升壓型雙模式PWM+LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)_圖文

1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文升壓型雙模式PWM LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)姓名:付佳申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):電路與系統(tǒng)指導(dǎo)教師:吳曉波20070426 第2章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1基本的驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)及原理白光LED的驅(qū)動(dòng)芯片是電源管理芯片的一種,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照有沒(méi)有電感 元件可分為兩大類(lèi)。包含電感的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是開(kāi)關(guān)電源電路,不需要電感的 結(jié)構(gòu)主要是電荷泵。開(kāi)關(guān)電源電路由于需要電感元件,因而體積較大。在現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工 藝條件下,電感元件很難集成到芯片內(nèi)部,因而不利于系統(tǒng)的集成。但是,這 種結(jié)構(gòu)的效率很高,LED的驅(qū)動(dòng)電壓可以任意調(diào)整,LED的驅(qū)動(dòng)電流最大可以 達(dá)到十幾安培,很適用于大電流的LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)。電荷

2、泵電路比較簡(jiǎn)單,由于不需要電感元件,體積很小,成本較低。但是 它只能提供固定的輸出電壓。有些芯片提供不同大小的輸出電壓供選擇,但卻 缺少輸出電壓的連續(xù)性。在驅(qū)動(dòng)電流能力上,電荷泵電路也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及開(kāi)關(guān)電源 電路。系統(tǒng)的效率也比較低。因而,電荷泵電路主要應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)小電流,小電 壓的LED場(chǎng)合。(1開(kāi)關(guān)電源電路最常用的開(kāi)關(guān)電源電路有:BUCK,BOOST,BUCK-BOOST型,分代表 降壓型,升壓型,還有升降壓型電路?，F(xiàn)以BOOST型電路為例,簡(jiǎn)要說(shuō)明工 作原理。如圖2.1所示,開(kāi)關(guān)電源電路主要由電子開(kāi)關(guān)器件,電感和電容組成。電 子開(kāi)關(guān)有快速開(kāi)通和關(guān)斷兩種狀態(tài),并且非常強(qiáng)調(diào)迅速的切換,因?yàn)橹挥羞@樣,

3、 損耗才能降到最小。目前較常使用的電子開(kāi)關(guān)有:雙極型晶體管,功率場(chǎng)效應(yīng) 管,開(kāi)關(guān)二極管,還有其他一些特性較好的新型大功率開(kāi)關(guān)元件。電感是開(kāi)關(guān) 電源中常用的器件,由于它的電壓、電流相位不同,因此理論損耗為零。電感 為儲(chǔ)能元件,也常用于平滑電流,也稱(chēng)為扼流線(xiàn)圈,其特點(diǎn)是流過(guò)其上的電流 有很大的慣性,也就是電感上的電流是連續(xù)的。電容也是開(kāi)關(guān)電源的基本元件 之一.它與電感一樣,也是儲(chǔ)存和傳遞電能的元件,但對(duì)頻率的特性與電感剛 好相反.它主要用來(lái)吸收紋波,具有平滑電壓波形的作用?？梢杂?jì)算,輸入輸出電壓和占空比(D之間的關(guān)系為:墮:上(2-1、腸l一上D:竺(2-2細(xì)+towBASIC STEP-UP(B

4、OOSTCoNVERTER WAVEFoRMSH。|L b。loutLowerC嘲-Inetantaneotm Value Upper CaseAverage Value誓!廣=蘭r A i曠kIolout圖2.1基本BooST結(jié)構(gòu)的電路及波形圖D(2電荷泵電路電荷泵電路的主要原理是在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)為電容充電,在其余 的時(shí)間內(nèi),利用電容的不同連接方法得到不同的輸出電壓。這種方法只能得到 些離散的輸出電壓值。圖2-2所示是一種簡(jiǎn)單的電荷泵電路,它可以得到輸入電壓兩倍的輸出電 壓。僅用此簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)說(shuō)明電荷泵電路的工作原理。當(dāng)sl,S3導(dǎo)通,S2,s4關(guān)斷的時(shí)候,Vin為電容C充電,電容上的

