针对多种应用条件下高亮度白光L ED 的驱动要求,提出一种对于不同应用电路拓扑具有广泛适应性的LED 驱动控制器芯片.设计采用峰值电流模式控制策略以适应L ED 的控制特性.针对不同应用拓扑对宽供电电压适应性的要求,引入高精度线性调压器为系统提供稳定的基准电压与工作电压;针对常用的Buck 、Bo ost 和Buck Boo st 3种拓扑分别提供灵活的接入端口;为支持不同拓扑下的电流检测,构造一个兼具高端与低端电流检测功能的运算放大器;应用分段线性补偿解决斜率补偿中补偿不足或过补偿的问题.芯片实现了3000 1的高调光比,并给出了整个控制器芯片和模块的电路设计.该芯片在1 5 m BCD(bipolar CM OS DM O S)工艺下设计与流片,样片测试的结果与设计目标基本一致,取得了预期的效果.关键词:L ED 驱动控制器;峰值电流模式控制;P WM 调光;BCD 工艺中图分类号:T N 433 文献标志码:A 文章编号:1008 973X(2010)01 0111 07Controller IC design for high brightness white LED driverYA NG Y ang,ZHAO M eng lian,LU Jia ying,LI Fan,WU Xiao bo(I nstitute of V LS I D es ign ,Zhej iang Univ er sity ,H angz hou 310027,China )Abstract:A LED driver and controller chip w as pro posed to drive the hig h brightness w hite light em itting diode (H BWLED)in different applicatio ns.The peak curr ent mode contro l was adopted to adapt for the character istics of LED.In addition,a pr ecise linear regulato r w as intr oduced into the circuitr y to offer sta ble refer ence and operation vo ltag es for the sy stem,thus g uaranteeing the hig h adaptability for the supply voltage r equired by different application circuit topolog ies;flex ible inter faces for Buck,Boo st and Buck Boo st topolo gies w ere provided;an amplifier po ssesses both high side and lo w side current sensing func tions w as desig ned to support these applicatio ns;and a piecew ise linear co mpensation w as applied to pre v ent the under and over co mpensatio n in constant slope compensation.PWM dimm ing w ith high dim ming ratio of 3000 1w as r ealized.The co ntro ller IC w as desig ned and fabricated in 1 5 m BCD (bipolar CM OS DM OS)process.T est results of sam ples w er e co nsistent w ith the ex pectations w ell.Key words:LED driver controller;peak current mo de contro l;PWM dim ming;BCD technolo gy 在能源紧缺的现实情况下,发光二极管(light em itting diode,LED)作为一种高效率光源受到高度关注,并在众多应用领域获得普遍应用,如各类消费电子产品 手机、PDA 、液晶电视的背光光源等.近年来发展起来的高亮度白光LED (highbrightness w hite LED,H BWLED)更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景.作为光源,LED 的优势主要体现在节能、环保和长寿耐用3个方面.LED 的能耗理论上仅为白炽灯的10%,荧光灯的50%;由于LED 是利用固体发光,耐震、耐冲击,不易破碎,预期寿命可达10万小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍;在环保方面,由于不使用汞等易污染物,废弃物可回收,没有污染.因此,推广LED的应用对能源十分紧张的中国来说具有十分重要的意义.LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适应的电源或驱动电路.由于LED应用广泛,在不同场合下对于供电电压和电流驱动能力的要求有很大区别.对于H BW LED而言,在高照度工作条件下导通电压高达3~5V,工作电流可达0 15~ 3.00 A.