太阳能LED照明管理控制芯片的研究与设计

论文摘要

太阳能光伏发电的能源来源于取之不尽,用之不竭的太阳能。太阳能发电不会给空气带来污染,不破坏生态,同时又具有在自然界不断生成,并得到有规律的补充的特点,是可再生的清洁绿色能源,也不会导致"温室效应"和全球性气候变化,因而充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处[1]。LED太阳能光伏照明,是其中一个重要的应用领域。而大功率LED用于一般照明是本世纪的新课题,其节能、安全、长寿命的综合优势将引发下一轮照明产业的革命。本文主要研究光伏发电系统管理控制芯片的设计问题。针对太阳能光伏发电系统的特点,和当前应用中,对它的管理大多都是用控制器以及一些分立的芯片组成组成的管理控制系统。为了节省成本,减少系统的复杂性,本文将系统的控制管理以及驱动控制集成在单一芯片内,从而实现对外部负载的控制和驱动和实现设计优化的目的。根据光伏发电系统的工作方式,此设计包括充放电管理与保护和LED的驱动控制。对于太阳能光伏发电系统的设计来说,重点在于充放电控制电路。充放电控制器必须具备以下几个特点:1.蓄电池正常充电; 2、防反充电控制;3、防过充电控制;4、防过放电控制;5、温度补偿等。只有具有以上功能的控制器,才能保障光伏发电系统运行正常。大功率LED要用于一般照明必须解决电源变换的问题。高电压驱动LED要解决降压问题,由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电,可能会用到比较大的功率,也应该有尽量低的成本。而变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。本文分析了光伏发电系统的工作原理和充放电管理控制特点以及PWM控制模式的驱动电路结构,分块设计了芯片内部各主要功能模块,包括基准电路、振荡器电路、睡眠控制电路,恒流恒压控制电路,负载短路检测电路,软启动电路,欠压检测电路等。给出了所有的晶体管级电路图,各功能块都经过了Cadence的Spectre仿真软件的模拟,结果也一并给出。本课题采用上华的CSMC 0.6μm的CMOS高压工艺,通过仿真表明,电路正常工作,充电器的各项指标均在定义的电气指标范围之内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 充电知识介绍
• 1.2.1 充电方式简介
• 1.2.2 常规充电法
• 1.2.3 快速充电技术
• 1.3 蓄电池保护知识介绍
• 1.3.1 电流和温度对蓄电池充放电特性的影响
• 1.3.2 蓄电池充放电保护技术分析
• 1.3.3 蓄电池充放电保护的温度补偿
• 1.4 白光LED 特性简介
• 1.4.1 白光LED 作为照明光源的特点
• 1.4.2 LED 的其它主要特性
• 1.4.3 白光LED 的电学模型
• 1.5 白光LED 驱动技术
• 1.6 脉宽调制型 LED 驱动方式的分析
• 1.6.1 LED 在脉冲电流驱动下的工作特性
• 1.6.2 脉宽调制（PWM）的LED 驱动方式
• 1.7 后续章节安排
• 2 芯片整体设计
• 2.1 设计要求
• 2.2 顶层结构的搭建
• 2.3 充电模块
• 2.4 蓄电池充放电保护模块
• 2.5 LED 驱动模块
• 2.6 芯片的应用
• 3 芯片模块电路的设计
• 3.1 睡眠控制模块
• 3.2 运算放大器
• 3.3 误差比较器
• 3.4 基准电路
• 3.4.1 带隙基准电路的设计指标
• 3.4.2 带隙电路结构的选择和基本参数的确定
• 3.5 欠压模块
• 3.6 恒流恒压控制模块
• reg 模块'>3.6.1 Current_reg 模块
• reg 模块分析'>3.6.2 Voltage_reg 模块分析
• 3.7 电平转移
• 3.7.1 低电平转移0V 抑制电路
• 3.7.2 电平转换电路（二）
• 3.8 负载短路检测
• 3.9 放电过流比较器
• 3.10 过流检测电路
• 3.11 软启动电路
• 3.12 振荡器电路
• 3.13 无源低通滤波器的设计
• 4 功能模块整体电路与仿真结果分析
• 4.1 充电模块仿真分析
• 4.2 保护功能模块仿真分析
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文