5、電壓為Vin。當(dāng)Sl,S3關(guān)斷,s2, S4開(kāi)通的時(shí)候,輸出電壓等于電容上的電壓疊加上輸入電壓,因而得到了兩倍于輸入電壓的輸出電壓。圖2-2基本的電荷泵電路開(kāi)關(guān)電源電路和電荷泵電路都是常用的電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由于應(yīng)用中有 很多特別的要求,比如,在輸入電壓或者負(fù)載有變化的時(shí)候保持輸出電流和電 壓恒定,這就需要建立閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng),使產(chǎn)品更加可靠和穩(wěn)定。電源管理芯片設(shè)計(jì)中的控制方法主要有,電壓控制,峰值電流控制,均值 電流控制H1。雖然還衍生出了多種其他的控制方式,比如偽峰值電流控制,但 是他們都以上述三種方式為最根本的控制思路。(1電壓控制模式電壓控制模式是應(yīng)用最早的一種控制方式。如圖2-3所示

6、,輸出電壓Vout 被檢測(cè)并且輸入到誤差放大器的反相端,基準(zhǔn)電壓REFERENCE輸入到誤差放 大器的正相端,得到的誤差信號(hào)Vb與鋸齒波vi相比較,比較器的輸出作為錟 存器的清零信號(hào),控制雙極型晶體管開(kāi)關(guān)的通斷。詳細(xì)波形同見(jiàn)圖2-3。 電壓控制模式只有一個(gè)電壓回路,設(shè)計(jì)和分析都很簡(jiǎn)單,但是由于誤差 放大器需要檢測(cè)到輸出電壓變化才能做出反應(yīng),因而速度不快,而且系統(tǒng)中固 有的兩個(gè)極點(diǎn)使補(bǔ)償比較復(fù)雜。=7侈拶 黼;廠(chǎng)1廣廠(chǎng)圖23電壓控制模式(2峰值電流控制模式峰值電流控制模式是應(yīng)用最廣泛的控制方式。如圖2-4所示,同電壓控制模式相同,誤差放大器的兩輸入端接輸出電壓 Vout和參考電壓REFERENC

7、E。與電壓控制模式不同的是:比較器的輸入是電 感電流信號(hào)和誤差信號(hào)。由于電感電流直接反映出了系統(tǒng)狀態(tài)變化,且不需要 經(jīng)過(guò)誤差放大器而直接輸入比較器,所以環(huán)路響應(yīng)有相當(dāng)大的改善。峰值電流控制模式不僅反映迅速,而且環(huán)路中只有一個(gè)極點(diǎn),非常有利于 補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì),除此之外,它本身就可以實(shí)現(xiàn)每周期的過(guò)流保護(hù)。它的缺點(diǎn)是系 統(tǒng)包含兩個(gè)反饋回路,一個(gè)電壓環(huán)路,一個(gè)電流環(huán)路,這使得分析和設(shè)計(jì)比較 復(fù)雜,同時(shí),峰值電流的檢測(cè)對(duì)噪聲非常敏感。如果占空比超過(guò)500,6,就需要 增加斜坡補(bǔ)償,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖2-4峰值電流控制模式(3均值電流檢測(cè)(1線(xiàn)性調(diào)整率線(xiàn)性調(diào)整率也可以說(shuō)是輸入電壓調(diào)整率,它表示的是,當(dāng)系統(tǒng)

8、輸入電壓變 化的時(shí)候,控制量的變化程度.在LED應(yīng)用中,由于控制量是負(fù)載電流,所以 線(xiàn)性調(diào)整率指的就是,輸入電壓變化的時(shí)候,負(fù)載電流如何變化。用公式表示 為:籌(A/V(2-3(2負(fù)載調(diào)整率對(duì)于恒壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)講,負(fù)載調(diào)整率表示當(dāng)負(fù)載電流改變的時(shí)候輸出電壓 的變化。對(duì)于恒流的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),它指負(fù)載電流變化的時(shí)候,系統(tǒng)能否提供與之 對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓,以保證LED的電壓電流特性得到滿(mǎn)足,從根本上講,這也表 明了驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)能力,也就是提供負(fù)載電流大小的能力。(3紋波紋波是指控制系統(tǒng)中的參數(shù)會(huì)帶有一定頻率分量的噪聲。表現(xiàn)在電流或者 電壓上,就是電流電壓并不是完全不變的穩(wěn)定值,而是在一定小的范圍內(nèi)波動(dòng)。浙江

