畢業(yè)論文---led照明用恒流電源變換器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　LED照明用恒流電源變換器設(shè)計(jì)</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(jí)： &l

2、t;/p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)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(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的照明技術(shù)已經(jīng)延續(xù)了一百多年的發(fā)展，近年來(lái)</p><p>　　LED (light-emit

4、ting diode) 是一個(gè)相對(duì)較新的電光源，具有效率高，耐久性，LED在照明領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，小功率照明應(yīng)用很成熟，并在大功率照明領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)間短，市場(chǎng)仍有很大潛力，本文以汽車照明為應(yīng)用背景，研究在大功率照明領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)解決方案。LED亮度主要受電流的影響，所以最好的驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)該是恒流源驅(qū)動(dòng)。和其他駕駛模式，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)具有效率高，因此本文基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)提供了一種LED的驅(qū)動(dòng)電路。本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是一種高頻降壓直流

5、-直流轉(zhuǎn)換器，專門用作一個(gè)恒定電流源的設(shè)計(jì)，內(nèi)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(qū)動(dòng)。高頻率允許使用小的外部元件，電流模式脈寬調(diào)制提供了快速瞬態(tài)響應(yīng)和逐周期電流限制，特別設(shè)計(jì)的調(diào)光電路可以實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)光。具體的設(shè)計(jì)，首先闡述了開(kāi)關(guān)電源的降壓拓?fù)涞幕竟ぷ髟?，詳?xì)分析了各種調(diào)制和控制模式；然后用大功率LED照明應(yīng)用，提出利用脈寬調(diào)制電流控制模式的驅(qū)動(dòng)電路，并分析了其工作過(guò)程；然后介紹了主要電路模塊的性能要求和設(shè)計(jì)思路；最

6、后的手段仿真的總體設(shè)計(jì)的功能驗(yàn)證，和頻率的選擇，輸入電壓范圍和調(diào)光控制給出了具體的應(yīng)用說(shuō)明</p><p>　　關(guān)鍵字：LED; 開(kāi)關(guān)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(lǐng)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(diǎn)···································

15、83;···1</p><p>　　1.3 LED 電氣特性和驅(qū)動(dòng)方案··························&#

16、183;············2</p><p>　　1.4 LED 的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景·················&#

17、183;·······················3</p><p>　　2 開(kāi)關(guān)電源原理·······

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

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

20、83;···············5</p><p>　　2.2 開(kāi)關(guān)調(diào)制方式···············

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

22、<p>　　2.2.1 脈寬調(diào)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(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)·························&

28、#183;···················11</p><p>　　3.1 LED 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)·····················

36、;···················15</p><p>　　4 子模塊的分析與設(shè)計(jì)···········

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(zhǔn)電壓源··································

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

44、183;····························18</p><p>　　4.2.2 啟動(dòng)電路··&

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

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

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

48、　　4.3.1 運(yùn)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(hù)電路···········

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

58、#183;····30</p><p>　　4.5.1 過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)·························

59、···········30</p><p>　　4.5.2 溫度保護(hù)電路的設(shè)計(jì)···················

60、···················31</p><p>　　4.5.3 欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)···········

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

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

66、;p>　　5.2.1 開(kāi)關(guān)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(diào)光控制············&

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

70、;/p><p>　　6 總結(jié)································

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

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(lǐng)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(gè)重要的發(fā)展階段白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈上花費(fèi)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(nèi)的電加熱氣體與光激發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是：體積小，成本低，色澤好，顏色溫度低，給人一種舒服的感覺(jué)，臥室客廳客廳中常用照明；啟動(dòng)性能好，特別適用于應(yīng)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(shí)現(xiàn)亮度調(diào)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(jù)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(qiáng)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(lái)源是室內(nèi)照明的白熾燈，具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)，色澤好，顏色溫度范圍，不影響視覺(jué)。熒光燈為主的商業(yè)和工業(yè)照明。</p><p>　　高強(qiáng)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(nèi)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型場(chǎng)館的照明和汽車照明等領(lǐng)域。</p><p>　　1.2 LED照明的原理及其優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　LED（LED）是近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)新的電光源材料，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(dǎo)體制成的，其核心是 PN 結(jié)，因此它具有一般 PN 結(jié)的I-N 特性，即正向?qū)?、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(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。相對(duì)于白熾燈，熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈，LED 有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)。</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(zhuǎn)化成可見(jiàn)光，獲得</p><p>　　彩色光需要使用彩色濾光片，造成能源浪費(fèi)。LED光譜窄，效率高，單色性好，沒(méi)有過(guò)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(gè) 10w 的 LED 光源發(fā)出的光能與一個(gè) 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(zhǎng)。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(shí)。高功率固體半導(dǎo)體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能，能抵抗高強(qiáng)度震動(dòng)和撞擊。單生活超過(guò)1每天00000小時(shí)，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(lán)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(zhǔn)確控制的強(qiáng)光燈，小，熱量低，因?yàn)樗抢浒踩|摸。</p><p>　　六、符合環(huán)保的趨勢(shì)。發(fā)光材料是半導(dǎo)體，不含汞和其他有害元素。白光LED的光譜中沒(méi)有紫外線輻射，被譽(yù)為“綠色照明”。</p><p>　　1.3 LED 電氣特性和驅(qū)動(dòng)方案</p><p>　　LED可以使用直流電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，這里我們以

