LED照明用恒流电源变换器设计.docx

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LED照明用恒流电源变换器设计

LED照明用恒流电源变换器设计

1绪论·····························································1

1.1照明领域的发展历史············································1

1.2LED照明的原理及其优点·······································1

1.3LED电气特性和驱动方案·······································2

1.4LED的应用现状和前景·········································3

2开关电源原理······················································5

2.1降压型开关电源变换器（Buck）···································5

2.2开关调制方式··················································7

2.2.1脉宽调制（PWM：

PulseWidthModulation）···················8

2.3控制方式······················································8

2.3.1电压控制模式·············································8

2.3.2电流控制模式·············································9

3LED驱动电路的结构·············································11

3.1LED驱动电路的结构及简述·····································11

3.2PWM发生器的控制逻辑········································13

3.3工作状态描述·················································14

3.3.1启动阶段状态············································14

3.3.2稳定工作状态············································14

3.3.3自动调节工作状态········································15

4子模块的分析与设计···············································16

4.1RC振荡器···················································16

4.1.1典型的RC振荡电路·····································16

4.1.2高精度RC振荡电路·····································17

4.2基准电压源···················································18

4.2.1带隙基准的原理··········································18

4.2.2启动电路················································20

4.3放大器·······················································22

4.3.1运算放大器··············································22

4.3.2缓冲放大器··············································24

4.3.3GM误差放大器··········································25

4.4比较器·······················································28

4.4.1普通比较器··············································28

4.4.2迟滞比较器··············································29

4.5保护电路·····················································30

4.5.1过电流保护电路的设计····································30

4.5.2温度保护电路的设计······································31

4.5.3欠压保护电路的设计······································32

5芯片整体仿真及其应用方式举例·····································33

5.1芯片整体仿真·················································33

5.2应用方式举例·················································36

5.2.1开关频率的选择··········································36

5.2.2输入电压范围估算········································37

5.2.3调光控制················································38

6总结·····························································42

参考文献···························································43

致谢·······························································44

第1章绪论

1.1照明领域的发展历史

电光源的发明改变了人们的生活方式，让人可以在白天黑夜里都一样生活着。

电气照明史在三个重要的发展阶段白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯上花费了100多年的光阴。

白炽灯的工作原理是在灯泡钨丝灯泡内的电加热气体与光激发。

优点是：

体积小，成本低，色泽好，颜色温度低，给人一种舒服的感觉，卧室客厅客厅中常用照明；启动性能好，特别适用于应急照明；工作电压范围宽，输出的光电压变化和不断变化，和便于实现亮度调整；但发光效率低，寿命短。

气体放电灯的原理是利用电极之间的气体，电子的激发和发光。

根据放电管放电气体在不同的压力可分为低压气体放电灯和高压气体放电灯（也被称为高强度气体放电灯）。

低压气体放电灯荧光灯作为典型代表，主要来源是室内照明的白炽灯，具有无可比拟的优点，发光效率高，寿命长，色泽好，颜色温度范围，不影响视觉。

荧光灯为主的商业和工业照明。

高强度气体放电灯主要包括高压汞灯，高压钠灯，金属卤化物灯，灯的发光原理基本相同，但有不同的光输出。

高压汞灯光效率较低，颜色差和使用寿命短，主要用于户外照明及一些工矿企业室内照明，高压钠灯、金属卤化物灯，发光效率高，色泽好，光线集中等优点，广泛应用于大型场馆的照明和汽车照明等领域。

1.2LED照明的原理及其优点

LED（LED）是近年来发展的一个新的电光源材料，其基本结构是一个LED，该Ⅲ-Ⅳ芳香化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结，因此它具有一般PN结的I-N特性，即正向导通、反向截止和击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