9、大學(xué)碩士學(xué)位論文由于LED應(yīng)用中恒流控制為主,而且人眼對(duì)3%以上的電流匹配誤差才能感覺(jué) 到,所以電流的紋波大小不是十分嚴(yán)格。(4驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流的大小表明了芯片的驅(qū)動(dòng)能力,也即提供給負(fù)載LED電流大小的 能力。驅(qū)動(dòng)電流根據(jù)場(chǎng)合不同,要求迥異。做背光源的LED一般需要幾十毫安 的電流,如果做閃光燈,一般需要700mA到1A的電流大小。(5驅(qū)動(dòng)電壓這是一個(gè)和LED個(gè)數(shù)及連接方法密切相關(guān)的參數(shù)。為了保證電流的精確匹 配,很多應(yīng)用采用串聯(lián)LED的連接方法,一般LED的正向壓降為三到四伏, 如果需要的LED數(shù)量比較多,相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓可能高達(dá)十幾伏甚至幾十伏。因 而需要BOOST電路或者電荷泵電路提升電壓

10、。(6輸入電壓范圍輸入電壓是一個(gè)基本參數(shù),主要是因?yàn)槟壳癓ED的應(yīng)用范圍愈加廣泛,比 如工業(yè)上的應(yīng)用或者汽車(chē)照明,這些場(chǎng)合的供電范圍比較寬,供電電壓也比較 高。因而,要保證在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)系統(tǒng)正常工作。2.2設(shè)計(jì)方案這款LED驅(qū)動(dòng)芯片主要應(yīng)用在汽車(chē)照明系統(tǒng)以及工業(yè)控制中,現(xiàn)以汽車(chē)照明 系統(tǒng)為例,分析應(yīng)用的需要。為了提高汽車(chē)的美感與性能,在近些年的新車(chē)型中,汽車(chē)制造商大量的應(yīng)用 固態(tài)光源LED的照明技術(shù)。主要應(yīng)用有12I:(1艙內(nèi)白光頂燈和閱讀燈白光頂燈和閱讀燈只需要一個(gè)大功率的白光LED發(fā)光二極管。一般正向壓 降為3V-.4.5V,最大電流為IA-1.5A(2艙內(nèi)娛樂(lè)顯示器在豪華型及主流

11、消費(fèi)車(chē)型中,安裝GPS導(dǎo)航和艙內(nèi)娛樂(lè)顯示器越來(lái)越流 行。在目光下,這些LCD顯示器需要LED串做背光源,在夜間工作則需要寬 的調(diào)光范圍。LED串一般包含6-.-10個(gè)LED,盡管它們只需要一百毫安左右的 電流,但是串聯(lián)LED的電壓要達(dá)到20伏以上才能保證所有的LED正常導(dǎo)通。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文(3信號(hào)指示燈,尾燈和前燈信號(hào)指示燈、尾燈和前燈需要最大的功率,因?yàn)樗鼈円写箅娏骱透唠妷?來(lái)驅(qū)動(dòng)。例如汽車(chē)尾燈,電流最高可達(dá)1.5A,由plO個(gè)LED組成的LED串 在各種車(chē)燈中相當(dāng)常見(jiàn)。信號(hào)指示燈、前燈和尾燈雖然不需要大范圍的調(diào)光, 但是需要實(shí)現(xiàn)亮度的高低變化。汽車(chē)電池的典型供電范圍是9-一16V。

