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电子科技大学学士学位论文
摘要
与传统光源相比较，LED具有体积小、效率高、寿命长、污染少等优点，必将成为未来的照明市场的主流。
本文设计了一个可用于PWM电流控制模式的DC-DC升压驱动芯片的低功耗振荡器。
该DC-DC升压驱动芯片集成了大功率开关管、振荡器、PWM比较器、带隙基准电压源、偏置电流产生电路、误差放大器、过压保护电路、欠压保护电路等。
文中阐述了开关电源的基本结构、工作原理及其优缺点和PWM调光方式，对基准电压源、偏置、软启动电路、误差放大器、电流比较器、过压欠压保护比较器、驱动等子模块的进行了功能描述，最后重点分析了振荡器电路的原理、参数设计，利用Cadence软件完成仿真验证。
仿真结果表明，在典型的应用条件下，振荡器的频率为20KHz，功耗在0.5mW以下，占空比在百分之二到百分之九十五连续可调，达到了设计要求。
关键词：
白光LED驱动、电流模式、PWM调光、振荡器
ABSTRACT
Comparedwiththetraditionallightingsource,becauseoftheLEDs’advantagessuchassmallsize,highefficiency,longlife-spanandlesspollution,it’snodoubtthatLEDswillbecomethemainstreamapplicationinlightingmarket.
Thispaperdesignedalow-powerOscillatorthatcouldusedforaDC-DCboostchipwithPWMcurrent-controlmode.TheDC-DCboostdriverICchipintegrateshigh-powerswitchMOS,oscillator,PWMcomparator,hand-gapvoltagereferencesource,biascurrentcircuit,erroramplifier,over-voltageprotectioncircuit,under-voltageprotectioncircuitandsoon.Thispaperfirstdescribedthebasicstructureofswitchingpowersupply,itsprincipleofworking,itsadvantageanddisadvantage,andthePWMdimming.Andthenexplainthefunctionofthesub-modulesuchashand-gapvoltagereferencesource,biascurrentcircuit，soft-startcircuit，erroramplifier,currentcomparator，over/undervoltageprotectioncircuitanddriver.Atlastfocusontheprincipleoftheoscillatorcircuit,itsparameterdesign,andsimulationbyusingCadencesoftware.
Thesimulationresultsshowthatunderthetypicalapplicationconditions,thefrequencyoftheoscillatoris20KHz.Thepowerconsumptionisunder0.5mW.Thedutycycleiscontinuouslyadjustablefrom2percentto95percent.Meetthedesignrequirements.
Keywords:
whiteLEDsdrivers,currentmode,PWMdimming,oscillator
目录
第1章引言1
1.1课题背景及研究意义1
1.2国内外研究态势3
1.3论文结构及主要内容5
第2章开关电源电路原理及PWM调光技术简介6
2.1开关电源的电路拓扑结构6
2.2脉宽调制（PWM）方式7
2.2.1电压模式的PWM调制方式8
2.2.2电流模式的PWM调制方式10
2.3PWM调光技术特点12
2.3.1PWM调光技术原理13
2.3.2PWM调光技术优点15
2.3.3PWM调光技术缺点16
第3章PWM调光集成电路18
3.1PWM调光集成电路系统结构及原理18
3.2主要子模块简介20
3.2.1基准电压源21
3.2.2偏置22
3.2.3软启动电路23
3.2.4误差放大器24
3.2.5电流比较器26
3.2.6过压、欠压保护比较器27
3.2.7驱动电路29
第4章振荡器模块设计及仿真31
4.1振荡器原理简介31
4.2锯齿波发生器设计32
4.3比较器设计37
4.4振荡器设计总结41
第5章总结44
参考文献45
致谢47
外文资料原文48
外文资料译文58
第1章引言
1.1课题背景及研究意义
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，其核心部件是一个PN结，当加上正向电压时，N区的电子就会流向P区，并且在P区内跟原先存在的空穴复合，然后以光子的形式发出能量，是一种将电能转化为光能的固态半导体器件。