相对于白炽灯，荧光灯和高强度气体放电灯，LED有着非常显著的优势。

一、效率高。

传统的光源使用黑体辐射发射能量，只有10%可以转化成可见光，获得

彩色光需要使用彩色滤光片，造成能源浪费。

LED光谱窄，效率高，单色性好，没有过滤，直接光。

二、节能好。

特性是：

电压低，电流小，亮度高。

一个10w的LED光源发出的光能与一个35W的白炽灯发出的光一样，照明效果同样的LED比传统光源节能70%-80%。

三、使用寿命长。

白炽灯的灯丝钨丝加热使用轻，容易烧坏，光衰减得越快，和玻璃泡壳容易损坏，一般寿命约1000小时。

高功率固体半导体芯片将电能转化为光能，能抵抗高强度震动和撞击。

单生活超过1每天00000小时，即使连续使用能力，也能够工作20几年。

四、很多光色。

白光或彩光都可以选择，红色，黄色，蓝色，绿色等，还能组合出各种想要的色彩灯饰。

五、安全度高。

发光稳定，可准确控制的强光灯，小，热量低，因为它是冷安全触摸。

六、符合环保的趋势。

发光材料是半导体，不含汞和其他有害元素。

白光LED的光谱中没有紫外线辐射，被誉为“绿色照明”。

1.3LED电气特性和驱动方案

LED可以使用直流电源系统驱动，这里我们以美国流明公司飞利浦产品丽讯三系列白色LED为例来研究直流特性。

图1-1显示了25℃白色LED的正向平均电流正向压降曲线。

从图1-1清楚地发现，白色LED有一个积极的开启电压，大小约3.2v，LED正向平均电流与电压大幅度增加线性增长，那么小的正电压波动会造成显著正向电流波动。

图1-2显示了25℃白色LED的发光量标准和正向电流曲线。

当白光LED的正向电流大于100mA的白色LED可以有效地发光，标准光源数量变化与正向电流几乎呈线性。

图1-125℃白光LED平均正向电流与正向压降的关系曲线

图1-225℃白光LED标准发光量与正向电流的关系曲线

1.4LED的应用现状和前景

小功率LED的应用发展很快，移动电话，掌上电脑，和一系列的消费电子产品变得越来越受欢迎，作为用户的时尚和个性需求，各种背光彩色发光照明、光电功能已经不能满足用户，彩色显示屏和多媒体应用综合已经成为市场的主流。

在显示技术，市场上有2种基本液晶显示技术，使用超扭曲向列相液晶（液晶）或薄膜晶体管（液晶）显示，这种方式需要白光照明。

因为光频谱包含所有的颜色，并显示过滤器的光谱选择所需的颜色。

白光LED功耗低，寿命长，是目前照明用最好的选择方案。

固态光源里中大功率的LED，可大量使用在白光一般照明，装饰照明，汽

车灯，交通信号显示，背景显示，大屏幕，特种照明，军事照明和旅游业，轻工产品等。

本申请时间短，市场仍有很大潜力，一个最有前途的，现有的汽车取代白炽灯的LED灯。

现在汽车制动灯，转向灯，雾灯和其他分散，导致取代白炽灯，从发展的角度来看，汽车灯，倒车灯，大灯是可能使用的大功率LED相反，虽然有些是红色或黄色发光，但目前的高亮度白光LED强度最大，可以使用红色或黄色透明塑料罩滤波器实现直接用带红色或黄色导致更好的结果。

因为大地震导致的机械强度，寿命长（比汽车本身，使用寿命长），可以有效节省维修费用，甚至从修理。

电池电压是12v，汽车消费越来越大，未来的标准电压进行，那么未来发展电源供应汽车驱动将是主流产品的需求。

第2章开关电源

本章将要介绍的是开关电源DC－DC变换器Buck拓扑结构，电流控制模式符合LED驱动特点，并在稳定性、准确度和性能等主要问题进行了分析。

2.1开关电源变换器（Buck）

开关型变换器应用最早在20世纪60年代。

在输入和输出之间装上高速通断的晶体管，输出直流电压的平均值通过调节占空比来控制。

如图2.1所示开关电源降压Buck变换器的原理图。

开关Q1与输入电压Vdc相连。

周期T内，Q1的导通时间是Ton。

在Q1导通时，V1处电压是Vdc（设Q1导通时两端的电压为零）。

Q1关断时V1点的电压下降到0V，则V1处的电压波形是矩形电波，如图2.2所示，Ton的电压是Vdc，其余时间电压为零，则V1点一个周期内的平均电压直流值是VdcTon/T。