83、美國(guó)流明公司飛利浦產(chǎn)品麗訊三系列白色LED為例來(lái)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(xiàn)，白色LED有一個(gè)積極的開(kāi)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(zhǎng)，那么小的正電壓波動(dòng)會(huì)造成顯著正向電流波動(dòng)。圖1-2顯示了25℃白色LED的發(fā)光量標(biāo)準(zhǔn)和正向電流曲線。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)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(guān)系曲線</p><p>　　圖1-2 25℃白光LED標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光量與正向電流的關(guān)系曲線</p><p>　　1.4 LED 的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景</p><p>　　小功率LED的應(yīng)用發(fā)展很快，移動(dòng)電話，掌上電腦，和一系列的消費(fèi)電子產(chǎn)品變得越來(lái)越受歡迎，作為用戶的時(shí)尚和個(gè)性需求

85、，各種背光彩色發(fā)光照明、光電功能已經(jīng)不能滿足用戶，彩色顯示屏和多媒體應(yīng)用綜合已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流。在顯示技術(shù)，市場(chǎng)上有2種基本液晶顯示技術(shù)，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?yàn)楣忸l譜包含所有的顏色，并顯示過(guò)濾器的光譜選擇所需的顏色。白光 LED功耗低，壽命長(zhǎng)，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(hào)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(chǎn)品等。本申請(qǐng)時(shí)間短，市場(chǎng)仍有很大潛力，一個(gè)最有前途的，現(xiàn)有的汽車取代白熾燈的LED燈?，F(xiàn)在汽車制動(dòng)燈，轉(zhuǎn)向燈，霧燈和其他分散，導(dǎo)致取代白熾燈，從發(fā)展的角度來(lái)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(qiáng)度最大，可以使用紅色或黃色透明塑料罩濾波器實(shí)現(xiàn)直接用帶紅色

87、或黃色導(dǎo)致更好的結(jié)果。因?yàn)榇蟮卣饘?dǎo)致的機(jī)械強(qiáng)度，壽命長(zhǎng)（比汽車本身，使用壽命長(zhǎng)），可以有效節(jié)省維修費(fèi)用，甚至從修理。電池電壓是12v，汽車消費(fèi)越來(lái)越大，未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行，那么未來(lái)發(fā)展電源供應(yīng)汽車驅(qū)動(dòng)將是主流產(chǎn)品的需求。</p><p><b>　　第2章 開(kāi)關(guān)電源</b></p><p>　　本章將要介紹的是開(kāi)關(guān)電源 DC－DC 變換器 Buck 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流控制

88、模式符合LED 驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，并在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度和性能等主要問(wèn)題進(jìn)行了分析。</p><p>　　2.1 開(kāi)關(guān)電源變換器(Buck)</p><p>　　開(kāi)關(guān)型變換器應(yīng)用最早在 20 世紀(jì) 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(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制。如圖 2.1 所示開(kāi)關(guān)電源降壓Buck 變換器的原理圖。開(kāi)關(guān) Q1與輸入電壓Vdc相連。周期 T 內(nèi)，Q1的導(dǎo)通時(shí)

89、間是 Ton 。在 Q1 導(dǎo)通時(shí)，V1 處電壓是Vdc (設(shè) Q1 導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓為零)。Q1 關(guān)斷時(shí)V1點(diǎn)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(shí)間電壓為零，則V1 點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)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(diǎn) Vo 成為幅值等于Vdc Ton /T 的無(wú)尖鋒無(wú)紋波的直流電壓。</p><p>　

90、　圖2-1 開(kāi)關(guān)電源Buck拓?fù)涞脑韴D</p><p>　　損耗低，效率高是Buck 電路最大的優(yōu)點(diǎn)，接下來(lái)介紹一下整個(gè)電路波形變化及工作過(guò)程，設(shè)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(diǎn)波形</p><p>　　當(dāng)周期開(kāi)始時(shí)，電感L的起始電流是I1 ，Q1 由二極管反偏截止，控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)通，加在 L 上的電壓是Vdc-

91、Vo，因?yàn)殡妷汉愣ㄌ幵陔姼袃啥?，所以電流線性上升到I2，其斜率為dI/ dt= (Vdc –Vo )/L。當(dāng)Q1 關(guān)斷時(shí)，電感的電流無(wú)法改變，電壓極性在電感兩端顛倒，二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種現(xiàn)象就是電感反沖。沒(méi)有接二極管 D1的話，保持電感 L 上的電流方向不變，這會(huì)讓 Q1 兩端的電壓差過(guò)大而損壞開(kāi)關(guān)。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(chǎn)生反轉(zhuǎn)，其斜率為dI/ dt= (Vd1+Vo )/L。Q1 關(guān)斷結(jié)束后，電感

