白光LED驱动器的研究与设计

摘要

白光LED由于具有亮度大、效率高、寿命长等特点，在便携式产品方面有广泛的应用前景。但白光LED自身的正向导通电压大、电学参数离散性大、容易受温度影响等特点，需要设计专门的电源管理芯片。 针对白光LED的如上特点，本文设计了一款恒流驱动白光LED的升压式DC-DC变换器控制芯片，其工作频率为1MHz，允许输入电压范围为2.6～5.5V，输出电压在6～26V范围内可调，输出电流也可根据应用需求自由调节，且具有软启动、过压、过温等保护功能。与外围元器件一起构成可驱动2～6个串联白光LED的恒流驱动器。 论文首先阐述了升压式DC-DC变换器的工作原理，确定该控制芯片采用峰值电流PWM控制模式，并以此为基础对系统设计进行整体考虑，构建了系统整体架构，对芯片外围电路进行了分析和设计，确定了元器件参数。然后，对控制芯片内部功能模块作了划分，文章中对带隙基准电压源，误差放大器、振荡器、PWM比较器、控制逻辑电路等模块进行了详细设计，并分别作了仿真验证。该芯片有三个显著的设计特色： (1)不同的负载下采用三种不同的工作模式，从而提高了电路的工作效率，降低了开关损耗； (2)在带隙基准电压源设计中，采用了高精度的电流镜代替运算放大器，避免了运放自身产生的失调，同时减少了芯片面积和功耗； (3)在误差放大器的设计中，采用了运算跨导放大器(OTA)，电路输入级采用了输入偏置电流消除结构；电路输出级采用了射极负反馈电阻；其跨导具有高稳定性。与传统的电压运算放大器(Op-Amp)相比，具有输出电阻高、通频带宽、增益可调等特点。 文章最后，采用Cadence/Spectre仿真软件完成了整个电路的联合仿真，结果表明设计合理可行，达到设计指标要求。并用Cadence/Virtuoso版图工具完成了部分模块的版图设计和验证。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究问题的提出

1.1.1白光LED的应用

1.1.2白光LED的原理及特性

1.1.3研究白光LED驱动器的必要性

1.2国内外研究现状

1.2.1恒流源类

1.2.2电荷泵类

1.2.3开关电源类

1.3主要工作及论文结构安排

1.3.1主要技术指标

1.3.2主要工作及创新点

1.3.3文章结构安排

第二章升压式DC-DC变换器的原理与分析

2.1升压式变换器主回路原理

2.2控制回路原理

2.3本章小结

第三章整体电路分析与设计

3.1 LED驱动器的工作方案设计

3.1.1 LED驱动器的工作过程

3.1.2 LED驱动器的效率分析

3.1.3 LED驱动器的工作模式

3.2芯片外围元器件的选择

3.3内部功能模块的划分

3.4本章小结

第四章芯片内部子模块电路的设计

4.1带隙基准电压源

4.1.1工作原理

4.1.2电路设计

4.1.3仿真结果

4.2误差放大器

4.2.1工作原理

4.2.2电路设计

4.2.3仿真结果

4.3振荡器电路

4.3.1工作原理

4.3.2电路设计

4.3.3仿真结果

4.4 PWM比较器

4.4.1工作原理

4.4.2电路设计

4.4.3仿真结果

4.5控制逻辑电路

4.5.1工作原理

4.5.2电路设计

4.5.3仿真结果

4.6其它子模块电路

4.6.1关断电路

4.6.2延时电路

4.6.3电流检测、斜坡补偿和叠加电路

4.7整体电路仿真

4.7.1 工作过程仿真

4.7.2不同LED数量下LED电流与效率的关系

4.8本章小结

第五章版图设计

5.1版图设计技巧

5.1.1寄生

5.1.2匹配

5.1.3噪声

5.2版图整体布局设计

5.2.1版图布局的概念

5.2.2版图整体布局设计

5.3部分模块版图

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者在攻读学位期间公开发表的论文

致谢