高效率同步整流升压型LED闪光灯的驱动芯片设计

摘要

随着便携式电子设备向着小型化、多功能及低功耗等方向快速发展，高性能的电源管理芯片已经成为了当下的研究热点。开关电源因具有高效率、体积小、带载能力强等优点，已成为了电源管理领域的主流技术，并且通过引入同步整流技术还可进一步提高电源转换效率。
　　本文首先对开关电源的发展历程、研究现状以及基本拓扑结构做了简要介绍，并详细分析了Boost变换器的控制技术和调制形式，然后给出本文设计的Boost变换器的设计参数和要求，最后根据设计要求，设计了一款应用于智能手机的采用峰值电流控制PWM脉宽调制的升压型LED闪光灯驱动芯片。与传统的升压型DC-DC变换器单一的工作模式不同，该芯片设计了升压模式和直通模式，保证了芯片在2.5V～5.5V的电压范围内正常工作，减少了功率管数目，降低了芯片的功耗与面积;为了防止芯片在启动时产生浪涌电流和过冲电压，设计了一种新型的软启动电路，该电路无需软启动引脚，通过将功率PMOS作为恒流源的方式对输出电容进行预充电，实现升压模式时输出电压平稳快速的启动;为了进一步提高芯片的转换效率，设计了一种新型的功率管逻辑驱动电路，该电路有效降低了死区时间，减少了衬底电流的泄放量，转换效率提升明显。
　　该芯片采用Magnachip0.18μm CMOS工艺实现，集成有带隙基准电流源、软启动电路、振荡器、以及电流驱动电路等模块，同时为了提高芯片的可靠性，还设计了过压保护、过流保护、过温保护、低电压锁定等保护电路。本论文还对关键模块的设计过程进行了详细介绍，并完成了整体电路及保护功能的仿真验证，最后该芯片成功流片，实验室测试结果显示:该芯片在2.5V～5.5V的电压范围内正常工作;且芯片启动时输出电压上升平稳，无电压过冲，启动时间仅为128μs;输出电流精度在±6％以内，且平均电源转换效率可达85％以上。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 LED闪光灯简介

1．2 开关电源概述

1．2．1 开关电源发展历程

1．2．2 开关电源发展方向

1．3 课题的研究背景及意义

1．4 论文研究内容及结构安排

第二章 DC-DC变换器基础

2．2．1 电荷泵

2．2．2 Buck型变换器

2．2．3 Boost型变换器

2．2．4 Buck-Boost变换器

2．2 Boost变换器电路特性分析

2．2．1 连续模式Boost变换器的电路特性

2．2．2 断续模式Boost变换器的电路特性

2．2．3 连续模式与断续模式的临界条件

2．3 Boost变换器调制形式

2．3．1 PWM脉冲宽度调制

2．3．2 PFM脉冲频率调制

2．3．3 PSM跨周期调制

2．4 Boost变换器环路控制模式

2．4．1 电压控制模式

2．4．2 峰值电流模式

2．4．3 平均电流模式

2．5 本章小结

第三章 LED闪光灯驱动芯片系统概述

3．1 系统拓扑结构及工作方式的选取

3．1．1 拓扑结构的选取

3．1．2 工作方式的选取

3．2 芯片的功能描述及规格参数

3．2．1 整体功能描述

3．2．2 芯片的规格参数

3．3 系统的结构设计

3．4 芯片的典型应用电路

3．4．1 输出电容的选择

3．4．2 输入电容选择

3．4．3 输入电感选择

3．5 本章小结

第四章 峰值电流模式PWM升压型DC-DC变换器系统分析

4．1 系统环路分析

4．2 电流环稳定性分析及斜坡补偿原理

4．2．1 开环不稳定性

4．2．2 斜坡补偿原理

4．3 系统环路建模

4．4 本章小结

第五章 关键模块的设计与仿真

5．1 上电复位电路

5．1．1 核心电路设计

5．1．2 仿真结果验证

5．2 带隙基准源

5．2．1 基本工作原理

5．2．2 核心电路设计

5．2．3 仿真结果验证

5．3 振荡器

5．3．1 在Boost变换器中的应用

5．3．2 核心电路设计

5．3．3 仿真结果验证

5．4 软启动(Soft-Start)电路

5．4．1 核心电路设计

5．4．2 仿真结果验证

5．5 功率管驱动电路

5．5．1 驱动逻辑电路设计

5．5．2 衬底电位选通电路

5．5．3 栅极驱动电路设计

5．5．4 仿真结果验证

5．6 电流驱动电路

5．6．1 核心电路设计

5．6．2 仿真结果验证

5．7 本章小结

第六章 系统电路仿真及芯片测试

6．1 仿真平台搭建

6．2 芯片功能仿真

6．2．1 升压模式仿真

6．2．2 直通模式仿真

6．3 保护功能仿真

6．3．1 欠压锁定功能仿真

6．3．2 过温保护功能仿真

6．3．3 过压保护功能验证

6．3．4 过流保护功能仿真

6．4 版图设计

6．5 芯片测试

6．5．1 时钟频率测试

6．5．2 软启动功能测试

6．5．3 升压模式测试

6．5．4 直通模式测试

6．5．5 输出电流测试

6．5．6 芯片转换效率测试

6．6 本章小结

第七章 总结

参考文献

硕士期间发表论文和参加科研情况

致谢