92、上的電流降低為1I 。Q1 再導(dǎo)通時(shí)，D1 的電流減少，直到 電流變0，因?yàn)镼1 上的電流增長(zhǎng)并取代了二極管的 D1 正向電流，D1 再次反偏，V1 恢復(fù)到</p><p>　　Vdc ，電感的電流變化過(guò)程重復(fù)上一個(gè)周期。電感的電流在整個(gè)周期內(nèi)，會(huì)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(shí)沒(méi)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(shí)下降到0，也就是在電感上的儲(chǔ)能已經(jīng)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(kāi)關(guān)調(diào)制方式</p><p>　　在調(diào)制方式上開(kāi)關(guān)電源電路的調(diào)制方式主要有脈寬調(diào)制和脈頻調(diào)制。我們主要介紹PWM調(diào)制方式&

94、lt;/p><p>　　2.2.1 脈寬調(diào)制（PWM：Pulse Width Modulation）</p><p>　　開(kāi)關(guān)頻率保持不變的是脈寬調(diào)制，占空比是通過(guò)調(diào)整開(kāi)啟脈沖寬度來(lái)改變</p><p>　　的，從而實(shí)現(xiàn)能源的負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制，稱為“定頻調(diào)寬”。</p><p>　　PWM脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器是最常用的方法，通過(guò)反饋端的反饋信號(hào)和參

95、考信號(hào)的差異，內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，并輸出一個(gè)恒定頻率可變寬度方波信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管，可以根據(jù)負(fù)載調(diào)速開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)間，從而使輸出電壓穩(wěn)定。</p><p>　　PWM 調(diào)制適用于電壓和電流控制模式，在負(fù)載較重的情況下具有：效率很高，電壓調(diào)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(kāi)關(guān)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(gè)鋸齒波與誤差放大器的輸出電壓進(jìn)行比較就是電壓控制的原理，產(chǎn)生控制用的 PWM 信號(hào)。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(diào)整器(電壓比較器)中。誤差電壓Vea是由R1和R2檢測(cè)出來(lái)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(duì)電壓控制方式的缺點(diǎn)，近年來(lái)開(kāi)發(fā)的電流控制技術(shù)。電流控制模式可分為峰值電流模式控制（脈沖編碼調(diào)制峰值

98、電流模式）和平均電流模式控制（計(jì)算機(jī)：平均電流模式），含石棉材料的相變材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(chǔ)上，增加，電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，電感電流不再是一個(gè)獨(dú)立的變量，使開(kāi)關(guān)電源變換成一階無(wú)條件穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有一個(gè)桿和一個(gè)90度的相位滯后，從而容易沒(méi)有限制大開(kāi)放的增加和改善小信號(hào)，信號(hào)特征。根據(jù)最優(yōu)控制理論，系</p><p>　　統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，可

99、以實(shí)現(xiàn)最小平方誤差積分指標(biāo)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，在脈寬調(diào)制和輸出電壓和電感電流反饋信號(hào)的雙閉環(huán)控制是一致的一個(gè)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(diào)制電壓比較器的輸入端的電壓控制模式在鋸齒信號(hào)改變電感電流采樣值轉(zhuǎn)換成一個(gè)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(gè)周期開(kāi)始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)控制開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，電流在開(kāi)關(guān)和電感上增加，當(dāng)電流增加與比vilella，觸發(fā)端

100、高電位，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。如果Vdc 增大，則 Vs 上升速度會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)導(dǎo)通加快，Vs 超過(guò)Vea 所用的時(shí)間縮短，則Ton 變短；若Vdc 減小，則 Vs 超過(guò)Vea 讓 PWM 需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)控制信號(hào)。所以不管輸入電壓Vdc 如何波動(dòng)，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間Ton都能通過(guò)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(nèi)環(huán)電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的增加，直至達(dá)到設(shè)定誤差電壓閾值電壓外環(huán)，電流環(huán)是瞬時(shí)快到每個(gè)周期脈沖電流取樣，檢測(cè)動(dòng)態(tài)變化輸出電感電流，電壓外環(huán)只負(fù)責(zé)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(yàn)，證明了電流模式控制有許多優(yōu)點(diǎn)比電壓模式控制。</p><p>　　第3章 LED

102、驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)</p><p>　　在第一章中有詳細(xì)的說(shuō)明設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用環(huán)境和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需要考慮的各種基本模式，設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)芯片使用電流模式脈寬調(diào)制控制降壓結(jié)構(gòu)。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(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整，因?yàn)槭且粋€(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，但也有更好的穩(wěn)定性和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法。而使用降壓途徑是由于電池電壓高于典型值12v，驅(qū)動(dòng)所需的電壓，所以需要驅(qū)動(dòng)的降壓拓?fù)?。采用脈寬調(diào)制控制由

103、于大功率照明等重負(fù)荷的條件下，效率高，電壓調(diào)整率高，線性度高，低輸出紋波。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(guān)系，當(dāng)流過(guò)LED正向平均電流增大，LED發(fā)光亮度是一個(gè)線性增加，所以控制LED亮度基本上是通過(guò)控制LED正向平均電流。圖1-1給出的LED驅(qū)動(dòng)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(gè)閾值，電流小，無(wú)光。當(dāng)電壓超過(guò)一定的閾值，電流與電壓迅速增加，使LED的發(fā)光。通過(guò)控制電壓的抗體可以控制電流的設(shè)備，從而控制LED亮度，但如果恒壓源的驅(qū)動(dòng)，和小的變化將造成較大變化的亮度，也會(huì)產(chǎn)生很大的變化，從而導(dǎo)致如果使用恒定電壓驅(qū)動(dòng)方式無(wú)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(qū)動(dòng)器的輸出必須提供準(zhǔn)確的恒定電流，使高功率LED一般采用恒定電流源驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　3

