LED 照明用恒流電源變換器設(shè)計(jì)_畢業(yè)論文

1、 閩南理工學(xué)院MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)LED照明用恒流電源變換器設(shè)計(jì)系 別： 電子與電氣工程系 專 業(yè)：電子信息工程(電子工程方向) 班 級： 0820311 學(xué) 號： 082031121 學(xué)生姓名： 蔡曉榮 指導(dǎo)教師： 王 健 職稱： 教 授 2021年 5月 30日教務(wù)處制MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYGraduation Thesis(Project) of the College UndergraduateLED Lighting With Constan

2、t Current Source Converter DesignDepartment: Electronic and electrical engineeringMajor: Electronic and information engineering Grade: 0820311Students Name: Cai xiaorongStudent No.: 082031121Tutor: Wang jianMAY 30 教務(wù)處制畢業(yè)設(shè)計(jì)原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)不包含任何其他個(gè)人

3、或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，對本設(shè)計(jì)的研究做出重要奉獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明，并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承當(dāng)。作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)版權(quán)使用授權(quán)書本設(shè)計(jì)作者完全了解學(xué)院有關(guān)保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)定，同意學(xué)院保存并向國家有關(guān)部門或資料庫送交畢業(yè)設(shè)計(jì)的紙質(zhì)版和電子版，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)入學(xué)院圖書館被查閱和借閱，本人授權(quán)閩南理工學(xué)院可以將我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的全部或者局部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或者掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)設(shè)計(jì)。 保密 在 年解密后適用本授權(quán)書；本設(shè)計(jì)屬于： 不保密。請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)的方框內(nèi)打“作者簽名： 日期

4、： 年 月 日指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)辯論小組成員名單姓 名職 稱單 位備 注組長LED照明用恒流電源變換器設(shè)計(jì)摘 要與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的照明技術(shù)已經(jīng)延續(xù)了一百多年的開展，近年來LED (light-emitting diode) 是一個(gè)相對較新的電光源，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，開關(guān)電源技術(shù)具有效率高，因此本文基于開關(guān)電

5、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-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)，首先闡述了開關(guān)電源的降壓拓?fù)涞母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

6、明。關(guān)鍵字：LED; 開關(guān)電源; 恒流電源; 變換器LED lighting with constant current source converter designAbstract Closely linked with the people daily life lighting technology has continued for more than 100 years of development, in recent years LED ( light-emitting diode ) is a relatively new electric light source, whi

7、ch 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, and in the field of the high-power illumination application time is short, the market still has great potential, acco

8、rding to automotive lighting as the application background, research in the field of the high-power illumination drive solutions. The LED brightness is mainly affected by current effect, so the best driving mode should be constant current source driver. And other driving mode, the switching power su

9、pply technology with high efficiency, therefore this paper based on the switching power supply technology provides a LED driving circuit. The design of the driving structure is a kind of HF Buck DC DC converter, specifically for use as a constant current source design, internal reference current sou

10、rce and the sampling circuit monitors the current output, very suitable for high current drive. High frequency to allow for the use of small external components, a current mode pulse width modulation provides fast transient response and cycle-by-cycle current limiting, specially designed light regul

11、ating circuit can achieve a wide dimming range. The specific design, the first switching power supply is introduced. The basic principle of the buck topology, a detailed analysis of various modulation and control mode; then using high power LED lighting applications, proposed using PWM current contr

12、ol mode drive circuit, and the working process is analyzed; then introduces the main circuit module performance requirements and design ideas by means of simulation; finally the overall design function verification, and the frequency selection, input voltage range and dimming control gives the appli

13、cation description.Key Words: LED ; Switching Power ; Constant Current; Converter目 錄1 緒論···································&#

14、183;·························11.1 照明領(lǐng)域的開展歷史······················

15、······················1 LED 照明的原理及其優(yōu)點(diǎn)·························

16、83;·············11.3 LED 電氣特性和驅(qū)動(dòng)方案·································

17、83;·····21.4 LED 的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景·········································32 開

18、關(guān)電源原理·················································&

19、#183;····52.1 降壓型開關(guān)電源變換器(Buck) ···································52.2 開關(guān)調(diào)制方式····

20、3;·············································72.2.1 脈寬調(diào)制PWM：Pulse Width M

21、odulation···················82.3 控制方式····························

22、··························82.3.1 電壓控制模式······················

23、;·······················82.3.2 電流控制模式························

24、3;····················93 LED 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)···························&#

