高压直流转换器及其应用的关键技术研究

摘要

本文以提高高压直流转换器及LED(Light-emittingDiode)驱动芯片的性能为目标，对建模与稳定性分析技术、斜坡补偿技术、抖频技术、精度相关技术及低功耗设计技术等关键技术进行研究与创新，并通过三款芯片的设计，对相关关键技术进行实现，芯片的仿真与测试结果验证了这些关键技术的作用。
　　 由于直流转换器工作于开关模式，其小信号稳定性分析必须建立在线性化建模的基础上。本文采用模块化建模方式，将系统进行模块划分后，逐个对应建模，以代替传统建模方法中抽象繁复的函数演算。文中结合具体设计，对系统进行模块化建模后，分析环路稳定性，并合理补偿，还提出了频域计算和时域验证相结合的方式，对建模后的系统进行稳定性分析和验证。
　　 斜坡补偿技术用于解决电流模式直流转换器中存在的次谐波振荡问题。本文分析了次谐波振荡的产生机理和常用解决办法，结合PWM(脉冲宽度调制，PulseWidthModulation)/PSM（跨周期调制模式，PulseSkippingModulation）双模式控制的降压式高压直流转换器芯片的研究与设计，提出了一种补偿斜率跟随占空比和电感电流下降斜率的自适应式斜坡补偿方法。测试结果表明，整个工作范围内系统都能稳定工作。
　　 直流转换器及其应用在开关频率上的能量尖峰经常会超过系统定义的EMI（电磁干扰，ElectromagneticInterference）限值而对电路产生不良影响，但在开关频率周边却有很大裕量。抖频技术能将EMI能量分散至一小段频率范围内，从而减小峰值，改善EMI性能。文中提出了一种新型的抖频电路实现方法，采用数字控制方式，通过电路结构的改进，有效抑制了开关切换噪声。测试结果验证了该抖频电路的功能。
　　 直流转换器输出电压的精度及纹波与系统精度相关。本文分析了影响精度的主要因素，并对相关技术进行研究。在高精度的升压式LED高压驱动芯片的研究与设计中，对基准电流产生电路进行了创新，采用PMOS管构成共源共栅电流镜电路的交叉结构，使上层管子工作在线性区，其等效导通电阻协同偏置用的电阻，调整输出电流的温度系数。其仿真得到的典型温漂值在-40～120℃范围内只有23.8ppm/℃。
　　 转换效率是直流转换器的一项重要指标。本文分析了效率相关因素，对低功耗技术进行了研究和创新。在PWM/PSM双模式控制的降压式高压直流转换器芯片的研究与设计中，根据系统效率的影响因素，结合不同控制模式的特点，从系统构架的角度提出了一种能在整个工作范围内保证效率最优化的自动切换的双模式控制方案。其实现方法为:在PWM环路中加入了一个最小占空比模块，能根据输入输出情况找出合理的模式切换点，实现PWM和PSM的双模式控制，控制逻辑简单，且切换平滑。测试结果表明，系统轻载下的效率由于PSM控制而明显提高，使系统在整个工作范围内都能保证高效率。在输出为5V时，最高效率达93.5％。在高可靠、高效率的降压式LED高压驱动芯片中，设计的输出驱动电压达7.5V，可有效降低片外开关管的导通损耗，同时采用了低静态电流、低反馈电压等低功耗技术。测试得到芯片的最高转换效率达到了95.3％。
　　 另外，本文还对一些电路结构做了创新和改进。如摒弃外围器件而借助集成的时钟分频器和电流限制电路来实现软启动、用逻辑控制的PMOS管代替二极管实现的启动带电路、实现故障保护且能自动恢复的打嗝保护电路等。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