在大功率工作条件下,传统驱动方式如电阻限流、线性调节、电荷泵等的效率已经达到极限,而PWM开关型直流变换器因仍有可能保持较高的电源效率而受到青睐.然而视应用场合的不同,PWM 开关型变换电路往往需要采用不同的电路拓扑,常用的LED驱动有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck Boost)3种[1],而现有的驱动控制器芯片通常只能适用于其中一种,因此研制一种具有普适性的控制器芯片将具有很好的应用前景.LED是典型的电流型器件[2],对工作电流的大小和稳定性要求甚高,电流波动会影响LED的发光效率和色彩,而电流超过额定值将损害LED的寿命与可靠性.因此,在LED驱动中电流模式控制具有明显的优点.技术发展至今,电流控制已经发展出多种模式.相对于环路设计较为复杂的平均电流控制模式和电磁干扰问题较多的迟滞电流控制模式,峰值电流控制模式环路设计较为简单,且可以有效地限制电流.针对上述H BWLED应用的需要,本文提出一种控制器芯片的设计,其特点是可用于上述3种驱动电路拓扑.在设计中择优采用峰值电流控制模式,并在片内集成斜坡补偿电路[3],使之具有很宽的电压工作范围.控制器芯片采用1 5 m BCD工艺进行仿真设计和流片试制,并对所获样片进行测试,验证所提出的设计方案.1 系统与电路设计LED驱动控制器芯片的系统框图如图1所示,主要电路模块包括线性调压器、运算放大器、振荡器、基准电源、欠压锁定比较器、保护/逻辑模块、软起动电路和功率管驱动模块等.1.1 电压稳定性设计如前所述,为提高发光亮度,H BWLED常常在较高电压下工作,例如汽车电子或工业应用等场合.图1 高亮度白光LED驱动控制器模块框图Fig.1 Block diag ram of H BW L ED dr iver co nt roller为使驱动芯片对于多种拓扑、不同场合的应用具有良好的适应性,必须令其在宽供电电压范围内保持高的电压稳定性.因此,在芯片中设置一个能够为系统各模块提供稳定工作电压的线性调压器十分重要.线性调压器的功能是将在一定范围内变化的输入电压转化为恒定的电压.图2所示为线性调压器的基本结构框图.可以看出,该调节器的一个特点是设置了钳位电路(clamp circuit).这是由于调节器应用的跨导运算放大器G m在输出摆幅极限情况下瞬态电流很大,将使调整管的栅源电压接近输入电压,而栅源耐压通常较低,将有可能导致器件失效,影响电路的正常工作.钳位电路的作用就是将后级调整管的栅源电压限定在可以承受的范围之内,提高整个电路的耐压等级.图2 线性调压器基本结构F ig.2 Basic structure of linear r egulato r作为具有深度负反馈的系统,系统的稳定性设计至关重要.整个调压器电路的开环传递函数表示为T(s)=A01+s/p11+s/p2R1R1+R2g m,passR2+1s C2+R11s C1R L R ds,pass.(1)式中:A0为运算放大器的低频增益,p1为跨导放大器的输出极点,p2为缓冲级的输出极点,g m,pass为调112浙 江 大 学 学 报(工学版) 第44卷整管的跨导,R ds,pass 为调整管的输出电阻.由于缓冲级的存在使得p 2向高频端移动,同时改善了运算放大器输出摆率.环路主极点p 0由外部并接的电容C 1决定(忽略等效串联电阻(equivalent series re sistance,ESR),次极点是运算放大器的输出极点p 1.当负载很轻时还会产生一个极点p 3,严重影响环路稳定性.加入电容C 2产生的零点可以抵消该极点的影响,使得当负载较大时,p 3推向高频.设计中的注意点是保证轻载时次极点p 1大于单位增益带宽,当重载时零点频率大于主极点.图3是仿真得到的在轻载和重载情况下线性调压器开环频率响应波特图,仿真时电源电压V I N =12V,V REF =1 23V.可以看到,合理配置零极点的位置保证了系统在全工作范围内都有足够的相位裕度,表明系统是稳定的.图4是线性调压器的电路原理图.整个调压器由4部分构成.为提高电源抑制比(pow er supply rejection ratio,PSRR),输入对管采用PMOS 管,并采用折叠共源共栅结构[4].考虑到高电源电压带来的较大失调对运算放大器增益的影响,特引入补偿电路,使M p6工作在亚阈值区,并产生一个与供电电压成正比、数值很小的电流来补偿运算放大器输图3 线性调压器开环频率响应Fig.3 O pen lo op response o f linear regulator图4 线性调压器电路原理图F ig.4 Schematic of linear r egulato r出的偏差.PMOS 构成的缓冲级可在小负载下有效地关断调整管M pass .所有的设计都考虑了宽供电电压范围的要求,使调压器可以得到稳定的输出.图5 在不同拓扑下的控制环路F ig.5Co ntro l loop of differ ent to po lo gies1.2 多拓扑模式工作及运算放大器的设计本文芯片设计的主要特点之一是能够适用于Buck 、Boo st 和Buck Boost 3种不同应用电路拓扑.针对不同电路拓扑,运算放大器须采用不同的检测方法来检测输入电流.在Bo ost 拓扑中,负载电流采样电阻的一端接地,采用低端电流检测方式,相应地,运算放大器采用普通的低共模输入运算跨导放大器(operational transco nductance am plifier,OTA)结构即可(这里称为电压反馈模式,见图5(a)).