25、183;·················113.1 LED 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及簡述·····························

26、········113.2 PWM 發(fā)生器的控制邏輯·······································

27、·133.3 工作狀態(tài)描述···············································

28、··143.3.1 啟動(dòng)階段狀態(tài)············································143.3.2 穩(wěn)定

29、工作狀態(tài)············································143.3.3 自動(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)··

30、3;·····································154 子模塊的分析與設(shè)計(jì)··········

31、83;····································164.1 RC 振蕩器···········

32、83;·······································164.1.1 典型的 RC 振蕩電路·······&#

33、183;·····························164.1.2 高精度 RC 振蕩電路·················&

34、#183;···················174.2 基準(zhǔn)電壓源····························&#

35、183;······················184.2.1 帶隙基準(zhǔn)的原理·························

36、;·················184.2.2 啟動(dòng)電路·······························

37、;·················204.3 放大器·······························&#

38、183;·······················224.3.1 運(yùn)算放大器························&

39、#183;·····················224.3.2 緩沖放大器··························

40、····················244.3.3 GM 誤差放大器···························&#

41、183;··············254.4 比較器··································

42、;·····················284.4.1 普通比較器··························

43、3;···················284.4.2 遲滯比較器····························

44、83;·················294.5 保護(hù)電路·······························

45、;······················304.5.1 過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)·························

46、;···········304.5.2 溫度保護(hù)電路的設(shè)計(jì)····································

47、··314.5.3 欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)······································325 芯片整體仿真及其應(yīng)用方式舉例····&

48、#183;································335.1 芯片整體仿真···············&

49、#183;·································335.2 應(yīng)用方式舉例··············&

50、#183;··································365.2.1 開關(guān)頻率的選擇············

51、3;·····························365.2.2 輸入電壓范圍估算··················

52、······················375.2.3 調(diào)光控制··························

53、······················386 總結(jié)···························

54、··································42參考文獻(xiàn)···············

55、············································43致謝·····&#

56、183;·················································&#

57、183;·······44第1章 緒論1.1 照明領(lǐng)域的開展歷史電光源的創(chuàng)造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。電氣照明史在三個(gè)重要的開展階段白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈上花費(fèi)了100多年的光陰。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，本錢低，色澤好，顏色溫度低，給人一種舒服的感覺，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。氣體放電燈的原理是利用電極之間的氣體，電子的激發(fā)

58、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，主要來源是室內(nèi)照明的白熾燈，具有無可比較的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光效率高，壽命長，色澤好，顏色溫度范圍，不影響視覺。熒光燈為主的商業(yè)和工業(yè)照明。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)光原理根本相同，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)用于大型場館的照明和汽車照明等領(lǐng)域。1.2 LED照明的原理及其優(yōu)點(diǎn) LEDLED是近年來開

59、展的一個(gè)新的電光源材料，其根本結(jié)構(gòu)是一個(gè)LED，該-芳香化合物，如GaAs砷化鎵、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)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子少子一局部與多數(shù)載流子多子復(fù)合而發(fā)光。相對于白熾燈，熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈，LED 有著非常顯著的優(yōu)勢。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)化成可見光，獲得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

60、色性好，沒有過濾，直接光。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%。三、使用壽命長。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1每天00000小時(shí)，即使連續(xù)使用能力，也能夠工作20幾年。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。五、平安度高。發(fā)光穩(wěn)定，可準(zhǔn)確控制的強(qiáng)光燈，小，熱量低，因?yàn)?/p>

61、它是冷平安觸摸。六、符合環(huán)保的趨勢。發(fā)光材料是半導(dǎo)體，不含汞和其他有害元素。白光LED的光譜中沒有紫外線輻射，被譽(yù)為“綠色照明。1.3 LED 電氣特性和驅(qū)動(dòng)方案LED可以使用直流電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，這里我們以美國流明公司飛利浦產(chǎn)品麗訊三系列白色LED為例來研究直流特性。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，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，

62、標(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)量變化與正向電流幾乎呈線性。圖1-1 25白光LED平均正向電流與正向壓降的關(guān)系曲線圖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1.4 LED 的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景小功率LED的應(yīng)用開展很快，移動(dòng) ，掌上電腦，和一系列的消費(fèi)電子產(chǎn)品變得越來越受歡送，作為用戶的時(shí)尚和個(gè)性需求，各種背光榮色發(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)成為市場的主流。在顯示技術(shù)，市場上有2種根本液晶顯示技術(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，并顯示過濾器的光譜選擇所需的顏色。白光 LED功耗低，壽命長，是目前照明用最好

