多模式白光LED驱动控制器的设计

论文摘要

相对于传统光源,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上的主流。其中大功率白光LED的发展也极其迅速,使得适用于白光LED驱动电路的电源管理芯片的应用也越来越广泛。为满足这种需求,设计具有高性能、通用性的驱动控制器和满足LED特殊驱动要求的芯片已成为LED驱动芯片发展的两个方向。本文在研究LED驱动电路及其控制器的研究现状和发展趋势的基础上,结合实际需求,提出了一个适用于不同拓扑、多工作模式的PWM型LED驱动电路的控制芯片。论文首先针对PWM变换器的拓扑结构和控制模式,提出了LED驱动芯片的系统方案。在此基础上设计的控制芯片可用于Buck、Boost和Buck-Boost等多种不同拓扑。芯片的特点包括:通过设置高精度的带隙电压基准为內部模块提供稳定的基准电压,并可适应宽范围供电电压条件下的应用;适应不同拓扑中LED电流检测方式的差别提出并实现了一种可变结构的混合型运算放大器,解决了应用中的拓扑兼容问题;集成分段线性斜坡补偿电路的振荡器电路改善了峰值电流模式控制系统的稳定性。利用Cadence Spectre对提出的系统和模块均进行了仿真验证,设计达到预期要求。其次,考虑到白光LED的调光要求,完成了升压电路下PWM调光模式的系统设计,在升降压（降压）电路中实现了模拟调光功能。针对越来越高的电路效率要求,论文在已有的系统结构上,提出了一种新颖的无采样电阻模式并设计了相关的控制电路。本文利用1.5μm BCD工艺对提出的LED驱动控制器进行了布局布线和版图设计,并设计了不同工作模式下的测试板。测试结果表明,论文提出的LED控制器较好地实现了不同拓扑结构的白光LED驱动电路的控制,输入电压范围可达3～15V,PWM调光比高达3000:1,达到了预期设计的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 LED概述
• 1.1.1 LED的发展史
• 1.1.2 LED的分类与白光LED
• 1.2 白光LED特性与驱动
• 1.2.1 白光LED的特性
• 1.2.2 白光LED的驱动方案
• 1.2.3 白光LED串并联驱动
• 1.2.4 白光LED亮度调节
• 1.3 研究白光LED驱动的意义
• 1.4 设计目标与内容简介
• 第二章 系统方案
• 2.1 PWM变换器主拓扑
• 2.1.1 降压（BUCK）变换器
• 2.1.2 升压（BOOST）变换器
• 2.1.3 升降压（BUCK-BOOST）变换器
• 2.1.4 其它PWM型LED驱动电路
• 2.2 PWM控制模式
• 2.2.1 电压控制模式
• 2.2.2 电流控制模式
• 2.2.3 其它控制模式
• 2.3 白光LED驱动电路的控制模式
• 2.3.1 恒流LED驱动控制模式
• 2.3.2 设计采用的控制模式方案
• 第三章 系统设计
• 3.1 芯片系统概述
• 3.1.1 芯片的具体性能
• 3.1.2 芯片结构
• 3.2 控制环路设计
• 3.2.1 开关变换器线性模型
• 3.2.2 峰值电流模式的斜坡补偿
• 3.2.3 峰值电流控制模式精确模型
• 3.3 系统应用与仿真
• 3.3.1 电压反馈模式（升压电路）
• 3.3.2 恒流恒压模式（升降压、降压电路）
• 3.3.3 无电阻采样模式
• 3.3.4 调光模式
• 第四章 模块设计
• 4.1 电压基准
• 4.1.1 电路原理图
• 4.1.2 仿真结果
• 4.2 误差放大器
• 4.2.1 电路原理图
• 4.2.2 仿真结果
• 4.3 软启动电路与V/I转换器
• 4.3.1 电路原理图
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 峰值电流比较器
• 4.4.1 电路原理图
• 4.4.2 仿真结果
• 4.5 振荡器与斜坡补偿电路
• 4.5.1 电路原理图
• 4.5.2 仿真结果
• 4.6 无采样电阻模式电路
• 4.6.1 电路原理图
• 4.6.2 仿真结果
• 第五章 测试结果
• 5.1 版图设计
• 5.1.1 布局考虑
• 5.1.2 引脚说明
• 5.2 模块测试
• 5.2.1 基准电路
• 5.2.2 低压差电压调节器
• 5.2.3 误差放大器
• 5.2.4 振荡器
• 5.2.5 比较器
• 5.3 系统测试
• 5.3.1 升压型驱动电路
• 5.3.2 升降压型驱动电路
• 5.3.3 无采样电阻模式
• 5.3.4 数字调光模式
• 5.4 结论
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