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白光LED恒压源驱动电路的设计


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白光 LED 恒压源驱动电路的设计





xx xx

系 (院) 专 年 学 业 级 号

指导教师 日 期

210×297mm 297mm) (A4 纸 210 297mm)

>学生诚信承诺书 本人郑重承诺:所呈交的设计报告是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,报告中不包含其他人已经发 表或撰写的研究成果,也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在报告中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名: 日期:

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本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位报告的规定,即:学校有权保留送交 报告的复印件,允许报告被查阅和借阅;学校可以公布报告的全部或部分内容,可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存报告。 签名: 导师签名: 日期:

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白光 LED 恒压源驱动电路的设计
() 摘 要:随着便携式电子产品的广泛应用。 电源管理芯片日趋显现出其在电子产品中的重 : 要地位。高效率、低成本和低噪声已经成为了便携式设备中电源管理芯片的发展方向。近 年来白光LED驱动芯片一直是电源管理芯片市场的热点。其中,电荷泵电路由于不需要电 感元件就可以完成升压功能而备受关注。文中设计了电荷泵2倍放大电路,振荡电路,时 钟逻辑电路,由振荡电路产生的1KHZ的方波作为时钟信号来控制2倍放大的电路的开关关 断,2倍放大电路是利用mos管作为开关控制电源对电容的充放电,使得输出电容有2倍的 升压功能,振荡器是利用RC电路和门电路的组合来产生方波信号,信号通过逻辑电路后来 进行控制开关。并利用multisim软件进行了仿真,表明了该电路的可行性。 关键字:开光阵列;振荡电路;低压差;电荷泵 1 引言 手机、无绳电话、对讲机等便携式通信产品都是使用电池作为电源,合理地使用电池, 充分挖掘其潜力可提高使用效率、延长电池的寿命。手机的LCD彩屏需要高亮度的白光LED 去点亮,白光LED需要稳定的5V工作电压,如果工作电压下降,则白光LED的亮度降低,色 彩就不鲜明,LCD彩屏的显示效果就不理想。白光LED不能直接由电池供电,因为电池一开始 使用,电压就递减,影响显示效果。所以在电路设计上需要使用一个升压型的电荷泵,把 递降的电压在一段较长的时间内稳定在5V。 2 驱动电路 现在关于驱动电路有很多种的设计方法应用也十分广泛,总类也很多。比如采用集成恒 流源NUD4001的LED驱动电路,这一电路的显著特点是当电源电压在±15%的范围内变动时, 输出波动≤1%,可称为恒功率驱动电路。另一种是采用电容作限流元件的LED驱动电路, 直接采用电容作为限流元件,在此电 路中,由于电容上的分压几乎达到了全部电源电压, 所以具有良好的限流特性,当电源电压在±10%波动时,输出电流也在≤±10%内波动, 只要在设计中把LED的额定值留有一定的裕量,就能保证在电源电压波动时LED仍处于良好 的工作状态。再一类就是采用专用IC的LED阵列驱动电路,是采用两块专用IC电路的LED驱 动电路其中IC1 ——VIPER22A是ST公司生产的智能功率关集成模块,内部具有PWM控制电 路和一个0.730V的VDMOS场效应功率管。还有就是利用电荷泵设计驱动电路 3 产生白光LED的几种方法 在 LED 蓝光芯片上涂覆 YAG(yttrium aluminum garnet,钇铝石榴石)荧光粉,芯片 发出的蓝光激发荧光粉后可产生典型的 500-560nm 的黄绿光, 黄绿光再与蓝色光合成白光。 利用这种方法制备白光相当简单,便于实现且效率高,资金投入不太大,因此具有一定的 实用性。其缺点是荧光粉与胶混合后,均匀性较难控制。由于荧光粉易沉淀,导致布胶不 均匀、布胶量不好控制,因而造成出光均匀性差、色调一致性不好、色温易偏离且显色性 不够理想。优点:效率高、色温可控、显色性较好。缺点:三基色光衰不同导致色温不稳 定、控制电路较复杂、成本较高。 RGB 三基色混合。这种方法是将绿、红、蓝三种 LED 芯片组合,同时通电,然后将发 出的绿光、红光、蓝光按一定比例混合成白光。绿、红、蓝的比例通常是 6:3:1,或用蓝 光芯片加黄绿色的双芯片补色来产生白光。只要通过各色芯片的电流稳定、散热较好,那 么这种方法产生的白光比上述产生的白光稳定且制作简单。但是,由于红、绿、蓝三种芯
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片的光衰不一样,驱动方法(控制通过 LED 电流大小的方法)要考虑到不同芯片的光衰不 一样。采用不同的电流进行补偿,使之发出的光比例控制在 6:3:1。这样可以保持混合的 白光稳定,从而达到理想的效果。优点:效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较 好。缺点:一致性差、色温随角度变化。 在 LED 紫外光芯片上涂覆 RGB 荧光粉。这种方法利用紫外光激发荧光粉产生三基色光 来混合形成白光。但是,目前的紫外光芯片和 RGB 荧光粉是混合激发的,其出光效率较低, 而且用于封装的环氧树脂在紫外光照射下易分解老化,从而使透光率下降。优点:显色性 好、制备简单。缺点:目前 LED 芯片效率较低,有紫外光泄漏问题,荧光粉温度稳定性问 题有待解决。 4 芯片的整体结构和基本原理 4.1 电荷泵的介绍 电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送” 电容(而非电感或变压器)来储能的 DC-DC(变换器).它们能使输入电压升高或降低, 也可以 用于产生负电压。其内部的 FET 开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电,从而 使输入电压以一定因数(0.5,2 或 3)倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。电荷泵的 工作过程均为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。开关 式调整器升压泵采用电感器来贮存能量,而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电容式 电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升,采用电容器来贮存 能量。电荷泵电路最简单,尺寸小,并且转换效率高、耗电少,所以它获得了极其广泛的 应用。 4.2 电荷泵的种类