63、的選擇方案。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，汽車燈，交通信號顯示，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。本申請時(shí)間短，市場仍有很大潛力，一個(gè)最有前途的，現(xiàn)有的汽車取代白熾燈的LED燈。現(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，從開展的角度來看，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，壽命長比汽車本身，使用壽命長，可以有效節(jié)省維修費(fèi)用，甚至從修理。電池電壓是12v，

64、汽車消費(fèi)越來越大，未來的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行，那么未來開展電源供給汽車驅(qū)動(dòng)將是主流產(chǎn)品的需求。第2章 開關(guān)電源本章將要介紹的是開關(guān)電源 DCDC 變換器 Buck 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流控制模式符合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題進(jìn)行了分析。2.1 開關(guān)電源變換器(Buck)開關(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調(diào)節(jié)占空比來控制。如圖 2.1 所示開關(guān)電源降壓Buck 變換器的原理圖。開關(guān) Q1與輸入電壓Vdc相連。周期 T 內(nèi)，Q1的導(dǎo)通時(shí)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

65、的電壓為零)。Q1 關(guān)斷時(shí)V1點(diǎn)的電壓下降到0V，那么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，那么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 的無尖鋒無紋波的直流電壓。圖2-1 開關(guān)電源Buck拓?fù)涞脑韴D損耗低，效率高是Buck 電路最大的優(yōu)點(diǎn)，接下來介紹一下整個(gè)電路波形變化及工作過程，設(shè)Vo為輸出電壓。圖2-2 Buck變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點(diǎn)波形當(dāng)周期開始時(shí)，電感L的起始電流是I1 ，Q1 由二極管反偏截止，控制信號驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)通，加在

66、L 上的電壓是Vdc-Vo，因?yàn)殡妷汉愣ㄌ幵陔姼袃啥耍噪娏骶€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 兩端的電壓差過大而損壞開關(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 上的電流增長并取代了二極管的 D1 正向電流，D1 再次反

67、偏，V1 恢復(fù)到Vdc ，電感的電流變化過程重復(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 )。電流在下降時(shí)沒有下降為 0，也就是I1 >0，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。圖2-3 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖2.2 開關(guān)調(diào)制方式 在調(diào)制方式上開關(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 2.2.1 脈寬調(diào)制PWM：Pulse Width Modulation開關(guān)頻率保持不變

68、的是脈寬調(diào)制，占空比是通過調(diào)整開啟脈沖寬度來改變的，從而實(shí)現(xiàn)能源的負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制，稱為“定頻調(diào)寬。PWM脈寬調(diào)制開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器是最常用的方法，通過反響端的反響信號和參考信號的差異，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來控制開關(guān)管，可以根據(jù)負(fù)載調(diào)速開關(guān)管開啟時(shí)間，從而使輸出電壓穩(wěn)定。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。2.3 控制方式開關(guān)電源 DCDC 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。 2.3.1 電

69、壓控制模式將一個(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。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檢測出來的電壓V。輸入誤差放大器EA中與參考電壓Vref比較獲得。圖2-5 PWM電壓模式控制原理圖 2.3.2 電流控制模式針對電壓控制方式的缺點(diǎn)，近年來開發(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根底上開展起來的電流控制模式，通常稱為峰值電流控制模式。電流

70、控制模式是在電壓控制模式的根底上，增加，電流負(fù)反響環(huán)節(jié)，電感電流不再是一個(gè)獨(dú)立的變量，使開關(guān)電源變換成一階無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有一個(gè)桿和一個(gè)90度的相位滯后，從而容易沒有限制大開放的增加和改善小信號，信號特征。根據(jù)最優(yōu)控制理論，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反響控制系統(tǒng)，可以實(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響信號的雙閉環(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