105、.1 LED 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)述</p><p>　　經(jīng)過(guò)之前的理論分析，LED 驅(qū)動(dòng)芯片在本設(shè)計(jì)中的總體結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1所示：</p><p>　　圖3-1 LED驅(qū)動(dòng)芯片總結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Vin ： Vin 引腳連接外部電源，起到對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的控制電路和開(kāi)關(guān)管輸送電流的作用，SHDN ：SHDN 引腳是關(guān)閉整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的，驅(qū)動(dòng)電路工作

106、啟動(dòng)在該引腳的電壓升為2.5V 時(shí)。不使用的話則讓引腳連到Vin。TR ：TR 是用來(lái)控制內(nèi)部振蕩器頻率的。內(nèi)部基準(zhǔn)的緩沖輸出由REF：REF 控制。調(diào)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(gè)電阻分壓器在Vadj 引腳上產(chǎn)生一個(gè)較低的電壓。接在放大器內(nèi)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(diǎn)的話，可以根據(jù)式 3-1 來(lái)設(shè)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(nèi)部誤差放大器由Vc ： Vc 決定輸出。內(nèi)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(cè)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(cè)電阻的輸入。SW：SW 引腳接到續(xù)流二極管和電感器上，是內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的輸出。LED驅(qū)動(dòng)芯片在每個(gè)周期，反饋回路控制開(kāi)關(guān)的峰值電流，并沒(méi)有直接供電的開(kāi)關(guān)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(dòng)態(tài)特性的循環(huán)，并提供逐周期電流限制。每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，振蕩器產(chǎn)生的低電壓是用來(lái)連接內(nèi)部開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)和外部電感電流的我開(kāi)始增加，當(dāng)電流超過(guò)某一水平所決定的簡(jiǎn)歷引腳電壓，電壓比較器將RS觸發(fā)器輸出，從而切斷開(kāi)關(guān)。外部電感電

109、流通過(guò)外部二極管，并開(kāi)始下降。當(dāng)收到一個(gè)低脈沖，周期重新開(kāi)始。所以，簡(jiǎn)歷引腳電容的電壓控制通過(guò)電感電流和輸出電流。內(nèi)部錯(cuò)誤放大器通過(guò)不斷調(diào)整簡(jiǎn)歷引腳電壓調(diào)節(jié)輸出電流。電壓的Vadj引腳設(shè)置通過(guò)引腳電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)1.25kΩ電阻獲得和Vadj成比例的電流，電流流過(guò)100歐姆的電阻。通用放大器是負(fù)責(zé)維護(hù)的簡(jiǎn)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(hào)發(fā)生器</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的對(duì)輸出的調(diào)整是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的占空比，因此作為整個(gè)芯片產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號(hào)的核心部分，控制邏輯直接決定了對(duì)開(kāi)關(guān)管的 PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法。本芯片產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號(hào)的邏輯電路部分如圖 3-2 所示。</p><p>　　開(kāi)關(guān)管控制邏輯主要有三個(gè)特點(diǎn)：一、開(kāi)關(guān)是由振蕩器的輸出邏輯“0”觸發(fā)；二、關(guān)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(kāi)關(guān)，和輸出的比較邏輯狀態(tài)。因此，如果振蕩器的頻率，開(kāi)關(guān)的脈寬調(diào)制信號(hào)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(gè)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：?jiǎn)?dòng)階段狀

112、態(tài)、穩(wěn)定工作狀態(tài)、自動(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。</p><p>　　3.3.1 啟動(dòng)階段</p><p>　　啟動(dòng)期間， Vout 為低電壓。想要調(diào)整管 Q2 正常運(yùn)作要使Vout 具有足夠的電壓。所以設(shè)計(jì)了比較器在芯片內(nèi)部，用來(lái)檢測(cè)Vout ，當(dāng)?shù)陀?2V 時(shí)，要強(qiáng)制為Vc 充電是通過(guò)一個(gè)二極管來(lái)達(dá)到的，讓開(kāi)關(guān)管工作，輸出電容Cout從電感 L 上獲得電壓，當(dāng)Vout 的電壓升至 2V 的時(shí)候停止

113、獲得，這個(gè)時(shí)候調(diào)整關(guān)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(qū)動(dòng)器穩(wěn)定工作的過(guò)程中，一個(gè)周期的開(kāi)始時(shí)刻，振蕩器輸出的低電壓和Q的邏輯“0”經(jīng)過(guò)或非門使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)電流通過(guò)電感L對(duì)輸出電容Cout充電，電感電流LI 線性上升[12]。LED 上的電流同時(shí)流過(guò) 0.1 Ω 的采樣電阻，采樣電阻上的壓降與基準(zhǔn)電流通過(guò) 100Ω電阻的壓

