基于源极驱动的原边反馈AC-DC LED驱动电路的设计

摘要

随着全球能源危机的日益严重和气候环境的不断恶化，节能减排和绿色能源已经成为全球普遍关注的热点话题。据统计，照明是人类消耗能源的重要方面，约占世界总耗能的19％，因此，绿色节能照明的研究越来越受到重视。LED作为一种绿色环保的新型半导体固态照明光源，因其发光效率高、低碳健康、安全节能、绿色环保和可靠耐用等优点近几年得到了迅速的发展，已经逐步取代传统光源，开始照亮世界。LED驱动电源是LED灯具的核心部件，它直接关系到LED照明产品的性能、安全及寿命的优劣。所以，为了更好地集成到现代照明装置中，LED驱动电源对于尺寸，寿命，成本和可靠性等性能提出了更高的要求。
　　针对小功率LED照明应用，本文主要从简化电路结构和提高恒流精度两个方面开展了研究与设计工作，提出了一种基于源极驱动的原边控制AC-DC LED驱动电路。所设计的驱动电路通过在原边采用低压驱动管控制高压功率管的源极驱动电路结构，省去了传统的原边反馈技术所采用的辅助绕组、反馈电阻网络等电路，大大地减少了小功率LED驱动芯片的引脚数目和外围元器件数目，缩小了系统的体积，降低了设计成本，实现了简化电路的目的。控制芯片通过最低电压检测电路检测次级绕组的电流过零点信息，并且采用智能充放电电路以控制次级绕组的去磁时间TDemag与开关周期TS成恒定比例，最终通过采用峰值电流检测电路控制原边峰值电流恒定，以实现恒流输出的目的。另外，本文摒弃了传统的线电压补偿技术，在原边峰值电流控制电路中内置了一种基于源极驱动拓扑结构的线电压补偿，通过在芯片CS采样脚上注入一个随输入线电压线性变化的补偿电流，来间接调整原边峰值电流在高压输入下的关断基准小于低压输入下的关断基准，避免了因功率管的关断延迟造成的峰值电流过冲现象，从而大大提高了输出电流的线性调整率，达到了高精度恒流输出的目标。
　　本文设计的控制芯片采用TSMC0.35μm5V/650V CMOS/LDMOS工艺进行流片，并且通过3W电路原型测试验证，结果表明:在输入85～264V的范围内，输出恒流精度高达±1.6％，效率在80％以上;输入90V/60Hz情况下，启动时间小于45ms;输入220V/50Hz情况下，静态功耗低达137mW。可见，该电路在小功率LED驱动电源中具有很好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 LED驱动电源的国内外研究现状

1．2．1 反激式恒流拓扑结构的研究现状

1．2．2 提高恒流精度的研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．4 论文组织

第二章 LED恒流驱动电路的原理分析

2．1 LED的基本特性

2．2 LED驱动电源的基本恒流驱动方式

2．2．1 基于线性调整的恒流驱动

2．2．2 基于电荷泵的恒流驱动

2．2．3 基于开关电源的恒流驱动

2．3 恒流LED驱动电源的基本拓扑结构

2．3．1 Buck型拓扑结构

2．3．2 Buck-Boost型拓扑结构

2．3．3 Flyback型拓扑结构

2．4 基于原边反馈的常用恒流控制方式

2．4．1 PFM恒流控制

2．4．2 固定去磁占空比恒流控制

2．5 本章小结

第三章 LED驱动电源系统的设计与仿真

3．1 系统设计要求

3．1．1 系统的性能定义

3．1．2 控制芯片的性能定义

3．1．3 系统的恒流原理

3．2 系统恒流关键模块的设计考虑与原理分析

3．2．1 最低电压检测电路

3．2．2 去磁时间检测电路

3．2．3 智能充放电电路

3．2．4 开关控制信号产生电路

3．3 系统建模及仿真实现

3．3．1 系统建模软件SIMPLIS简介

3．3．2 基于SIMP LIS的系统建模

3．3．3 基于SIMPLIS的系统仿真实现

3．4 本章小结

第四章 电路设计与仿真分析

4．1 带隙电压基准电路

4．1．1 电路功能

4．1．2 电路设计原理与实现

4．1．3 电路仿真分析

4．2 电流基准电路

4．2．1 电路功能

4．2．2 电路设计原理与实现

4．2．3 电路仿真分析

4．3 最低电压检测电路

4．3．1 电路功能

4．3．2 电路设计与仿真分析

4．4 智能充放电电路

4．4．1 电路功能

4．4．2 电路设计实现与仿真分析

4．5 内置线电压补偿的峰值电流控制电路

4．5．1 电路功能

4．5．2 电路设计原理与实现

4．5．3 电路仿真分析

4．6 整体LED驱动电路的设计与仿真分析

4．6．1 整体LED驱动电路的设计

4．6．2 整体LED驱动电路的仿真分析

4．7 本章小结

第五章 芯片版图设计与测试验证

5．1 芯片版图设计

5．1．1 版图设计注意事项

5．1．2 版图设计与布局布线

5．2 系统测试电路设计

5．2．1 系统测试电路及参数设置

5．2．2 测试平台简介

5．3 系统测试与分析

5．3．1 系统的启动时间

5．3．2 系统的保持时间

5．3．3 芯片的典型工作波形

5．3．4 系统的静态功耗

5．3．5 系统的线性调整率

5．3．6 系统的负载调整率

5．3．7 系统的效率

5．3．8 测试结果对比分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果