12、一個(gè)電量耗光的電池在汽車(chē)啟動(dòng)前可能 降低至9V,而交流發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的同時(shí)將其充電至144V。伴隨著一些尖 峰和過(guò)沖,這種典型的直流電池電壓最高可達(dá)16V。在通常情況下。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不 工作時(shí).充好電的汽車(chē)電池電壓為12V。在冷車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí),汽車(chē)電池電壓可能降至 5v、甚至4V。在汽車(chē)供電中.高瞬態(tài)電壓也非常常見(jiàn)。從電池到底盤(pán)上不同地方 的長(zhǎng)電纜和汽車(chē)環(huán)境中的電子噪聲經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致大的電壓尖峰,在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)芯片時(shí) 典型的36V瞬態(tài)電壓也需要考慮?；谝陨蠎?yīng)用的考慮,驅(qū)動(dòng)芯片的供電允許范圍設(shè)定為弘36,輸出電壓至少 可以驅(qū)動(dòng)1個(gè)大電流的LED,至多可以驅(qū)動(dòng)lO個(gè)串聯(lián)LED。(1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般白光LED正向壓

13、降為3V至4.5V,由于輸出電壓需要驅(qū)動(dòng)多達(dá)lO個(gè) 串聯(lián)的LED,電壓變換器需要輸出至少30V的電壓,但是輸入電壓范圍是3V 至36V,最低可至3V,因而采用BOOST型DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖2-5所示。 BOOST結(jié)構(gòu)雖然能夠提供相當(dāng)高的輸出電壓,但是卻不適合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED 的低電壓。為了擴(kuò)大負(fù)載電壓的范圍,采用圖2-6的方法。電路基本結(jié)構(gòu)仍然 是BOOST型,只是負(fù)載被連接在輸入電壓和輸出電壓之間,因而負(fù)載電壓是 輸出電壓與輸入電壓的差值,負(fù)載電流自輸出端流入輸入端。即使只驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED也很容易實(shí)現(xiàn)。這種接法的電流檢測(cè)電阻直接與輸入電壓相連,因而稱(chēng)為 高端檢測(cè)接法。BUICK.BO

14、OsT電路雖然也可以實(shí)現(xiàn)高于或者低于輸入電壓的輸出,但是 它的輸出電壓極性與輸入電壓相反,因而增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,所以不予 采用。圖2-5BOOST型DC/DC拓?fù)鋱D2-6BooST拓?fù)涞母叨藱z測(cè)接法(2控制方法為了使系統(tǒng)有較好的反應(yīng)速度和控制精度,采用峰值電流的控制方法?？?制系統(tǒng)框圖如圖2-7和2-8所示,分別為普通BOOST電路的系統(tǒng)和高端檢測(cè)的 系統(tǒng)框圖。為了保證系統(tǒng)在不同占空比條件下的穩(wěn)定性,增加了斜坡補(bǔ)償電路。圖2-7BOOST型DC,DC的峰值電流控制框圖誤蘢放大囂圖28BOOST型DC/DC高端檢測(cè)模式的峰值電流控制框圖驅(qū)動(dòng)芯片最重要的參數(shù)之一是電流驅(qū)動(dòng)能力,它的大小與功率

15、MOS管的 電流承受能力密切相關(guān)。把功率MOS管集成到芯片內(nèi)部,可以減少了外圍器 件,但卻增加了芯片的面積和制造工藝的成本,而且電流的峰值受限,減少了 應(yīng)用設(shè)計(jì)的靈活性。在對(duì)外圍器件數(shù)量要求比較少,產(chǎn)品體積需求較小的條件下,集成MOS管的芯片才比較適用。本芯片的設(shè)計(jì)目標(biāo)是汽車(chē)照明系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片,對(duì)產(chǎn)品體積的要求寬松, 而且被驅(qū)動(dòng)的LED由1個(gè)到10個(gè)不等,電流由幾十毫安到幾安培變化,應(yīng)用 條件十分靈活,因而采用外接功率MOS管方法,由此也降低了芯片的制造成 本。不同外圍器件的選擇得到不同的驅(qū)動(dòng)電壓和電流,系統(tǒng)的效率也很大程度 上取決于外圍器件。根據(jù)外圍接法的不同,系統(tǒng)可以工作在恒流驅(qū)動(dòng)模式和恒

