恒流负载驱动电路失效抑制技术研究

摘要

本文针对恒流负载驱动电路失效抑制技术开展研究，所谓“失效”包涵两个方面：一是由于使用过程中损坏导致功能失效，二是由于驱动电路性能指标不足，导致无法满足应用要求。失效抑制技术则是在分析其失效产生原因的基础上，提出新的方法和技术，改善失效电路的性能，消除失效。
　　发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）作为第三代固态光源，有着众多的优点和非常广泛的应用，在此作为典型恒流负载进行研究。LED驱动电路发展已经较为成熟，但随着LED本身的发展以及应用范围扩大，或者原有的应用市场的系统性能指标提升，使得驱动电路也一直在发展。国际上以TI和奥地利微电子等公司的产品为代表，如将 LED电流调节精度和匹配度控制到1％以下，并具有良好的适用性。只有将驱动电路的性能指标和可靠性提高到国际一流产品相同，才能为其在高端市场的终端设备的应用开拓道路，完成产品市场突围。因此，本文的研究具有明显的市场前景和重要的技术意义。
　　本文通过分析功率MOSFET及其驱动电路工作原理，进行一个方法和两项技术的创新研究：提出基于沟道宽度变化的di/dt递进触发控制方法；根据同步功率管的工作时序，提出电压自跟随控制技术；并基于电容电荷存储功能，提出占空比跟随的频率转换技术。其主要创新点如下：
　　（1）通过分析功率MOSFET导通电流与其导通沟道宽度之间的关系，提出基于沟道宽度变化的di/dt递进触发控制方法，建立MOSFET开启与关断工作状态转换时其di/dt与沟道时变函数W(t)之间的控制关系，完成递进触发控制方法的理论分析。通过对W(t)函数的离散化处理，将此方法用于控制功率MOSFET的开关过程，实现功率MOSFET的沟道宽度递进调整，使其导通电流呈现递进式增加或者减少，达到功率MOSFET开启与关断瞬间di/dt降低的效果。通过流片测试结果证明，在相同测试条件，功率MOSFET关断di/dt降低超过50%，开启di/dt减小到原来的79%。
　　（2）基于同步升压转换器功率转换原理，分析了功率器件开关状态转换瞬间其工作状态与各点电压波形的关系，提出了一种电压自跟随控制技术。此技术通过检测节点 SW电压判断功率管工作状态，根据不同工作条件自动控制同步功率管开启时间，在确保无穿通风险条件下，极大的缩短了死区时间，有效的降低SW节点电压过冲，提高其转换效率。基于此技术的功率转换控制电路应用于同步升压转换器的设计，其流片测试结果表明，死区时间内的SW峰值电压降低超过40%，轻载效率最大提高约3%。
　　（3）基于常规占空比跟随频率转换技术误差产生原因的分析，提出电容电荷存储频率转换技术，此技术将单计数周期的时间误差转换为电荷存储于电容，并叠加到下一计数周期，实现单周期计数时间误差自动消除，获得更为精确的占空比跟随指标。将此技术应用于LED驱动的直接PWM调光控制电路，经过流片测试验证，其输入信号频率在200Hz到10KHz范围内，转换后输出信号频率为1KHz，其占空比跟随误差小于1%。
　　（4）通过对LED驱动电路的电流调节误差产生原因的分析，改进电流调节技术。确定模拟调节的误差由控制回路中运算放大器的失调电压而引起，通过分析模拟调节的原理，采用数字自校准技术将模拟调光的最小调节范围降低至1%的量产目标。而直接PWM调光方面，则采用改进的自动调零技术与双开关技术相结合架构，将其 LED调光精度提高至1%以下，同时多通道电流输出匹配度小于±0.6%，达到与国际一流产品的参数指标。

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第一章 绪 论

1.1 研究意义和动态

1.2 失效抑制技术概述

1.3 本文主要内容和创新点

第二章 驱动电路di/dt递进触发控制方法

2.1 MOSFET功率开关工作原理

2.2 MOSFET di/dt控制方法

2.3 MOSFET di/dt递进触发控制（PTC）方法

2.4 基于PTC方法的白光LED驱动电路设计

2.5 实验结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 驱动电路电压自跟随控制技术

3.1 同步升压转换器工作原理

3.2 功率驱动死区控制技术

3.3 电压自跟随控制（AVT）技术

3.4 基于AVT技术的驱动电路设计

3.5 实验结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 恒流调节失效抑制技术

4.1 恒流负载特性

4.2 模拟调光失效抑制技术

4.3 直接PWM调光失效抑制技术

4.4 占空比跟随频率转换技术研究

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果