114、降進(jìn)行比較，雙方的壓力差通過(guò)通用放大器，放大器的輸出電流對(duì)電容充放電電容，電壓的比較器反相輸入端的基準(zhǔn)電壓，比較器的正輸入開(kāi)關(guān)電流采樣后得到的電壓與和正斜率補(bǔ)償電壓，當(dāng)電壓和過(guò)電壓時(shí)電容器，比較器輸出從低層次向高水平的營(yíng)業(yè)額，是引發(fā)的輸入端子是“1”，使“1”，所以問(wèn)邏輯開(kāi)關(guān)管的關(guān)閉[12]。在剩下的時(shí)間內(nèi)，續(xù)流二極管導(dǎo)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(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓，電容器電容基本保持恒

115、定，每個(gè)周期的流出的領(lǐng)導(dǎo)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(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)</p><p>　　系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)均在一個(gè)恒定值，處于平衡狀態(tài)，如果一個(gè)參數(shù)或外部環(huán)境的變化，如參考電流調(diào)整或負(fù)載變化時(shí)，則系統(tǒng)穩(wěn)定平衡狀態(tài)的打破，但因?yàn)橐粋€(gè)負(fù)反饋回路，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整達(dá)到新的平衡。目前的參考源變小為例，介紹了調(diào)

116、整過(guò)程。當(dāng)電流基準(zhǔn)減小，即流經(jīng) 100Ω電流減小，壓降隨之變小。電流在LED上沒(méi)有馬上改變，則電阻 0.1Ω還繼續(xù)維持原來(lái)的壓降，導(dǎo)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(zhuǎn)電平值降低，電源對(duì)開(kāi)關(guān)提供的電流減小，這樣電感 L 對(duì)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(duì) LED 提供的電流減小到基準(zhǔn)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(shè)計(jì)</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(gè)振蕩器：振蕩器，振蕩器和振蕩器。晶體振蕩頻率精度，但價(jià)格高；環(huán)形振蕩器的布局面積大

118、，振動(dòng)頻率高，但其穩(wěn)定性不好；和振蕩器具有成本低，沒(méi)有電感，可調(diào)頻率和電容電阻可以被集成到一個(gè)芯片次要優(yōu)點(diǎn)，但精度不高，一般在1%至10%，對(duì)工藝參數(shù)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(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)仍然是有限的，在許多苛刻的應(yīng)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(yīng)用在低成本，低精度的應(yīng)用，如音頻發(fā)生器，報(bào)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(yīng)用，取而代之的將是高價(jià)格的晶體振蕩器，但

119、其成本優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。大多數(shù)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(huì)顯著改變振蕩器的頻率。高頻開(kāi)關(guān)模塊的原理圖如圖7所示。圖，是一個(gè)關(guān)鍵部分開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制控制。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)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(duì)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(nèi)容，和i1at一端的振動(dòng)信號(hào)被添加，使非門輸出電壓的振動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，使電路振動(dòng)的。典型的非對(duì)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(nèi)容，和i1at一端的振動(dòng)信號(hào)被添加，使非門輸出電壓的振動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，使電路振動(dòng)的。逆變器i4role振蕩波形整形和驅(qū)動(dòng)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?yàn)?，?/p>

121、以轉(zhuǎn)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(hào)，振蕩頻率如此不安。此外，工藝參數(shù)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(guò)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(guān)鍵參數(shù)，直接影響到工藝參數(shù)和供電電壓，導(dǎo)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(guò)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(chǎn)生振蕩周而復(fù)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(chǎn)生參考電路的大小調(diào)整，通過(guò)電阻，具體原則在4.2節(jié)說(shuō)明。</p><p>　　圖4-2 改進(jìn)后的RC振蕩器原理圖</p><p><b>　　4.2 基準(zhǔn)電壓源</b></p><p>

123、;　　參考電壓源系統(tǒng)中最重要的一個(gè)性能模塊，在各種模擬電路具有非常廣泛的應(yīng)用。通常我們需要一個(gè)幾乎是獨(dú)立的溫度，電源電壓和參考過(guò)程工藝參數(shù)。目前較常用的參考源</p><p>　　技術(shù)參考齊納和帶隙參考，這里的設(shè)計(jì)參考了帶隙基準(zhǔn)。</p><p>　　4.2.1 帶隙基準(zhǔn)的原理</p><p>　　如果有相反的溫度系數(shù)與適當(dāng)?shù)募訖?quán)和，那么結(jié)果顯示溫度系數(shù)為0。例如，

124、對(duì)于隨溫度變化向相反方向變化的V1 和V2 來(lái)說(shuō)，我們選取α1和α 2使得,這樣就得到了具有零溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)源Vref = α1 V1+ α2V2。因此，我們需要確定一個(gè)正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的2種電壓的半導(dǎo)體技術(shù)，各種參數(shù)的裝置，一個(gè)雙極晶體管的特性參數(shù)是證明有最好的重復(fù)性，并能提供一個(gè)正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的嚴(yán)格定義的體積[12]。帶隙基準(zhǔn)源的 PTAT 部分由與電源無(wú)關(guān)的偏置電路和兩個(gè)橫截面積之比為n的 PNP 管構(gòu)成[12]