71、每個(gè)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號控制開關(guān)開啟，電流在開關(guān)和電感上增加，當(dāng)電流增加與比vilella，觸發(fā)端高電位，關(guān)閉開關(guān)。如果Vdc 增大，那么 Vs 上升速度會(huì)因?yàn)殚_關(guān)導(dǎo)通加快，Vs 超過Vea 所用的時(shí)間縮短，那么Ton 變短；假設(shè)Vdc 減小，那么 Vs 超過Vea 讓 PWM 需要更長的時(shí)間來控制信號。所以不管輸入電壓Vdc 如何波動(dòng)，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間Ton都能通過電流控制改變 ，使得輸出電壓穩(wěn)定為Vo=Vref(1+R1/R2)。圖2-6 PWM峰值電流型控制原理圖從圖 2-6 上可以看到，電流控制是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由輸出電壓反響電路是由電壓外環(huán)控制，電流環(huán)，內(nèi)環(huán)電流在每個(gè)開關(guān)周期的增加

72、，直至到達(dá)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。第3章 LED 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)在第一章中有詳細(xì)的說明設(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)需要考慮的各種根本模式，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，

73、所以需要驅(qū)動(dòng)的降壓拓?fù)?。采用脈寬調(diào)制控制由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。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，根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)光量根本與正向平均電流成線性關(guān)系，當(dāng)流過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亮度根本上是通過控制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低于一個(gè)閾值，電流小，無光。當(dāng)電壓超過一定的閾值，電流與電壓迅速增加，使LED的發(fā)光。通過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)，

74、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)。3.1 LED 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及簡述經(jīng)過之前的理論分析，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：圖3-1 LED驅(qū)動(dòng)芯片總結(jié)構(gòu)圖Vin ： Vin 引腳連接外部電源，起到對 LED 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的控制電路和開關(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)電路工作啟動(dòng)在該引腳的電壓升為2.5V 時(shí)。不使用的話那么讓引腳連到Vin。

75、TR ：TR 是用來控制內(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 來設(shè)置Vadj 的電壓：11.25ADJLEDVI AV= × 3-1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LE

76、D：LED 引腳，利用電流檢測電阻器的輸出。OUT：OUT連接到輸出電容器和電感器，利用電流檢測電阻的輸入。SW：SW 引腳接到續(xù)流二極管和電感器上，是內(nèi)部電源開關(guān)的輸出。LED驅(qū)動(dòng)芯片在每個(gè)周期，反響回路控制開關(guān)的峰值電流，并沒有直接供電的開關(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)周期開始時(shí)，振蕩器產(chǎn)生的低電壓是用來連接內(nèi)部開關(guān)。開關(guān)和外部電感電流的我開始增加，當(dāng)電流超過某一水平所決定的簡歷引腳電壓，電壓比較器將RS觸發(fā)器輸出，從而切斷開關(guān)。外部電感電流通過外部二極管，并開始下降。當(dāng)收到一個(gè)低脈沖，周期重新開始。所以，簡歷引腳電容的電

77、壓控制通過電感電流和輸出電流。內(nèi)部錯(cuò)誤放大器通過不斷調(diào)整簡歷引腳電壓調(diào)節(jié)輸出電流。電壓的Vadj電阻獲得和Vadj成比例的電流，電流流過100歐姆的電阻。通用放大器是負(fù)責(zé)維護(hù)的簡歷引腳電壓，建立通過電阻上的電壓降和電壓下降到百相等，循環(huán)是在平衡的狀態(tài)。3.2 PWM 發(fā)生器的控制邏輯圖3-2 PWM邏輯控制信號發(fā)生器開關(guān)電源的對輸出的調(diào)整是通過控制開關(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)制信號的核心局部，控制邏輯直接決定了對開關(guān)管的 PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法。本芯片產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號的邏輯電路局部如圖 3-2 所示。開關(guān)管控制邏輯主要有三個(gè)特點(diǎn)：一、開關(guān)是由振蕩器的輸出邏輯“0

78、觸發(fā)；二、關(guān)閉由比較器輸出邏輯“1觸發(fā)；三、如果振蕩器的邏輯“1之前，該比較器輸出邏輯“1，然后開關(guān)，和輸出的比較邏輯狀態(tài)。因此，如果振蕩器的頻率，開關(guān)的脈寬調(diào)制信號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。3.3 工作狀態(tài)工作狀態(tài)分為三種：啟動(dòng)階段狀態(tài)、穩(wěn)定工作狀態(tài)、自動(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。 3.3.1 啟動(dòng)階段啟動(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，用來檢測Vout ，當(dāng)?shù)陀?2V 時(shí)，要強(qiáng)制為Vc 充電是通過一個(gè)二極管來到達(dá)的，讓開關(guān)管工作，輸出電容Cout從電感 L 上獲得電壓，當(dāng)Vou