图 4.2 电荷泵的三种分类

开关式调整器升压泵如图 4.1(a) ,无调整电容式电荷泵如图 4.1 (b),可调整电容式 电荷泵如图 4.1 (c) 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升,采用电 容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的,但需要外部电容器。由于工作于较高的频率,因 此可使用小型陶瓷电容(1mF),使空间占用小,使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提
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供±2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的 ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的 RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感,因此其辐射 EMI 可以忽略。输入端噪声可用一只小 型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器 实现的,因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数,以便为后端调整器提供足 够的活动空间。 4.3 二倍电荷泵的原理

图4.3倍电荷泵原理

2倍电荷泵的原理如图3.2所示,包括四个开关,S1、S2、S3、S4,一个泵电容C1和一 个输出电容C0。在实际电路中,开关是由MOS功率管实现的,所以有一定的导通电阻。其 中,φ和φ非为两相非交叠时钟。 在一个有效工作周期T内,其工作过程可划分为A、B、C三个阶段 (其中IA 和IB分别 表示A阶段和B阶段的平均电流),分别为: 阶段A:充电阶段。在时钟Φ的控制下,开关S1、S4导通,S2、S3断开。如图4.4所示, C0向负载放电, 泵电容C1被Vin充电, C1两端的平均电压Vin减去开关的等效电阻上的压降: VC1 = Vin ? I A ( RS1 + RS 4 ) 4.1

图 4.4 电荷泵充电阶段等效图

Vout = Vin + Vc1 ? I B ( RS 2 + RS 3 ) ?

I load f osc C1

4.2

阶段B:放电阶段。在时钟Φ的控制下,开关S2、S3导通,S1、S4断开。如图4.5所示, 泵电容C1向负载电容C0充电,C0向负载放电。所以有:

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图4.5电荷泵放电阶段等效图

阶段c:等待阶段。开关S1—S4都断开,没有电荷从Vin传递到C1、Cout上,而只有 Cout对负载放电。在线性模式下,等待状态时间(记为Tw)非常短暂,Cl两端电压保持不变。 如果电荷泵的输出已经处于稳定状态,则 A 阶段对泵电容的充电电荷必然等于 B 阶段泵 电容所放的电荷。当时钟的占空比为 50%时,TA=TB=Ton,因此: I ATON = I BTON
在一个有效周期 T 内,输入的平均电流为:

4.3

I in =

I ATON + I BTON = 2 I BTON f OSC T T = 2TON + TW

4.4

其中: 4.5

在整个周期内,只有B阶段泵电容C1才能对输出电容C0充电,而Cout三个阶段都对负 载放电。当输出电压Vout稳定的时候,根据电荷守恒原理,Cout在B阶段的所充的电荷应 该等于整个周期内对负载所放的电荷,所以:
I load T = I BTON

4.6 4.7

可得:

I load = I BTON f OSC

比较发现输入输出电流之间的关系为:

I in = 2 I load

4.8

由式(4.1)、(4.2)、(4.3)、(4.4)和(4.8)可得,输入输出电压之间的关系为:
Vout = 2Vin ? I load TON f



4 K =1

RSK ?

I load f OSC C1

4.9

即:

Vout = 2Vin ? I load [(2 +

TW 1 ) RSW + ] TON f OSCC1

4.10

其中,Rsw 表示所有开关的等效电阻之和。设:
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ROL = (2 +

TW 1 ) RSW + TON f OSC C1

4.11

则:

Vout = 2Vin ? I load ROL

4.12

由式(4.12)可得出 2x 电荷泵的等效直流模型,如图 2.6 所示:

4.6 倍电荷泵直流模型图 图 4.6 倍电荷泵直流模型图

5 二倍电荷泵的设计和仿真 该电路为二倍模式工作电路,采用了 4 个 nmos 管,2 个电容组成了简单的升压电路, nmos 管作为开关,Q1 和 Q4 一组,Q2 和 Q3 一组,接入时钟信号后就能输出 2 倍电压, 时钟信号有振荡电路和逻辑控制电路产生。

图5.1二倍模式仿真图 二倍模式仿真图

本文采用multism软件进行仿真,仿真电路图如上图所示,时钟信号,我们采用两相 非交叠方波来代替,频率为1KHZ,幅度0-10V。

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加上方波后仿真电图 图 5.2 加上方波后仿真电图路

1.当输入为 2.7V 时仿真结果图:

5.3 2.7V 图 5.3 输入为 2.7V 时结果

如图 5.所示,直线为输入 2.7V,曲线为输出,大约经过 30ms 后,输出稳定在 5.383V, 基本为 2 倍。 2.当输入为 3.4V 时仿真结果图:

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5.4 图 5.4 输入为 3.4V 时结果

如图5.4 所示,直线为输入3.4V,曲线为输出,大约经过40ms后,输出稳定在6.791V, 基本为2倍。 6 振荡器 振荡器电路采用RC环形振荡结构产生一个频率为1KHZ的时钟信号。osc_enl为使能控 制端:当接收到高电平时,振荡器停止工作;接收到低电平时,振荡器正常工作。当振荡 器正常工作时,由于整个环路可等效为3个反相器组成的环形振荡器,故没有稳定的状态, 通过调节时间常数r=Ro*Co来控制振荡器的频率。 振荡器的工作过程简述如下:oscenl端接收到低电平时,电源通过电阻给电容充电, 当电容上极板达到施密特触发(Schmitt Trigger)的前沿触发电压VH时,触发器电平反转, 输出低电平。此时,电容开始通过电阻对地放电,当电容的上极板电压下降到施密特触发 器的后延触发电压VL时,施密特触发器反转输出高点平,电源再次通过电阻对电容充电, 如此循环下去,就得到了周期性的方波信号, 设C为电容的充电时间,L为电容的放电时 间,则振荡频率可表示为:
fO = 1 Tr + T f
6.1

图6.1振荡器仿真 6.1振荡器仿真

振荡器仿真,在温度为 25 C 条件下,且 osc_enl 为低电平,仿真电路图如图 6.1 所示。
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RC 环形振荡器产生的时钟信号频率为 1KHz。

图 6.2 振荡器仿真结果图

振荡器的周期由电容和电阻决定,因此改变电容和电阻就能改变产生方波的频率。如 图 6.2,产生了频率为 1KHZ,幅度为 5V,占空比约为 50&的方波,并具有稍为的延迟, 结果达到设计要求。 7 时钟逻辑控制电路 时钟逻辑控制电路为电荷泵提供正确的时钟控制信号, 由二部分组成: 电平转换电路、 两相非交叠时钟产生电路。 7.1 时钟逻辑电路的设计