此时的LED 负载电流可由下式确定:I LED =V REF /R S1.(2)对于Buck Boo st 拓扑结构,电流采样方式改为高端检测,要求运算放大器在较高输入共模电压下工作,其结构较为复杂,这里称为恒定电流模式.Buck 拓扑的电流采样方式与Buck Bo ost 电路一样.为适应113第1期杨旸,等:高亮度白光LED 驱动控制器设计高端检测的应用,给出一种新颖的运算放大器结构,如图5(b)所示.运算放大器第一级为零漂电压可调的低增益放大器A ,其零漂由外部电压V ADJ 控制;第二级为典型的OTA 运算放大器EA 2.为满足不同拓扑之间的兼容,专门设计了一种可变结构的混合型运算放大器:在不同场合可以通过改变模块组合构成不同特性的运算放大器,以分别适应上述的高端和低端电流检测,其结构如图6所示.为此在电路中设置比较器COM P,通过其输出来实现工作模式切换.当运算放大器正端输入电平SP 高于V REF 时,标志着输入电压的共模值较高(对应于Buck 与Buck Bo ost 型LED 驱动电路),应该采用图5(b)所示结构工作于高端电流检测,此时在COM P 控制下由A 和EA 2构成二级运算放大器进行信号放大,EA 2的输出即作为运算放大器的最终输出;而当SP 低于V R EF 时(对应于Bo ost 型LED 驱动电路),此时放大器切换为低端电流检测,主要由EA 1承担信号放大的工作,从而实现根据需要在2种电流采样方式之间的转换,以适用于不同应用拓扑场合.图6 可变结构的混合型运算放大器Fig.6 Reconfigur able o per ational amplifier w ith t ransfo rmable str ucture图7给出在高端电流检测时放大器的电路原理.该运算放大器采用共基级输入结构,以提高共模电压输入范围[5].图7中Q 1、Q 2为输入对.加入由M 1、M 2、M 5组成的共源共栅结构以进一步提高共模电压输入范围.图7左边是电压 电流转换电路,其中I 为固定的偏置电流,转换器将外部电压V A DJ 转换成相应的电流流入电阻R 4,此时运算放大器的差模输入电压为V OS =(V REF /R 4+V ADJ /R 3-I )R 1.(3)由式(3)可知,在高端电流检测时运算放大器输入的V OS 可以通过调节外部供电电压V ADJ 进行线性调节.对照图5(b)可知,该放大器用于LED 驱动电路图7 高端电流检测运算放大器原理图F ig.7 Schematic of hig h side cur rent sense o per ationalamplifier电流采样,可以通过调节运算放大器输入差模电压来改变LED 的电流,对电流实现控制.1.3 分段线性斜坡补偿采用电流连续的峰值电流模式控制,为此当PWM 占空比大于50%时需要加入一个与时钟同相的斜坡补偿信号.这一补偿信号通常利用振荡器电容上的电压通过镜像取得,得到的是恒定斜率的补偿信号.采用这种恒定斜率补偿可能会出现补偿不足或过补偿的问题.当斜坡补偿不足时,残留的次谐波振荡会造成环路的不稳定;而一旦过补偿,则会使电流模式转变为电压模式,丧失了自身的优点.斜坡补偿的斜率是一个与占空比成正比的函数,因此分段线性补偿不失为一种较好的解决方案[6].图8 分段线性斜坡补偿电路原理图Fig.8 Schematic of piecewise linear slope compensati on circuit图8是提出的分段线性斜坡补偿电路的实现原理.Ramp 是振荡器电容上的电压波形,通过设置图8中四路电阻网络电阻值,使得四路三极管导通的时间不同(随着Ramp 电压的升高依次导通),使得在不同占空比控制信号Gate 下叠加而得的电流不同,最后产生与占空比变化同相的四段线性斜坡补偿电流I slope .该方案简单,易于实现,在最后的系统仿真和测试中均获得了理想的效果.图9是通过仿真得到的各路电流的波形.114浙 江 大 学 学 报(工学版) 第44卷图9 分段线性斜坡补偿仿真结果Fig.9 Simulation results of piecewise linear slope compensati on2 PWM 调光功能设计便携式设备的背光系统或照明通常都要求LED 驱动具有调光(dimm ing )功能.常见的调光方式有2种:模拟调光和PWM 调光.模拟调光通过改变LED 的电流实现发光亮度的调节,但会带来色彩漂移和发光效率的下降;PWM 调光是在PWM 信号的控制下通过开启或断开LED 电流,改变其占空比来实现发光亮度调节.由于PWM 调光只改变占空比,在导通的半周期流过LED 的电流保持不变,避免了模拟调光带来的缺点.图10 PWM 调光控制框图Fig.10 D iagr am of P WM dimming co nt ro l在设计中,调光PWM 频率必须大于100H z,以保证不为人眼所察觉,其最高频率则受到开关电源的开关频率限制.应该指出的是,PWM 调光的缺点主要是有噪声产生且对输出电容有要求,但相对而言是提高H BWLED 发光效率的最有效方法,因此得到广泛应用.图10是提出的控制器芯片在Bo ost 应用中进行PWM 调光的控制框图.可以看出,PWM 调光的基本原理是利用外部PWM 信号控制与LED 串联的开关的通断来实现调光.这里巧妙地利用了运算放大器的外接补偿电容C EA OUT :当PWM 信号为低电平时,运算放大器输出端与补偿电容的通路断开,电容上的电压可以一直维持恒定到下一个PWM 周期的到来.