而光的波长（光的颜色），是由形成PN结的材料所决定的。
从1962年第一个实用型可见光LED被发明以来，LED发展可以分为红绿光LED，蓝光LED，白光LED三个阶段[1]。
红绿光LED用作光源时，被照物不能体现出物体本身的颜色，因此其应用有一定的限制。
早期传统产品发光效率低，亮度较小，仅适宜在室内环境、家电、仪器仪表、玩具等方面应用。
到1993年，日本科学家中村秀二用镓化合物制作出蓝光LED，这个突破对LED的发展起到决定性作用，基于此蓝光LED的作用，白光LED很快在1997年被发明出来[2]。
随着白光LED的发光效率和使用寿命不断的提高，广泛的被应用于以下场合：
（1）手机、MP4和数码相机等便携式电子产品的小尺寸液晶面板背光，以及电脑等中大尺寸液晶面板背光；
（2）大功率照明灯具，主要指路灯，各个照明厂都涉足该领域，并已量产，但存在成本过高和散热性不好等问题；
（3）汽车车前灯，LED作为车内装饰灯已较广泛应用，但车前灯的发光亮度和透射度仍是这个应用领域的挑战；
（4）景观照明等，已得到较广泛使用，主要得益于白光LED低功耗和长寿命的特点。
白光LED能有如此广泛的应用，正是由于它有许多优点，具体如下：
一、体积小：
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
二、耗电量低：
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗它消耗的电能不超过0.1W，在相同照明效果下比传统光源节能近80%。
三、寿命长：
LED为固体冷光源，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
四、高亮度，低热量:
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
五、多变幻：
LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，形成不同光色的组合，变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像[3]。
没有好的驱动电源，LED照明优势无法体现，LED驱动电源主要是用来控制通过LED的电流，以达到控制LED发光的效果，得益于LED的应用领域不断扩大，LED驱动电源的发展也不断进步，产业规模持续扩大，具有良好的成长性。
由于发光亮度是由电流大小决定的，通过LED的电流越强，LED亮度就越亮，因此，电流的稳定度将直接影响到LED发光的质量，传统控制LED电流的方法是采用供应固定电压的方式，并以电阻的方式调整通过LED的电流强度，这是成本最低的解决方案，但这种方法的固有缺点是，电阻不但会增加系统功耗，无法达到节能的目的，也会增加热能，降低LED的使用寿命，同时，当电源供应来源的电压产生波动时，电路本身无法及时调整通过LED的电流量，因而可能使LED产生发光不稳定的现象。
由于控制LED电流的要求不断提升，LED驱动电源的需求亦应运而生，预计在LED背光源应用大幅成长以及大型LED分辨率持续提高的市场背景下，采用可提供精确电流的LED驱动电源将成为市场的主流。
LED驱动领域技术所面临的挑战主要包括以下几个：
可调光技术、省电效能、功率因子、价格等[4]。
目前主要应用的调光方式有以下几种：
一、模拟调光：
由于每个LED亮度在一定范围内和电流成正比关系，LED的模拟调光是通过不断调整LED的电流大小来达到调光目的，可以通过调整电流检测电阻PSNS，或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成。
二、PWM调光：
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），利用人眼视觉的残留效应，当高电平时LED导通，低电平时LED关闭，通过控制方波信号的占空比，达到控制LED开启和关闭的时间，达到调光目的。
三、可控硅调光：
可控硅是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，用作无触点开关的快速接通或切断，由于可控硅只有导通和截止两种状态，利用其开关特性进行调光。
四、三基色调光：
基于三基色原理，利用红、绿、蓝三基色LED混合合成白光，通过调整整流器，来改变LED颜色和亮度，达到调光调色的目的。
影响LED可靠性的关键因素是温度，无论是LED驱动电源还是LED芯片，温度越高，寿命和可靠性都会急剧下降。
其中LED调光技术在LED照明的成功应用不但将进一步降低系统功耗，达到节能效果而且采用调光技术降低输出功率，将显著改善LED工作环境，提高其可靠性。
目前调光技术正朝着低功耗、自动化、智能化、高集成度化方向不断发展。
本课题正是着眼于市场的研究热点，设计一个用于PWM调光集成电路的低功耗振荡器，适用于各种便携式电子产品中。
1.2国内外研究态势
LED已经发展成为最有前景的光源。