图 7.1.1 时序逻辑电路结构图

如图 2.12 所示时钟信号 CLK 同时输入与非门 10 和反向器 12, 当时钟信号为高电平时, 与非门 10 输出无法确定,与非门 11 输出高电平,经过 15、16 两个反相器的延时,输出 时钟信号Φ为高,输入到与非门 10 中,决定了其输出为低,经过两个反相器的延时,输 出时钟信号Φ非为低,同时输入到与非门 11 中。这样就形成内部反馈环路,产生了两相 非交叠时钟信号。 7.2 时钟逻辑电路仿真设计

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图 7.2.1 仿真电路图

如图 7.2.1 为仿真电路图,利用函数信号发生器产生了 1ms 的方波,然后用示波器分别接 到 2 个端口,看是否是同相的方波信号。

7.2.2 图 7.2.2 端口 1 仿真结果图

如图 7.2.2 为端口 1 的输出波形,可以看出为与输入反向的方波,振幅为 0-5V。

图 7.2.3 端口 2 仿真结果

如图7.2.3所示端口2输出波形,可以看出与输入同相的波形,振幅为0-5V。 8 整体电路

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图 8.1 整体仿真电路图

通过前面3个模块的分别仿真验证,功能和电路都达到要求,把3个模块连接在一起得 到上图的整体电路图。为一简单的2倍模式电荷泵升压电路。共计有4个NMOS管,7个反相 器,3电容,1电阻,1个施密特触发器,3个与非门。仿真电路图如图8.1

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图 8.2 输入为 2.00V

图 8.3 输入 2.3V

图 8.2 采用输入为 2V,经过 70,918ms 基本达到稳定,3.926V,误差不大,性能比较 好。图 8.3,输入为 2.3V,经过了 131.633ms 后才基本达到 4.566V,与 2V 相比,达到稳 定所需时间加长,稳定后误差小,符合设计需求。 9 结论 白光LED驱动电路主要有两种结构,各有长处,本文采用了市场前景更好的电荷泵结 构,研究设计了一种传统的2倍的单一升压模式电荷泵。1KHz的开关频率,由于不需要电 感元件,所以受电磁干扰很小。本驱动电路全部由简单的元器件构成,结构简单,原理浅 显易懂。 由于水平有限,电路的有很多的不足和不完善之处,在各种优化环节都有很大的发展 空间,未来可以加入偏执电路,关断和欠压保护电路,软启动电路和反馈电路,使电路的 性能更好,误差更小,更适合大众化,适合到现实运用,由于实际条件影响,搭出的电路 性能并未达到仿真的高度,因此仅对该电路做了仿真与分析,结果表明电路符合设计的要 求。 由于时间原因,后续负载元器件没来得及加上去,负载的加入可能会使放大倍数达不 到要求,这些后续负载元器件对前面驱动电路的影响需要在以后的实践中继续研究。

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] 翁寿松 白色发光二极管及其驱动电路【M】.电子设计与技术 2006.03 张玻.白光 LED 市场分析【M】.广东电子商贸 2004.11 马莎丽,白色发光二极管及其驱动电路【J】.电子元器件应用 2005.06 曹培栋.微电子技术基础.电子工业出版社【M】 2000:116-118 冯勇,杨旭白光 LED 可控恒流源驱动系统设计【M】电器开关 2008

White LED Constant-voltage Source Driving Circuit Design
Song Dan (School of Physics and Electrical Engineering, Anyang Normal University, Anyang,Henan
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455002) Abstract: With a wide range of portable electronic products application, the power management chips are playing an important role. High efficiency, low cost and low-noise portable devices have become the development direction in power management chips. In recent years, white LED driver IC chip has been a market hot. Among them, the charge pump circuits which can complete the step-up features without considering inductors have attracted more attention. The charge pump 2 times amplifier circuit and oscillator circuit are designed. In the end, the square wave 1KHZ which is generated by the oscillator circuit is used as a clock signal to control the circuit switch turn-of the 2-fold amplification. Oscillator circuit was consist of RC circuit and gate circuit. The charge pump 2 times amplifier circuit consists of norms tube and Capacitance. We simulate the circuit with the software multisim which shows the feasibility of the circuit. Key Words: the opening of the array, oscillator circuit, low dropout, charge pump

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