16、流/恒壓的驅(qū)動(dòng)模 式下。(1恒流模式如圖2.7所示,與負(fù)載串聯(lián)的檢測(cè)電阻上的電壓與參考電壓通過(guò)誤差放大 器輸出控制電壓,用來(lái)限制電感電流的峰值。系統(tǒng)形成了負(fù)反饋回路,穩(wěn)定時(shí) 候的誤差放大器兩輸入端電壓近似相等,因而嚴(yán)格控制了負(fù)載電流,大小為參 考電壓除以檢測(cè)電阻的大小。輸出電壓的大小是通過(guò)負(fù)載LED的電流進(jìn)行控制的,當(dāng)輸出電壓增大的時(shí) 候,負(fù)載電流也會(huì)隨之增大,檢測(cè)電阻上的電壓就會(huì)增加,使誤差放大器的輸 出減小,通過(guò)環(huán)路作用減小電感電流,減小輸出電壓。如果負(fù)載LED斷路,檢測(cè)電阻檢測(cè)不到與輸出電壓相應(yīng)的電流值,電壓的 增加就不能得到抑制,因而需要過(guò)壓保護(hù)電路,防止輸出電壓過(guò)高對(duì)器件造成 的損害

17、。(2恒流,恒壓模式在圖2-8所示模式中,系統(tǒng)通過(guò)控制檢測(cè)電阻兩端的電壓差值,控制負(fù)載 電流。其余原理與上述恒流模式類(lèi)似。這種高端檢測(cè)接法除了擴(kuò)大負(fù)載電壓范 圍,還避免檢測(cè)電阻直接接地而受到噪聲的干擾。汽車(chē)照明應(yīng)用中,通常以底 盤(pán)作為地,噪聲很大,不適于檢測(cè)電阻直接接到地。所謂恒壓/恒流模式,是指由于誤差放大器的特別結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)能夠即調(diào)整 負(fù)載電壓也調(diào)整負(fù)載電流,這主要取決于哪個(gè)參數(shù)先達(dá)到預(yù)設(shè)的值。詳細(xì)分析 見(jiàn)誤差放大器的電路部分。這種恒流,匾壓的模式本身提供了過(guò)壓保護(hù)功能,即使負(fù)載LED斷路,也 能根據(jù)設(shè)定調(diào)整輸出電壓,避免輸出電壓過(guò)大。浙江大學(xué)硬士學(xué)位論文由于負(fù)載接在輸入輸出電壓之間,檢測(cè)

18、電阻不能直接提供與電流成正比的 單端電壓,電阻兩端電壓的差值才與電流成正比,因此,誤差放大器要把雙端 電壓轉(zhuǎn)變成單端電壓,同時(shí)得到以地為參考的較低電平,利用此較低電平與參 考電壓比較,得到誤差信號(hào)用于峰值電流的控制,再者,放大器的輸入要能承 受高達(dá)36伏的共模電壓。因而,誤差放大器的設(shè)計(jì)是此模式的關(guān)鍵。(1軟啟動(dòng)(Sot:t Start軟啟動(dòng)是電源管理芯片中的常見(jiàn)功能,它通過(guò)限制啟動(dòng)時(shí)候的輸出電壓或 者電流,使系統(tǒng)緩慢進(jìn)入到正常工作狀態(tài),防止由于電流過(guò)大引起的器件損壞, 或者上電瞬間輸出電壓產(chǎn)生的過(guò)沖。(2過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)是通過(guò)監(jiān)視芯片的輸出電壓,在電壓超過(guò)設(shè)定值的時(shí)候關(guān)斷系統(tǒng), 而使系統(tǒng)免受