利用这种控制方法,当开关频率为700kH z,PWM 频率为100H z 时,最大调光比可达3000 1.3 芯片版图与测试提出的LED 驱动控制器在1 5 m BCD 工艺下进行仿真设计和流片.芯片的显微照片如图11所示.制得的控制器芯片分别在Boo st 和Buck Boo st LED 驱动电路评估板上进行测试,芯片的输入电压范围为3~15V.在不同模式下的测试波形分别如图12~14所示,测试条件和相关参数见表1,其中f s 表示开关管(V Gate )控制的工作频率.图12(a)是Boost 驱动电路中输出电压V O UT 、电感电流I L 和功率管的驱动电压V Gate 的波形图.可以看到,当占空比大于50%时,由于引入了斜坡补偿,电路工作正常,输出电压保持在恒定值,电感电流的波形稳定.得益于分段线性斜坡补偿,当最大占空比接近90%时系统仍然十分稳定.Buck Boost 驱动电路的测试波形如图12(b)所示,同样得到了稳定的输出.图11 高亮度白光LED 驱动控制器芯片的显微照片Fig.11 Microphotography of HBWLED driver controller chip表1 芯片测试条件T ab.1 T est ing conditio n o f chip模式V IN /V V OUT /V L / H C OUT / F f s /kH z I LE D /mA Boost 1223 84747300150Buck Boost 1218 83047320150115第1期杨旸,等:高亮度白光LED 驱动控制器设计图12 芯片系统应用于2种拓扑的测试波形Fig.12 T est w avefo rms o f system in tw o topolog yapplicatio ns图13 在不同调光比下Boost 电路PWM 波形Fig.13 PWM w avefo rms of Boost circuit w ith differentdimming rat ios图13是芯片应用于Bo ost 电路PWM 调光的测试波形,调光频率为100H z.图13(a)的调光比为2 1(相当于PWM 占空比为50%),图13(b)的调光比为3000 1.可以看到,当调光比从2 1变化为3000 1时,LED 的导通电流值几乎保持不变,实现了恒流调光功能.图14是模拟调光的测试结果.当芯片应用于Buck Boost 电路时,通过调节V ADJ 引脚的电压可以改变反馈的LED 电流,以得到不同的输出电流,实现模拟调光.由图14可以看出,当电压从0 12V 变化到1 2V 时,通过改变负载电流,电感电流从断续模式变化到连续模式,LED 电流与V ADJ 的线性关系良好,完全满足模拟调光的要求.图14 在不同V AD J 下Buck Boost 电路的PWM 波形F ig.14 PW M wav eforms of Buck Boo st circuit with different V ADJ4 结 语本文提出并实现了一种可用于不同电源拓扑的LED 驱动控制器芯片.设计采用在宽供电电压范围内具有高稳定性的线性调压器作为控制器芯片的电源,专门设计构成了可变结构的运算放大器以适应不同的电流采样要求,并且采用分段线性斜坡补偿电路等改善电路的稳定性,实现了预期的设计指标.芯片的特点是对电路拓扑的适应性强,几乎可用于所有主要的LED 应用场合.此外,实现了高达3000 1的高调光比PWM 调光和传统的模拟调光方式.该芯片在1 5 m BCD 工艺下流片,对样片的测试结果完全符合设计预期,验证了电路的设计仿真结果.116浙 江 大 学 学 报(工学版) 第44卷致 谢笔者在本研究过程中与美国国家半导体公司(National Semiconductor Corp.)David Pace、Kalon Chu、Guy Cheung先生等进行了有益的讨论,并得到美国国家半导体公司的支持,谨此致以诚挚的感谢.参考文献(References):[1]顾亦磊,吕征宇,钱照明.DC/DC拓扑的分类和选择标准[J].浙江大学学报:工学版,2004,38(10):1375 1379.GU Y i lei,L V Zheng yu,QI AN Zhao ming.D C/DC to polog y classificatio n and selection cr iter ion[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2004,38(10):1375 1379.[2]SA U ERL A ND ER G,HEN T E D,RA DERM A CH ERH,et al.Dr iver electronics for LEDs[C] IndustryApplications C onference,2006.41st IAS Annual Meet ing.T ampa:I EEE,2006:2621 2626.[3]REDL R,N OV A K I.Instabilities in curr ent mo de contr olled sw itching voltage r egulat ors[C] IEEE PESC81.N ew Y or k:IEEE,1981:17 28.[4]GU PTA V,RINCO N M 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