然而，设计人员在大功率的住宅和商业LED照明应用方面面临着一些障碍。
由于调光器兼容性的原因，在普通TRIAC调光器结构中实现LED调光能力会有相当的困难。
此外，小空间尺寸仍然是一项有待解决的挑战。
为帮助设计人员解决这些问题，飞兆半导体公司开发出带有功率因数校正（PFC）、TRIAC和模拟调光能力的FL7730单级初级端调节（PSR）控制器。
可在从0%至100%光输出的整个范围内实现无闪烁的TRIAC调光控制。
FL7730调光电压形成内部CS补偿以降低调整输出电流，调光能兼容市场80%以上调光器产品。
其电路结构如下图所示：
图1-1TRIAC调光应用线路板示意图（FL7730）
同样，在LED照明市场的调光方面，Marvel最新推出的高度集成的88EM8183LED驱动器IC采用了独特的混合信号架构和先进的调光控制技术，提供高品质光输出且调光性能可与白炽灯媲美。
可平滑地实现低至1%LED电流的深度调光，以这种幅度调光，人眼感觉不到光强有很大的变化，因此88EM8183显著提高了性能。
针对LED照明应用，通嘉公司推出一款LD7820驱动器，采用PWM调光，提供固定电流控制机制，特别适用于E27/E17此类精巧的球泡灯，电路精简及隔离式架构，能协助设计者开发出符合安全规范的产品，电流精确度达±5%，为同类产品中的佼佼者。
其驱动电路如下图所示：
图1-2采用PWM调光技术的LE7820驱动
目前国内在调光领域，有几种比较先进的调光方式：
（1）红外线（无线电）遥控器调光：
采用这两种遥控器，可以实现对开关灯和用PWM连续调光等功能，但都因生产成本较都高，只能用于高档住宅区。
（2）硅控调光：
采用可控硅就是对交流电的正弦波加以切割而达到改变其有效值的目的。
可控硅破坏了正弦波的波形，从而降低了功率因素值，通常PF低于0.5，而且导通角越小时功率因素越差；同样，非正弦的波形加大了谐波系数，且会产生严重的干扰信号（EMI）。
（3）触控调光：
这种方式的优点是可以利用普通的墙上开关实现调光。
而且其功率因素高达0.92以上。
没有产生干扰信号之虑。
缺点是无法连续调光。
相比于国外，国内对LED调光的研究起步较晚，和国际先进技术相比仍存在一定差距，随着近些年LED市场的迅速发展，对LED的研究也不断深入，取得了不少进步，可以预想随着技术的发展，LED将完全替代市场上其他主要光源，人类的未来将更加光明[5]。
1.3论文结构及主要内容
本文主要研究一个可用于PWM调光集成电路的低功耗振荡器设计，通过学习PWM调光集成电路和振荡器的知识，利用Cadence仿真软件完成对用于PWM调光集成电路的低功耗振荡器的设计和仿真。
第一章为引言部分，并对本文的章节进行安排。
第二章介绍开关电源原理及PWM调光技术特点。
第三章介绍PWM调光集成电路的原理及结构，对其子模块进行简要说明。
第四章介绍用于PWM调光集成电路的振荡器结构、原理及仿真结果。
第五章总结该振荡器电路的设计工作。
第2章开关电源电路原理及PWM调光技术简介
2.1开关电源的电路拓扑结构
开关电源的电路结构有多种，分类方法也很多，按照不同的分类方法可以分为如下几种[6]：
1、按转换类型分：
DC-DC和AC-DC。
2、按驱动方式分：
自激式和他激式。
3、按DC-DC变换器的工作方式分：
隔离型有通/通方式、通/断方式。
中心抽头方式、半桥方式和全桥方式、谐振方式；
非隔离型有降压型（Buck）、升压型（Boost）、极性反转型（Buck-Boost）、开关电容及谐振型。
4、按控制方式分：
脉冲宽度控制方式（PWM）与脉冲频率控制方式（PFM）。
5、按过流保护方式分：
输出电流检测方式和开关电流检测方式。
下面介绍一下升压型（Boost）和降压型（Buck）开关电源的拓扑结构。
（1）升压型：
Boost型开关电源将输入电压Vin变换成Vin=V0的稳定输出电压V0，所以又称升压型开关电源。
下图2-1是Boost变换器的拓扑图：
Vin为输入电源。
Mn是主开关管，因其源端接地，适宜选用高电平导通的NMOS管。
二极管是辅助开关管，使用具有较低正向电压的肖特基二极管。
Vn是Mn的控制信号，由控制电路提供，RL表示负载电阻。
图2-1Boost变换器的拓扑
在一个开关周期中，首先，在控制器电路的作用下，Mn导通，X点低电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经电感L，开关管Mn到地，电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并储存在电感中：
第二阶段，控制电路时Mn截止，切断地和电感元件的连接，于是电感产生的电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使X点电位升高到比V0还高一个二极管正向导通压降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电感流向电容和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。
经电感L，电容C滤波，在负载RL上可以得到脉动很小的直流电压。
（2）降压型：