19、損害的功能。過(guò)壓保護(hù)主要是通過(guò)比較器實(shí)現(xiàn)的。(3關(guān)斷模式(Shutdown Mod曲芯片需要有使能引腳,在不需要芯片工作的時(shí)候,關(guān)斷芯片。關(guān)斷模式除 了方便對(duì)芯片的控制外,還基于節(jié)省功耗的考慮,一般關(guān)斷狀態(tài)下的靜態(tài)電流 都很小,在幾微安到幾十微安的數(shù)量級(jí)。關(guān)斷模式的實(shí)現(xiàn)是利用比較器,它通過(guò)比較內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和外部輸入電壓, 判斷是否實(shí)施關(guān)斷。比較常具有遲滯功能,防止系統(tǒng)狀態(tài)的頻繁切換狀態(tài). (4過(guò)溫保護(hù)(Over Temperature Protection過(guò)溫保護(hù)在白光LED驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)中比較重要,尤其是大功率的LED 發(fā)光二極管。過(guò)高的溫度不僅會(huì)使白光的顏色產(chǎn)生偏差,還可能使芯片過(guò)熱而 損

20、壞。(5模擬調(diào)光(Analog Dimming模擬調(diào)光是通過(guò)改變負(fù)載LED上的電流來(lái)調(diào)整發(fā)光的亮度,這種調(diào)光方式 雖然會(huì)使白光的顏色產(chǎn)生偏差,但是由于實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,而且可以與PWM調(diào) 光或者數(shù)字調(diào)光共同作用,擴(kuò)大調(diào)光范圍,因而應(yīng)用比較廣泛。(6PWM調(diào)光(PWM Dimming浙江大學(xué)硬士學(xué)位論文2.3系統(tǒng)框圖及應(yīng)用圖芯片內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖2-9所示。主要模塊包括:基準(zhǔn)電壓源,7v低壓差電壓調(diào)整器,3V電壓調(diào)整器,誤 差放大器,振蕩器,電流電壓轉(zhuǎn)換及斜坡補(bǔ)償電路,電流比較器,過(guò)壓保護(hù)模 塊,過(guò)溫保護(hù)模塊,關(guān)斷模塊,軟啟動(dòng)模塊,邏輯及驅(qū)動(dòng)模塊。. 圖2-9白光LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部系統(tǒng)框圖圖2.10是

21、恒流模式的應(yīng)用電路圖,需要外接電感,電容,功率MOS管, 功率二極管以及電阻。PWMIN引腳輸入低頻數(shù)字信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。 當(dāng)PWMIN信號(hào)為高時(shí),系統(tǒng)正常工作,負(fù)載LED電流為設(shè)定值,PWMIN信 號(hào)為低時(shí),PWMOUT也為低,切斷負(fù)載通路,使LED電流為零。由于內(nèi)部誤 差放大器采用OTA結(jié)構(gòu),需要較大的補(bǔ)償電容,因而外加補(bǔ)償電容.軟啟動(dòng)的 電容也較大,需要外置。圖2.11是恒流/恒壓模式的應(yīng)用電路圖,雖然也能通過(guò)PWMIN引腳的數(shù) 字信號(hào)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光,但是由于不方便關(guān)斷負(fù)載通路的電流,因而調(diào)光范圍 不大。通過(guò)llim引腳的電壓設(shè)定負(fù)載電流值,接在OV/FB引腳外的分壓電阻 比例則

22、設(shè)定輸出電壓值。圖2一10采用恒流模式的芯片應(yīng)用電路圖I.28Q-f I fVin. m 、. ;tM 10u|L。輒2k享 RUN Vin_ PWMlN 0WFBlth PWMoUTSS Uim4.7uF 仁Vrcf GATE_1k耋 FBP S日qSE7BN NTVcc2mE一 F】江D GND 一.4.7uF i :0.05n .“車(chē)圖2.11采用恒流鄺§壓模式的芯片應(yīng)用電路圖第3章模塊電路分析本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片包含11個(gè)模塊,分別是基準(zhǔn)電壓源,7v低壓差電 壓調(diào)整器,3V電壓調(diào)整器,誤差放大器,振蕩器,電壓電流轉(zhuǎn)換及斜坡補(bǔ)償電 路,電流比較器,邏輯及驅(qū)動(dòng)模塊,過(guò)壓保護(hù)模塊,