LC滤波器处在V1和Vo之间它使输出点Vo成为幅值等于VdcTon/T的无尖锋无纹波的直流电压。

图2-1开关电源Buck拓扑的原理图

损耗低，效率高是Buck电路最大的优点，接下来介绍一下整个电路波形变化及工作过程，设Vo为输出电压。

图2-2Buck变换器连续工作模式下各节点波形

当周期开始时，电感L的起始电流是I1，Q1由二极管反偏截止，控制信号驱动后导通，加在L上的电压是Vdc-Vo，因为电压恒定处在电感两端，所以电流线性上升到I2，其斜率为dI/dt=（Vdc–Vo）/L。

当Q1关断时，电感的电流无法改变，电压极性在电感两端颠倒，二极管导通续流，这种现象就是电感反冲。

没有接二极管D1的话，保持电感L上的电流方向不变，这会让Q1两端的电压差过大而损坏开关。

为了使电感中的电流线性下降，连接二极管，使电感两端电压极性产生反转，其斜率为dI/dt=（Vd1+Vo）/L。

Q1关断结束后，电感上的电流降低为1I。

Q1再导通时，D1的电流减少，直到电流变0，因为Q1上的电流增长并取代了二极管的D1正向电流，D1再次反偏，V1恢复到

Vdc，电感的电流变化过程重复上一个周期。

电感的电流在整个周期内，会有I2-I1的变化，输出电流Io为I1+1/2（I2-I1）。

电流在下降时没有下降为0，也就是I1>0，这种模式就是连续工作模式，如图2-2中所示。

电感上的电流在下降时下降到0，也就是在电感上的储能已经完全释放，这样的工作模式是不连续模式，如图2-3所示。

图2-3不连续工作模式下的电流波形图

2.2开关调制方式

在调制方式上开关电源电路的调制方式主要有脉宽调制和脉频调制。

我们主要介绍PWM调制方式

2.2.1脉宽调制（PWM：

PulseWidthModulation）

开关频率保持不变的是脉宽调制，占空比是通过调整开启脉冲宽度来改变

的，从而实现能源的负荷转移控制，称为“定频调宽”。

PWM脉宽调制开关电源转换器是最常用的方法，通过反馈端的反馈信号和参考信号的差异，内部产生的锯齿波进行比较，并输出一个恒定频率可变宽度方波信号来控制开关管，可以根据负载调速开关管开启时间，从而使输出电压稳定。

PWM调制适用于电压和电流控制模式，在负载较重的情况下具有：

效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小。

2.3控制方式

开关电源DC－DC变换器有两种控制模式，分别是电流控制模式（CurrentCtonrolMode）和电压控制模式（VoltageCtonrolMode）。

2.3.1电压控制模式

将一个锯齿波与误差放大器的输出电压进行比较就是电压控制的原理，产生控制用的PWM信号。

PWM电压模式的控制原理图如图2-5所示，其原理为：

讲放大的误差电压Vea输入到脉宽调整器（电压比较器）中。

误差电压Vea是由R1和R2检测出来的电压V。

输入误差放大器EA中与参考电压Vref比较获得。

图2-5PWM电压模式控制原理图

2.3.2电流控制模式

针对电压控制方式的缺点，近年来开发的电流控制技术。

电流控制模式可分为峰值电流模式控制（脉冲编码调制峰值电流模式）和平均电流模式控制（计算机：

平均电流模式），含石棉材料的相变材料的基础上发展起来的电流控制模式，通常称为峰值电流控制模式。

电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加，电流负反馈环节，电感电流不再是一个独立的变量，使开关电源变换成一阶无条件稳定系统，它只有一个杆和一个90度的相位滞后，从而容易没有限制大开放的增加和改善小信号，信号特征。