125、。假設(shè) M1和 M2 是相同的 NMOS 管，M3 和 M4 為相同的 PMOS 管，形成一個(gè)回路，產(chǎn)生的電流與電源電壓無(wú)關(guān)。因?yàn)?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?yàn)?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?yàn)榱鬟^(guò) PNP 管的電流密度之比由橫截面機(jī)之比n決定[12]。所以：</p&g

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

127、的帶隙基準(zhǔn)源</p><p><b>　　4.2.2啟動(dòng)電路</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)時(shí)參考電壓也需要考慮的現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)參考電路上電偏置電流為零，因?yàn)槟壳暗姆敝程匦?，所有部門繼續(xù)保持目前的一零，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)限期關(guān)閉，無(wú)法獲得所需的輸出參考。因此，我們可以知道，一個(gè)參考電壓電路可以穩(wěn)定在不同的國(guó)家，因此我們需要擺脫零偏置電流的穩(wěn)定狀態(tài)。解決問(wèn)題的基本思路是避免起

128、始基準(zhǔn)電路上電期間維持零偏置電流，可以提高啟動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)以下功能：權(quán)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(dāng)參考電路形成一個(gè)偏置電流，起動(dòng)模塊不會(huì)造成任何影響。</p><p>　　圖4-5 折疊式運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　啟動(dòng)電路的具體實(shí)現(xiàn)如圖4-5中所示，在上電后，4R和6R 上流過(guò)的電流為零，因此 M15 的柵極和 M13 的源極為地電位，M15 導(dǎo)通后M14

129、 和 M13 隨后導(dǎo)通，M13 導(dǎo)通使得 M5～M8 導(dǎo)通，M6 和 M8 導(dǎo)通使得 M1～M4 導(dǎo)通。此時(shí) Q1 管也導(dǎo)通，所以 M15 的源極電位為V be1 [12]。因?yàn)榇箅娮?R的負(fù)反饋?zhàn)饔蔑@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(guān)斷，結(jié)束啟動(dòng)過(guò)程[12]。</p><

130、;p><b>　　4.3 放大器</b></p><p>　　4.3.1 運(yùn)算放大器</p><p>　　在模擬電路中運(yùn)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(shè)計(jì)運(yùn)算放大器未能達(dá)到通用設(shè)計(jì)，是因?yàn)榉糯笃鞯膮?shù)互相牽制，這就造成放大器設(shè)計(jì)成一個(gè)多層面的優(yōu)化問(wèn)題。設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器，需要從開(kāi)始認(rèn)識(shí)到的參數(shù)之間的權(quán)衡，這一特點(diǎn)，最終需要在整體設(shè)計(jì)上綜合考慮，

131、因此我們必須滿足每一個(gè)參數(shù)的適當(dāng)?shù)臄?shù)值。</p><p>　　4.3.1.1 運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)</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(shè)計(jì)都是從最基本的差分放大器結(jié)構(gòu)改進(jìn)，才能在不同的環(huán)境中使用。性能參數(shù)是我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算放大器首要考慮的，像一些常規(guī)特性，第一關(guān)注的有開(kāi)環(huán)增益跟輸出電壓擺幅。是一個(gè)差分放大器的低頻小信號(hào)增益，這里gm 為差分輸入

132、對(duì)的跨導(dǎo)，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(guò) 20的增益，高增益通過(guò)提高輸出阻抗和輸入對(duì)管的跨導(dǎo)，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(jí)約為。但是，這是減少輸出擺幅和增長(zhǎng)極為代價(jià)。級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器有2種電路結(jié)構(gòu)，一個(gè)“套”級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器，另一種是“折疊”級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器?！闭郫B”級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)提出了“套”級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器的輸出擺幅是有限的，在實(shí)際應(yīng)用中，很

133、難使輸入和輸出電路，但“折疊”級(jí)聯(lián)運(yùn)算放大器這一優(yōu)勢(shì)在大功率，低電壓增益，降低頻率和高費(fèi)用的噪音。一個(gè)運(yùn)算放大器輸入對(duì)管的小信號(hào)電流流過(guò)直接輸出阻抗，使電路增益限制在輸入跨導(dǎo)和輸出阻抗的產(chǎn)品，雖然這些電路級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加輸出阻抗來(lái)提高增益，但限制的輸出擺幅。在一些應(yīng)用中，一級(jí)的級(jí)聯(lián)運(yùn)算</p><p>　　4.3.1.2 折疊式運(yùn)放結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)高的開(kāi)環(huán)增益和高輸出擺

134、幅，放大器采用一二級(jí)結(jié)構(gòu)，通常第一階段主要提供高增益，二級(jí)大輸出擺幅。由于設(shè)計(jì)中的運(yùn)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(diǎn)是表面電位和輸入范圍大，所以第一級(jí)運(yùn)算放大器使用半導(dǎo)體作為輸入</p><p>　　的折疊放大器，以提高驅(qū)動(dòng)能力和輸出擺幅，二級(jí)采用共源電路，并通過(guò)電流鏡的雙端單端輸出，放大器的偏置電壓從一個(gè)參考電路。</p><p>　　圖4-6 折疊式運(yùn)算放大器