23、過(guò)溫保護(hù)模塊,關(guān)斷模塊, 軟啟動(dòng)模塊。按照它們?cè)谙到y(tǒng)中的功能,分為三類(lèi):供電模塊,控制環(huán)路模塊, 功能模塊。3.1供電模塊驅(qū)動(dòng)芯片的供電范圍是3V-36V,大部分?jǐn)?shù)字電路模塊應(yīng)用7v供電,普通 模擬電路模塊應(yīng)用3V供電,內(nèi)部還產(chǎn)生有一定驅(qū)動(dòng)能力的1.23V高精度基準(zhǔn) 電壓。供電模塊包括基準(zhǔn)電壓源,7v低壓差電壓調(diào)整器,3V電壓調(diào)整器,基準(zhǔn) 電壓源用來(lái)產(chǎn)生不隨輸入電壓和溫度變化的電壓,電壓調(diào)整器利用基準(zhǔn)電壓產(chǎn) 生7V和3V的輸出電壓。(1帶隙基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)及電路圖由于輸入電壓變化范圍非常大,為了保證基準(zhǔn)電壓源的精度,提高線(xiàn)性調(diào)整 率,采用了兩級(jí)帶隙基準(zhǔn)電壓電路。如圖3.1所示,第一級(jí)帶隙基準(zhǔn)電路由輸

24、 入電壓供電,它產(chǎn)生1.25V的輸出電壓,用于關(guān)斷模式比較器的參考電壓,還 輸出電流Il,為第二級(jí)帶隙基準(zhǔn)電路供電,11雖然有所變化,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸 入電壓供電的變化程度,因此,第二級(jí)電路輸出的1.23V電壓有很高的精度。 圖3.2和圖3-3分別是第一級(jí)和第二級(jí)帶隙基準(zhǔn)電路。圖3.1基準(zhǔn)電壓源的結(jié)構(gòu)圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文V圖3.10電壓調(diào)整器的基本結(jié)構(gòu)(2LDO特點(diǎn)及電路圖圖3.1l是LDO的電路圖,它的供電電壓是Vin,用1.23V的基準(zhǔn)電壓作 為參考電壓,輸出7V電壓。由于輸入電壓可低至3V,當(dāng)輸入電壓低于8V的 時(shí)候,可以把LDO的輸出引腳與輸入電壓引腳相連。LDO的7V輸出電壓主要用

25、來(lái)為邏輯和驅(qū)動(dòng)電路供電,還為3V的電壓調(diào) 整器供電,以保證3V輸出電壓的準(zhǔn)確性。當(dāng)電壓被用來(lái)為驅(qū)動(dòng)電路供電的時(shí) 候,負(fù)載調(diào)整率和電流驅(qū)動(dòng)能力的要求會(huì)比較高,因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路消耗的電流非 常大,而且電流的瞬態(tài)變化也很快,所以調(diào)整管采用功率MOS管,能夠提供 足夠大的電流,避免負(fù)載過(guò)重而導(dǎo)致的輸出電壓下降。另外,把數(shù)字電路的供 電和模擬電路的供電分開(kāi)來(lái),防止數(shù)字電路的噪聲通過(guò)電源惡化模擬電路的性 能。本文LDO的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)LDO類(lèi)似,但是由于輸入電壓變化范圍很大,因 而增加了一些鉗位電路,同時(shí)對(duì)誤差放大器也進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)。達(dá)到了比較 理想的效果。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.1l本設(shè)計(jì)中LDO的電路圖(

26、3仿真結(jié)果圖3.12,3.13,3.14分別是頻率響應(yīng),負(fù)載調(diào)整率和輸入電壓調(diào)整率的曲 線(xiàn)。圖3.12開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)i晰-圖3.14電源PsR(1電壓調(diào)整器的原理及電路圖如圖3.15的電壓調(diào)整器輸入電壓由LDO提供,大小為7v,利用1.23V的 帶隙基準(zhǔn)電壓作參考電壓,輸出3V穩(wěn)定電壓。由于它只為模擬電路供電,因 而輸出電流不大,并且變化范圍也較小,所以只要用較大的普通MOS管做調(diào) 整管就可以實(shí)現(xiàn)了。圖3.15的電路模塊由偏置電路,普通差分運(yùn)放,調(diào)整管和分壓電阻組成。在頻率響應(yīng)方面,它的主要極點(diǎn)產(chǎn)生在差分運(yùn)放的輸出,由于調(diào)整管的輸出還 有一個(gè)較遠(yuǎn)的極點(diǎn),因而用電阻與電容串聯(lián)產(chǎn)生零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。IN