根据最优控制理论，系

统实现全状态反馈控制系统，可以实现最小平方误差积分指标的动态响应。

因此，在脉宽调制和输出电压和电感电流反馈信号的双闭环控制是一致的一个最优控制法。

图2.6为PWM峰值电流控制模式的原理框图。

与电压控制方式的不同，电流控制方式的脉宽调制电压比较器的输入端的电压控制模式在锯齿信号改变电感电流采样值转换成一个电压比较器，另一端是输出电压采样值与参考值的误差放大器。

在每个周期开始时，时钟信号控制开关开启，电流在开关和电感上增加，当电流增加与比vilella，触发端高电位，关闭开关。

如果Vdc增大，则Vs上升速度会因为开关导通加快，Vs超过Vea所用的时间缩短，则Ton变短；若Vdc减小，则Vs超过Vea让PWM需要更长的时间来控制信号。

所以不管输入电压Vdc如何波动，开关的导通时间Ton都能通过电流控制改变，使得输出电压稳定为Vo=Vref（1+R1/R2）。

图2-6PWM峰值电流型控制原理图

从图2-6上可以看到，电流控制是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路是由电压外环控制，电流环，内环电流在每个开关周期的增加，直至达到设定误差电压阈值电压外环，电流环是瞬时快到每个周期脉冲电流取样，检测动态变化输出电感电流，电压外环只负责控制输出电压。

因此，电流控制模式与电压控制模式更大的带宽，理论分析和试验，证明了电流模式控制有许多优点比电压模式控制。

第3章LED驱动电路的结构

在第一章中有详细的说明设计和驱动应用环境和驱动电路设计需要考虑的各种基本模式，设计了一种驱动芯片使用电流模式脉宽调制控制降压结构。

如第一章绪论，电流控制模式比电压控制模式相比具有更高的效率，更好的负载调整率和线性调整，因为是一个闭环系统，但也有更好的稳定性和更简单的设计方法。

而使用降压途径是由于电池电压高于典型值12v，驱动所需的电压，所以需要驱动的降压拓扑。

采用脉宽调制控制由于大功率照明等重负荷的条件下，效率高，电压调整率高，线性度高，低输出纹波。

本文所设计的驱动芯片作为稳定的照明电光源，基本要求是在外界条件变化时保持稳定的亮度。

从图1-2显示发光量基本与正向平均电流成线性关系，当流过LED正向平均电流增大，LED发光亮度是一个线性增加，所以控制LED亮度基本上是通过控制LED正向平均电流。

图1-1给出的LED驱动在常温下I-V曲线，从图中可以看出在正向电压低于一个阈值，电流小，无光。

当电压超过一定的阈值，电流与电压迅速增加，使LED的发光。

通过控制电压的抗体可以控制电流的设备，从而控制LED亮度，但如果恒压源的驱动，和小的变化将造成较大变化的亮度，也会产生很大的变化，从而导致如果使用恒定电压驱动方式无法满足日常照明光源亮度稳定的要求，因此，要精确控制高功率LED亮度，驱动器的输出必须提供准确的恒定电流，使高功率LED一般采用恒定电流源驱动。