79、t 的電壓升至 2V 的時(shí)候停止獲得，這個(gè)時(shí)候調(diào)整關(guān)Q2的工作狀態(tài)為正常。 3.3.2 穩(wěn)定工作在 LED 驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定工作的過程中，一個(gè)周期的開始時(shí)刻，振蕩器輸出的低電壓和Q的邏輯“0經(jīng)過或非門使開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)電流通過電感L對輸出電容Cout充電，電感電流LI 線性上升12。LED 上的電流同時(shí)流過 0.1 的采樣電阻，采樣電阻上的壓降與基準(zhǔn)電流通過 100電阻的壓降進(jìn)行比較，雙方的壓力差通過通用放大器，放大器的輸出電流對電容充放電電容，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)電壓和過電壓時(shí)電容器，比較器輸出從低層次向高水平的營業(yè)額，是引

80、發(fā)的輸入端子是“1，使“1，所以問邏輯開關(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電阻和100ohm電阻的壓降等于電壓保持恒定12。 3.3.3 自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)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)，那么系統(tǒng)穩(wěn)定平衡狀態(tài)的打破，但因?yàn)橐粋€(gè)負(fù)反響回路，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整到達(dá)新的平衡。目前的參考源變小為例，介紹了調(diào)整過程。當(dāng)電流基準(zhǔn)減小，即流經(jīng) 100還繼續(xù)維持原來的壓降，導(dǎo)致GM 放大器從 C 上抽走電流，電容 C 上的電壓下降，那么比較器的翻轉(zhuǎn)電平值降低，電源對開關(guān)提供的電流減

81、小，這樣電感 L 對輸出電容Cout 的平均充電電流也就減少了，最終使輸出電容Cout對 LED 提供的電流減小到基準(zhǔn)電流值，0.1 電阻和 100 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。第4章 子模塊的分析與設(shè)計(jì)4.1 RC 振蕩器 4.1.1 典型的 RC 振蕩電路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，振動(dòng)頻率高，但其穩(wěn)定性不好；和振蕩器具有本錢低，沒有電感，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

82、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)用在低本錢，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，但其本錢優(yōu)勢是非常明顯的。大多數(shù)的振蕩器使用電阻和電容的振蕩周期確實(shí)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。高頻開關(guān)模塊的原理圖如圖7所示。圖，是一個(gè)關(guān)鍵局部開關(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。 圖4-1 傳統(tǒng)的RC振蕩器典型的非對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

83、.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)椋赞D(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，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

84、于過程中的變化。 4.1.2 高精度 RC 振蕩電路鑒于振蕩器的關(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，電容器恒流充電或放電就是通過比較器輸出控制，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，通過電阻，具體原那么在4.2節(jié)說明。圖4-2 改良后的RC振蕩器原理圖4.2 基準(zhǔn)電壓源參考電壓源系統(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，電源電壓和參考過程工藝參數(shù)。目前較常用的參考

85、源技術(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)。 4.2.1 帶隙基準(zhǔn)的原理 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，對于隨溫度變化向相反方向變化的V1 和V2 來說，我們選取1和 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 = 1 V1+ 2V2。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 局部由與電源無關(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。假設(shè) M1和 M2 是相

86、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關(guān)。因?yàn)?M3M4 柵源偏置電壓相同，所以M3M4 的電流大小相等，要使 M1M2 的電流相等，那么 M1M2 的柵源偏置電壓要相等12。因?yàn)?M1M2 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^ PNP 管的電流密度之比由橫截面機(jī)之比n決定12。所以：因?yàn)?M5 和 M4 是相同的 PMOS 管，那么：那么輸出的基準(zhǔn)電壓為： (4-5)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 /°

87、C，為了設(shè)計(jì)出零溫度系數(shù)12。選擇：圖4-3 典型的帶隙基準(zhǔn)源在設(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)致無限期關(guān)閉，無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)定在不同的國家，因此我們需要擺脫零偏置電流的穩(wěn)定狀態(tài)。解決問題的根本思路是防止起始基準(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。圖4-5 折疊式運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu) 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 和 M13 隨后導(dǎo)通，M13 導(dǎo)通使得 M5M8 導(dǎo)通，M6 和 M8 導(dǎo)通使得 M1M4 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)反響作用顯著，那么Vs15丨V