27、TVcc-圖3.153V電壓調(diào)整器的電路圖C(2仿真結(jié)果圖3.16,3.17,3.18分別是輸入電壓調(diào)整率,負(fù)載調(diào)整率,環(huán)路頻率響應(yīng)的仿 真曲線(xiàn)。根據(jù)曲線(xiàn)得到輸入電壓調(diào)整率為O.39%V/V,負(fù)載調(diào)整率為 O.33%V/mA,反饋環(huán)路增益為70dB,相位裕度50度。此電壓調(diào)整管有很好的 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。*hsm!m:三1./ l /pi /”l/”鏟1擴(kuò)氣廣磊f嚆苜圖3.163V電壓調(diào)整器的輸入電壓調(diào)整率圖3.173V電壓調(diào)整器的負(fù)載調(diào)整率一、.?. 圖3.183V電壓調(diào)整器的環(huán)路頻率響應(yīng)3.2控制環(huán)路模塊控制環(huán)路模塊包括誤差放大器,振蕩器,電流比較器,邏輯及驅(qū)動(dòng)模塊, 電壓電流轉(zhuǎn)換及斜坡補(bǔ)償

28、電路。由于系統(tǒng)有兩種工作模式,他們對(duì)誤差放大器提出了不同的要求,并且在 恒流,恒壓模式下,誤差放大器要解決高共模輸入電壓等許多問(wèn)題,因而誤差放 大器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。(1誤差放大器的結(jié)構(gòu)及原理誤差放大器是負(fù)反饋系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)之一,它的增益以及頻率響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)錯(cuò)謦 撼懈饈螺*噶嘶 ;v 4_ la3Rl=Mk (3-21 如第2.3節(jié)所述,穩(wěn)定時(shí)運(yùn)放l的輸出電壓近似等于參考電壓Vref,這是 由負(fù)反饋環(huán)路和運(yùn)放2的較大增益實(shí)現(xiàn)的。流過(guò)R的電流為Voor/R,對(duì)于輸出 節(jié)點(diǎn)有等式:聃(,一警=警 (s-22 由等式(13,(14得:。:va/j*,品攔魚(yú)一,屆 (3.23 鳧 R式(15右邊后兩項(xiàng)是定值

29、,調(diào)整Vadj就可以調(diào)節(jié)檢測(cè)電阻上的電壓,也即調(diào) 整了電流。圖3.22第一級(jí)的高共模輸入誤差放大器綜上所述,誤差放大器EAl的功能已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了,整體電路圖和三輸入 運(yùn)放的實(shí)現(xiàn)如圖3.23所示。圖3-23高共模誤差放大器EAl(3運(yùn)放隊(duì)O及比較器運(yùn)放EA0是以PNP為輸入管的普通OTA,具體電路圖如圖3-24所示,Control 引腳用來(lái)開(kāi)通或者關(guān)斷此放大器。比較器如圖3-25所示,其中FBP引腳經(jīng)過(guò) Vbe壓降以后與帶隙基準(zhǔn)電壓1.23V作比較,因而模式切換的閾值在1.9V左右。 VCC圖3-24低共模輸入的誤差放大器EA0浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文VCCP圖3.25模式選擇比較器(4完整電路圖及仿真結(jié)果表格2和表格3分別為EAI和EA0的參數(shù)仿真結(jié)果,由于EAl有兩級(jí)運(yùn) 放,并且為了保證其有較高的共模抑制比,所以有較高的增益,在誤差放大器 的輸出接電容進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候,