Buck开关电源将输入电压Vin变换成0=V0=Vin的稳定输出电压V0，所以又称降压开关电源,图2-2是Boost变换器的拓扑图。
图2-2Buck变换器拓扑
在一个开关周期中，首先，在控制电路的作用下，Mp导通，X点高电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经Mp，电感L到电容C和负载。
电感电流持续上升，电感储能增加，能量由电池传送到电感并储存在电感中；第二阶段，控制电路使Mp截止，切断电池和电感原件的连接，于是电感产生了电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使X点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通压降，二极管D导通，为电感电流提供通路，电流由电感L流向电容C和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。
经电感L电容C滤波，在负载RL上可以得到脉动很小的直流电压。
2.2脉宽调制（PWM）方式
LED开关电源的调制方式主要有两种：
脉冲宽度调制方式（PWM）和脉冲频率调制方式（PFM）。
它们具有某些共同之处[7][8]：
（1）均采用时间比率控制（TRC）的稳压原理。
无论是改变开关导通时间还是开关周期（Ts），最终调节的都是脉冲占空比。
因此，尽管它们采用的方式不同，但是控制目标一致。
（2）当负载由轻变重，或者输入电压由高变低时，分别通过增加脉宽、提高频率的方法，使输出电压保持稳定。
PWM调制方式以其电路简单、控制方便从而在开关电源中获得了极为广泛的应用，本文将主要介绍PWM调制方式。
脉冲宽度调制方式的特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。
因开关周期是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。
其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；另外输出端一般要接预负载，以防止空载时输出电压升高。
按反馈回路和稳压特性，PWM调制方式又有两种方法：
电压控制模式和电流控制模式。
在电压控制模式中，变化器的占空比正比于时间输出电压与理想输出电压直接的误差差值；在电流控制模式中，占空比正比于额定输出电压与变化器电流函数之间的误差差值。
2.2.1电压模式的PWM调制方式
电压控制模式PWM是60年代后期开关稳压电压刚刚开始发展而采用的第一种控制方式。
该方法与一些必要的过流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好的被广泛利用。
电压模式的PWM调制方式电路如图2-3所示，由调制级、攻率级、反馈、误差放大器和补偿网络组成。
调制级包括一个PWM比较器。
电源输出电压Vout与参考电压比较放大，得到误差信号，该误差电压又与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较，于是PWM比较器就输出占空比变化的矩形波驱动信号，这就是电压控制模式工作原理。
调制器增益是斜坡幅度的函数，功率级由NMOS输出开关、整流二极管和LC网络组成。
功率级的增益是Vin的函数。
图2-3电压模式PWM示意图
电压控制模式的优点有：
（1）PWM三角波动值较大，脉冲宽度调节时具有好的抗噪声裕量；
（2）占空比调节不受限制；
（3）对于多路输出电源，他们之间相互调节效应更好；
（4）单一反馈电压闭环设计，调试比较容易；
（5）对输出负载的变化有较好的响应调节。
电压输出模式的缺点有：
（1）对输入电压的变化动态响应比较慢；
（2）补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；
（3）输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。
改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有两种：
一是增加电压误差放大器的带宽，保证具有一定的高频增益。
但是这样容易受到高频开关噪声干扰影响，需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理：
另一方法是采用电压前馈模式控制PWM技术。
用输入电压对电阻电容充电产生的具有可变化上升斜率的三角波取代传统电压模式控制PWM中振荡器产生的固定三角波。
此时输入电压变化能立刻在脉冲的变化时反映出来，因此该方法对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。
对输入电压的前馈是开环控制。
而对输出电压的控制是闭环控制目的是增加对输入电压变化的动态响应速度。
这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统[9][10]。
2.2.2电流模式的PWM调制方式
电流模式控制又称峰值电流模式控制。