3.1LED驱动电路的结构及简述

经过之前的理论分析，LED驱动芯片在本设计中的总体结构图如图3-1所示：

图3-1LED驱动芯片总结构图

Vin：

Vin引脚连接外部电源，起到对LED驱动电路内部的控制电路和开关管输送电流的作用，SHDN：

SHDN引脚是关闭整个驱动电路的，驱动电路工作启动在该引脚的电压升为2.5V时。

不使用的话则让引脚连到Vin。

TR：

TR是用来控制内部振荡器频率的。

内部基准的缓冲输出由REF：

REF控制。

调节LED电流的大小可把REF引脚连接至引脚Vadj，也可以用一个电阻分压器在Vadj引脚上产生一个较低的电压。

接在放大器内部电压输入端的是Vadj：

Vadj引脚。

将REF引脚与Vadj引脚连接，可以输出电流为1A。

输出电流想要第一点的话，可以根据式3-1来设置Vadj的电压：

11.25ADJLEDVIAV=×………………………………………………………（3-1）

接连接到地电位的引脚是GND：

GND。

内部误差放大器由Vc：

Vc决定输出。

内部电路与CV引脚是否连接由PWM：

PWM引脚控制。

LED的正极连接到LED：

LED引脚，利用电流检测电阻器的输出。

OUT：

OUT连接到输出电容器和电感器，利用电流检测电阻的输入。

SW：

SW引脚接到续流二极管和电感器上，是内部电源开关的输出。

LED驱动芯片在每个周期，反馈回路控制开关的峰值电流，并没有直接供电的开关占空比的方法。

与电压控制模式，电流模式控制，改善系统的动态特性的循环，并提供逐周期电流限制。

每个周期开始时，振荡器产生的低电压是用来连接内部开关。

开关和外部电感电流的我开始增加，当电流超过某一水平所决定的简历引脚电压，电压比较器将RS触发器输出，从而切断开关。

外部电感电流通过外部二极管，并开始下降。

当收到一个低脉冲，周期重新开始。

所以，简历引脚电容的电压控制通过电感电流和输出电流。

内部错误放大器通过不断调整简历引脚电压调节输出电流。

电压的Vadj引脚设置通过引脚电流调节器，通过1.25kΩ电阻获得和Vadj成比例的电流，电流流过100欧姆的电阻。

通用放大器是负责维护的简历引脚电压，建立通过0.1Ω电阻和LED引脚电流。

当0.1Ω电阻上的电压降和电压下降到百Ω相等，循环是在平衡的状态。

3.2PWM发生器的控制逻辑

图3-2PWM逻辑控制信号发生器

开关电源的对输出的调整是通过控制开关管导通和关断的占空比，因此作为整个芯片产生PWM调制信号的核心部分，控制逻辑直接决定了对开关管的PWM调制实现方法。

本芯片产生PWM调制信号的逻辑电路部分如图3-2所示。

开关管控制逻辑主要有三个特点：

一、开关是由振荡器的输出逻辑“0”触发；二、关闭由比较器输出逻辑“1”触发；三、如果振荡器的逻辑“1”之前，

该比较器输出逻辑“1”，然后开关，和输出的比较逻辑状态。

因此，如果振荡器的频率，开关的脉宽调制信号的工作周期通常是由芯片电流控制回路，最大占空比的工作周期是由一个振荡器。

3.3工作状态

工作状态分为三种：

启动阶段状态、稳定工作状态、自动调节工作状态。

3.3.1启动阶段

启动期间，Vout为低电压。

想要调整管Q2正常运作要使Vout具有足够的电压。

所以设计了比较器在芯片内部，用来检测Vout，当低于2V时，要强制为Vc充电是通过一个二极管来达到的，让开关管工作，输出电容Cout从电感L上获得电压，当Vout的电压升至2V的时候停止获得，这个时候调整关Q2的工作状态为正常。

3.3.2稳定工作

在LED驱动器稳定工作的过程中，一个周期的开始时刻，振荡器输出的低电压和Q的逻辑“0”经过或非门使开关管导通，开关电流通过电感L对输出电容Cout充电，电感电流LI线性上升[12]。

LED上的电流同时流过0.1Ω的采样电阻，采样电阻上的压降与基准电流通过100Ω电阻的压降进行比较，双方的压力差通过通用放大器，放大器的输出电流对电容充放电电容，电压的比较器反相输入端的基准电压，比较器的正输入开关电流采样后得到的电压与和正斜率补偿电压，当电压和过电压时电容器，比较器输出从低层次向高水平的营业额，是引发的输入端子是“1”，使“1”，所以问