1 引言

1．1 研究背景及现状

1．1．1 研究背景

1．1．2 国内外研究现状

1．2 研究内容

1．2．1 高压设计技术

1．2．2 建模理论与稳定性分析

1．2．3 次谐波振荡及斜坡补偿技术

1．2．4 EMI性能及抖频技术

1．2．5 输出精度

1．2．6 系统效率及低功耗技术

1．3 本文研究的创新点

1．3．1 方法论上的创新

1．3．2 系统架构上的创新

1．3．3 电路设计创新

1．4 全文安排

2 高压直流转换器及其应用的基础理论和设计技术

2．1 高压工艺

2．2 高压直流转换器理论

2．2．1 直流转换器的拓扑结构

2．2．2 直流转换器的调制方式

2．2．3 直流转换器的控制方法

2．2．4 高压直流转化器的基本结构和工作原理

2．3 LED高压驱动的基础理论

2．3．1 LED基础

2．3．2 LED驱动器基础

2．3．3 LED高压驱动器的基本结构和工作原理

2．4 直流转换器的建模理论及方法

2．4．1 直流转换器的线性化建模理论

2．4．2 模块化系统建模方法

2．4．3 线性化模型

2．4．4 系统稳定性分析和验证

2．5 斜坡补偿技术

2．5．1 次谐波振荡的产生机理

2．5．2 斜坡补偿原理

2．5．3 斜坡补偿方法

2．6 抖频技术

2．6．1 EMI问题及相关技术

2．6．2 抖频技术的原理

2．6．3 抖频技术的实现

2．7 输出精度相关技术

2．7．1 影响精度的因素

2．7．2 基准电路

2．7．3 采样电路

2．7．4 误差放大器和比较器

2．8 低功耗技术

2．8．1 低功耗的研究意义

2．8．2 常用的低功耗技术

2．9 本章小结

3 高压直流转换器的研究与设计

3．1 PWM／PSM双模式控制的降压式高压直流转换器的系统设计

3．1．1 设计思路

3．1．2 系统描述

3．2 系统建模与环路稳定性

3．2．1 系统建模与小信号分析

3．2．2 频率补偿方案研究

3．2．3 Matlab仿真验证

3．3 斜坡补偿方案研究

3．4 系统效率与控制模式的研究

3．4．1 直流转换器的系统功耗分析

3．4．2 PWM／PSM双模式控制方案

3．5 PWM／PSM双模式控制的降压式高压直流转换器的电路实现

3．5．1 预稳压电路

3．5．2 基准电路

3．5．3 高压稳压器电路

3．5．4 欠压锁定电路

3．5．5 误差放大器电路

3．5．6 电流检测电路

3．5．7 比较器电路

3．5．8 振荡器电路

3．5．9 软启动、限流和短路保护

3．5．10 驱动器电路

3．6 PWM／PSM双模式控制的降压式高压直流转换器芯片实现及测试结果

3．6．1 芯片实现

3．6．2 测试结果与讨论

3．7 本章小结

4 LED高压驱动芯片的研究与设计Ⅰ

4．1 高可靠、高效率的降压式LED高压驱动的系统设计

4．1．1 设计思路

4．1．2 系统描述

4．2 系统稳定性分析与研究

4．3 抖频技术的研究

4．3．1 抖频范围的选择

4．3．2 新型抖频电路设计

4．4 系统效率与低功耗技术

4．4．1 效率与功耗分析

4．4．2 低功耗设计

4．5 高可靠、高效率的降压式LED高压驱动芯片的电路实现

4．5．1 预稳压电路

4．5．2 高压稳压器电路

4．5．3 高压驱动器电路

4．5．4 基准电路

4．5．5 延时与毛刺处理电路

4．5．6 信号分离电路

4．5．7 最小占空比电路

4．6 高可靠、高效率的降压式LED高压驱动器的芯片实现及测试结果

4．6．1 芯片实现

4．6．2 测试结果与讨论

4．7 本章小结

5、LED高压驱动芯片的研究与设计Ⅱ

5．1 高精度的升压式LED高压驱动的系统设计

5．1．1 设计思路

5．1．2 系统描述

5．2 系统建模与稳定性研究

5．3 斜坡补偿方案

5．4 输出精度

5．4．1 输出精度分析

5．4．2 电压与电流基准

5．4．3 运放与比较器

5．4．4 分压模块

5．4．5 电压电流转换器

5．5 高精度的升压式LED高压驱动芯片的电路实现

5．5．1 振荡器电路

5．5．2 延时与毛刺处理电路

5．5．3 数字调光整形模块

5．5．4 打嗝保护电路

5．5．5 高压驱动器电路

5．6 高精度的升压式LED高压驱动芯片的仿真结果

5．6．1 系统仿真平台

5．6．2 系统上电

5．6．3 正常工作情况

5．6．4 数字调光

5．6．5 打嗝保护

5．6．6 仿真结果总结

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文研究内容总结

6．1．1 建模理论与稳定性

6．1．2 次谐波振荡及斜坡补偿技术

6．1．3 EMI性能及抖频技术

6．1．4 输出精度相关技术

6．1．5 系统效率及低功耗技术

6．1．6 其他

6．2 存在的不足

6．3 研究展望

6．3．1 今后的目标

6．3．2 发展趋势

参考文献

作者简介