它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。
在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。
直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。
近年来，由于大占空比时所需要的同步不失真谐斜补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临改善性能后的电压模式控制的挑战。
图2-4示出了一个典型的电流模式PWM控制电路。
所谓的电流控制模式，就是在PWM比较器的输入断直接用感应到的电感电流与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲占空比，使输出的电感峰值电流随着误差电压变化。
误差电压信号送至PWM比较器后，并不是像电压模式那样与振荡器电路产生的固定三角波电压斜波比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或者梯形尖角状合成波形信号比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。
因此电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接控制PWM脉冲宽度[11]。
图2-4电流模式PWM示意图
电流控制模式是一种固定时钟开启、峰值电流电流关断的控制方法。
因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。
但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电流可以对应不同的平均电感电流大小。
而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。
在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的下斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电流的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。
因而合成波信号要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成。
当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。
因为若将斜波补偿信号完全用振荡电流的三角波代替，就会成为电压模式控制，不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号，当输出电流减小时，峰值电流控制模式就从原理上趋向于变为电压控制模式。
当处于空载状态时，输出电流为零并且斜波补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制实际上变为电压模式控制了。
峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。
电流内环是快速按照逐个脉冲工作的。
功率级是由电流内环控制电流源，而电压外环控制此功率级电流源，在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。
由于这些，峰值电流控制模式的带宽要比电压模式控制大得多[12][13]。
电流控制模式的优点有：
（1）暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；
（2）控制环易于设计；
（3）输出电压的调整可以与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美；
（4）简单自动的磁通平衡功能；
（5）瞬时峰值电流限流功能；
（6）自动均流的并联功能。
电流控制模式的缺点：
（1）占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流和平均电流的误差；
（2）闭环响应不如平均电流模式控制理想；
（3）容易发生谐波振荡；
（4）对噪声敏感，抗噪声性能差；
（5）电流拓扑受限制；
（6）对多路输出电源的交互调节性能不好。
和电压控制模式相比，电流控制模式具有以下特点[14][15]：
（1）动态响应快，调节性能好；
（2）易于实现限流和过流保护；
（3）输出电压与输入电压无关，系统源效应好；
（4）回路稳定性好，负载响应快；
（5）多套系统并联运行时，均流效果好。
由上述分析可见，电流模式控制优于电压控制模式，但电流模式并非唯一选择，随着电力电子技术和集成电路技术的发展，电压控制模式的主要缺点可以通过高性能的集成控制器得以克服。
总的来说，脉宽调制（PWM）保持开关频率恒定，而充放电时间的比率直接随着负载不同而变化。
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