135、的結(jié)構(gòu)</p><p>　　二級(jí)運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖 4-6 所示，M1、M4、M5、M8 和 M9 為電流源，為了實(shí)現(xiàn)近地電壓的輸入，需要調(diào)小 M4 和 M5 的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，放大器的增益計(jì)算如下。</p><p><b>　　第1級(jí)增益為：</b></p><p><b>　　第2級(jí)的增益為：</b></p&g

136、t;<p>　　4.3.2 緩沖放大器</p><p>　　LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)置LED的輸出電流是一個(gè)電流參考源，在參考電壓輸入電壓電流運(yùn)算放大器后我們就可以獲得一個(gè)參考電流。調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)，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(dāng)電壓電流運(yùn)算放大器的輸入端，從而得到不同的電流參考，具體應(yīng)用在第五章闡述了應(yīng)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(shí)際不可行的。

137、在這里，我們需要一個(gè)緩沖功能的中間模塊，其不影響精度</p><p>　　的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生，并在電阻分壓器是理想的參考電壓，換句話說(shuō)，希望得到一個(gè)輸入阻抗很大，但很小的運(yùn)算放大器輸出阻抗。一般運(yùn)算放大器的輸入級(jí)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(yùn)算放大器輸出阻抗。有2種方法：第一種方法是在運(yùn)算放大器的輸出級(jí)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(shù)量級(jí)的1 /通用；另一種方法是使用電壓并聯(lián)負(fù)反饋的原則，假設(shè)操作放大器的輸出阻抗，開(kāi)環(huán)增益，反饋系數(shù)，然后輸出電阻是反滲透/（+自動(dòng)切片），通常較大，所以十Ω周圍的輸出電阻?？梢?jiàn)二更好的方法，并基于上述分析提出了基本結(jié)構(gòu)的緩沖運(yùn)算放大器圖4-7。</p><p>　　圖4-7 緩沖放大器結(jié)構(gòu)</p><p>　　負(fù)反饋的實(shí)現(xiàn)，將輸出端 OUT 直接接至 M2 的柵極

139、，所以 F = 1。開(kāi)路輸出阻抗 Ro = r 9 P r7；增益 A可以分兩級(jí)考慮：</p><p><b>　　第1級(jí)增益是：</b></p><p><b>　　第2級(jí)增益是: </b></p><p>　　4.3.3 GM誤差放大器 </p><p>　　LED 驅(qū)動(dòng)芯片中的 GM 誤差放大

140、器其實(shí)就是一個(gè)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 OTA（Operational Transconductance Amplifier），其輸入電壓來(lái)自于 LED 電流采樣電阻 0.1Ω上的電壓和基準(zhǔn)電流源流過(guò)電阻 100Ω上產(chǎn)生的電壓，其輸出是一個(gè)電流源或電流漏，用于對(duì)負(fù)載電容 C 的驅(qū)動(dòng)[12]。。通用GM放大器的最終設(shè)計(jì)</p><p>　　結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。誤差放大器分為三個(gè)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(jí)。差分輸入級(jí)的電壓增益可以通過(guò)提高 M6 和 M9 的漏極輸出電阻實(shí)現(xiàn)高增益。MOS 管 M10～M15 構(gòu)成了電流輸出部分，它實(shí)際上是一個(gè)推挽源極跟隨器， M11和 M14 分別與 M12 和 M15 構(gòu)成了互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其柵壓可以相互補(bǔ)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(fù)載電容充電時(shí)，其正擺率：</p><p>　　負(fù)載電容放電時(shí)，其負(fù)擺率：</p><p>　　因?yàn)檩敵鲅b置的絕對(duì)價(jià)值的大隱靜脈可大，輸出設(shè)備可以保持開(kāi)放狀態(tài)，確保有足夠的電流源，從而提供高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)</p><p>　　比較器是一個(gè)非常重要的功能模塊，在控制電路，啟動(dòng)電路，保護(hù)電路采用，它的功能是用來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小，輸出邏輯電平[12]。電壓比較器，運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)性能基本相同，不同的是比較器工作在開(kāi)環(huán)模式，重點(diǎn)考慮的是轉(zhuǎn)換速度，增益和輸入失調(diào)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(shè)計(jì)的比較器采用雙級(jí)放大器結(jié)構(gòu)，和輸出終端與水平的提高逆變器，具體的電路結(jié)構(gòu)如圖4-9所示[12]。第一級(jí)是差分輸入級(jí)，PMOS 對(duì)管 M2～M3 雙端輸入，NMOS 管 M4～M5 實(shí)現(xiàn)單端輸出；第二級(jí)是共源放大級(jí)，用 NMOS 管 M7 作為輸入，PMOS 管 M6 作電流源負(fù)載；第三級(jí)采用推挽式 CMOS 反相器，由于采用反相器，所以幾乎能達(dá)到滿幅輸出[12]。在靜

