一种高效率高升压比的BoostDC-DC变换器的研究与设计

论文摘要

白光LED有高光源质量、高效率、高节能、安全环保、使用寿命长、响应时间短等优点,在便携式电子设备领域应用日趋广泛。白光LED驱动芯片作为LED背光照明系统中关键组成部分,是目前电源管理芯片的研究热点。便携式电子设备体积小型化、LED背光屏的日益增大、以及对节能要求日趋提高的趋势,要求白光LED驱动芯片具有高集成度、高升压比和高效率等特点。本文首先论述了白光LED驱动芯片的国内外的现状,分析了六种基础的DC-DC结构和两种白光LED驱动方式的工作原理,根据课题的设计需求选择了Boost DC-DC结构和白光LED串联的方案,并结合方案所涉及到的四个关键技术设计了芯片的外围电路和整体架构。然后,对芯片中的七个主要子模块——带隙基准模块、电流检测模块、自适应斜坡补偿模块、振荡器模块、误差放大器模块、同步整流栅驱动模块和PWM比较器模块的设计进行了详细分析介绍,并利用HSPICE结合SALICIDE ANALOG PROCESS WITH PLDD 0.35μm工艺对所设计的七个子模块进行了仿真验证,对其他模块也做了简要介绍。其中带隙基准采用PTAT型结构,实现了可提供任意基准电压和提供偏置电流的功能;电流检测电路有效地解决了传统电流检测过程中存在的高功率损耗和不易集成的问题;通过采用一种新型的动态斜坡补偿电路,有效地解决了高升压比峰值电流PWM模式Boost DC-DC中容易出现的欠补偿和过补偿问题;在振荡器电路的设计中,通过开关调控模块内比较器的工作状态,减少了近50%的功耗。最后,本文建立芯片典型应用电路,用HSPICE对其全局仿真。结果表明:在典型应用情况下,芯片启动时间700μs,输出电压20V,负载电流22.7mA,转换效率在85%以上,电源电压为2V时系统可启动并正常工作。芯片的主要性能指标基本达到预期指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 白光LED 简介
• 1.1.2 白光LED 的原理和驱动
• 1.2 白光LED 驱动电路国内外研究现状
• 1.2.1 线性调整型
• 1.2.2 电荷泵型
• 1.2.3 开关电源型
• 1.3 白光LED 驱动器的发展趋势
• 1.4 本课题意义及必要性
• 1.5 本文主要结构及主要内容
• 第二章 芯片方案设计
• 2.1 开关电源变换器的基本原理和结构
• 2.1.1 Buck 变换器
• 2.1.2 Boost 变换器
• 2.1.3 Buck-Boost 变换器
• 2.1.4 ?uk 变换器
• 2.1.5 Sepic 变换器
• 2.1.6 Zeta 变换器
• 2.2 白光LED 驱动方式
• 2.2.1 LED 串联驱动方式
• 2.2.2 LED 并联驱动方式
• 2.3 本课题设计方案的确定
• 第三章 芯片整体设计
• 3.1 外部元件选择
• 3.1.1 电感选择
• 3.1.2 输出电容选择
• 3.2 设计方案所涉及的几个关键技术
• 3.2.1 峰值电流模式PWM 控制技术
• 3.2.2 PID 相位补偿技术
• 3.2.3 斜坡补偿技术
• 3.2.4 同步整流技术
• 3.3 芯片系统结构及功能描述
• 3.3.1 芯片功能描述
• 3.3.2 芯片典型应用电路及引脚定义
• 3.3.3 芯片内部框图及各模块功能简述
• 第四章 关键子电路模块的设计和仿真
• 4.1 带隙基准电路
• 4.1.1 Boost 芯片中的PTAT 型带隙基准及其设计指标
• 4.1.2 带隙基准的电路实现
• 4.1.3 带息基准的仿真结果
• 4.2 电流检测电路
• 4.2.1 传统电流检测电路及其缺点
• 4.2.2 电流检测的电路实现
• 4.2.3 电流检测的仿真结果
• 4.3 自适应动态斜坡补偿电路
• 4.3.1 传统斜坡补偿电路及其缺陷
• 4.3.2 自适应动态斜坡补偿电路的电路实现
• 4.3.3 自适应动态斜坡补偿电路的仿真结果
• 4.4 振荡器电路
• 4.4.1 传统振荡器电路及其缺陷
• 4.4.2 改进型振荡器的电路实现
• 4.4.3 改进型振荡器的仿真结果
• 4.5 误差放大器
• 4.5.1 误差放大器的电路实现
• 4.5.2 误差放大器的仿真结果
• 4.6 同步整流栅驱动模块
• 4.6.1 同步整流栅驱动模块的电路实现
• 4.6.3 同步整流栅驱动模块的仿真结果
• 4.7 PWM 比较器
• 4.7.1 PWM 比较器的电路实现
• 4.7.2 PWM 比较器的仿真结果
• 4.8 其他子模块的设计
• 第五章 芯片全局电路仿真
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