145、態(tài)偏置設(shè)計(jì)中，來(lái)自于基準(zhǔn)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(shí)間偏移所設(shè)計(jì)的二級(jí)和第三級(jí)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(shí)際應(yīng)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(hù)電位，比較器的輸出噪聲的變化，導(dǎo)致頻繁開(kāi)啟和關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)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(nèi)部的方法。外部滯后使用外部反饋實(shí)現(xiàn)延遲。內(nèi)部遲滯比較器的結(jié)構(gòu)如圖 4-10，由一個(gè)高增益差分輸入及和一個(gè)雙端轉(zhuǎn)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(diǎn)串聯(lián)電

147、流反饋，這條反饋通路是負(fù)反饋；第2條是連接 M5 和 M6 的源—漏極并聯(lián)電壓反饋，反饋途徑是積極的[12]。當(dāng)負(fù)反饋系數(shù)大于正反饋系數(shù)，電路將負(fù)反饋，而失去了滯后效應(yīng)；當(dāng)負(fù)面的反饋系數(shù)小于正反饋系數(shù)，電路性能的積極反饋，而在電壓傳輸將出現(xiàn)滯后。</p><p>　　圖4-10 遲滯比較器結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4.5 保護(hù)電路</b></p>

148、<p>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)特定功能的同時(shí)，為了使芯片不超過(guò)額定參數(shù)，保證可靠性，避免因過(guò)熱而損壞，需要一些額外的保護(hù)電路。一般來(lái)說(shuō)，該保護(hù)電路的形式：一是過(guò)流保護(hù)，這是一個(gè)當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管峰值電流超過(guò)額定電流值，試圖限制開(kāi)關(guān)的峰值電流，平均電流使開(kāi)關(guān)管不超過(guò)額定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流和燒傷；另一個(gè)是過(guò)熱保護(hù)，在電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)溫度敏感的線性裝置，該裝置設(shè)置在開(kāi)關(guān)管通常圍繞，是用來(lái)檢測(cè)溫度的開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管因過(guò)度功耗和溫度上升

149、超過(guò)額定工作溫度范圍內(nèi)，溫度測(cè)量裝置將啟動(dòng)保護(hù)電路，使開(kāi)關(guān)管工作電流下降，這限制了功率開(kāi)關(guān)管，使溫度可逐漸下降，直到低于額定工作溫度為一定值時(shí)，保護(hù)電路故障，電路恢復(fù)正常工作的圣吃。通常一個(gè)溫度測(cè)量設(shè)備布局設(shè)計(jì)是接近開(kāi)關(guān)，它可以直接快速感知開(kāi)關(guān)管的溫度，由于開(kāi)關(guān)電源芯片的主要來(lái)源，限制了其能耗大小可以有效地保證了整個(gè)芯片工作在額定溫度范圍。</p><p>　　從保護(hù)過(guò)程看，過(guò)電流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)電路，每個(gè)人都有他

150、的優(yōu)點(diǎn)。如果芯片是因?yàn)槌d造成的損壞，過(guò)熱保護(hù)電路，如果短時(shí)間內(nèi)存在大電流過(guò)載時(shí)，由于電路本身具有一定的熱容量（需要在電流過(guò)載時(shí)，積累到一定的量熱工作），和一個(gè)傳熱也需要一定的時(shí)間延遲電路，過(guò)熱沒(méi)有反應(yīng)，有時(shí)不是芯片損壞，當(dāng)過(guò)電流保護(hù)，因?yàn)橛卸虝旱姆磻?yīng)能力，在每個(gè)周期的限制電流峰值，可以有效地保護(hù)。如果損壞芯片是正確的嗎？因?yàn)殡娏鬟^(guò)載，但因?yàn)樾酒睦鋮s條件，溫度過(guò)高而導(dǎo)致過(guò)熱過(guò)電流保護(hù)芯片損壞，無(wú)法起到保護(hù)作用，和過(guò)熱保護(hù)此時(shí)卻可以有效

151、地工作，定義了一個(gè)芯片在額定溫度范圍。所以，在功率集成電路的設(shè)計(jì)，通常伴有的保護(hù)模式，基本可以避免芯片過(guò)熱和破壞。</p><p>　　4.5.1 過(guò)電流保護(hù)電路</p><p>　　在工作過(guò)程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器負(fù)載過(guò)大，或著外部電路裝置內(nèi)部部件的局部短路，開(kāi)關(guān)管電流受到過(guò)流保護(hù)電路的流量限制，這是控制在額定范圍。傳統(tǒng)的保護(hù)方式是通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流，一般用開(kāi)關(guān)管串聯(lián)一個(gè)電阻小、使用該開(kāi)關(guān)的柵源電

152、</p><p>　　壓檢測(cè)，檢測(cè)到的電阻壓降或開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)關(guān)閉，停止當(dāng)前的進(jìn)一步提高，保證電流不超過(guò)額定電流。</p><p>　　圖4-11 過(guò)流保護(hù)原理圖</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)的 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娏骺刂颇Ｊ剑總€(gè)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(shù)量限制電流誤差放大器在每個(gè)周期的峰值電流都有限制輸出電壓的大小。實(shí)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(guān)系是：Vz=K·Imax·Rs，其中Imax是通過(guò)開(kāi)關(guān)和電感。穩(wěn)壓管反向截止開(kāi)關(guān)管，每個(gè)周期的峰值電流是由一個(gè)電容電壓控制；當(dāng)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?qū)?，?/p>