白光LED驅(qū)動器的研究與設(shè)計

白光LED驅(qū)動器的研究與設(shè)計

主要研究新能源發(fā)電技術(shù)。

張南1，王逸煊2

(1.華電電力科學研究院，杭州 310000； 2.長春理工大學光電工程學院，長春 130022)

摘要：以提高白光LED驅(qū)動器的效率為目標，以Cadence軟件為平臺，在深入研究電子元器件功耗與尺寸大小關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用0.18 μm的CMOS工藝，設(shè)計了驅(qū)動4只串聯(lián)白光LED的升壓型驅(qū)動器。實驗表明，該驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)換效率高和抗干擾能力強等特點，在環(huán)境惡劣的情況下均可滿足性能指標要求，具有廣泛的實用性。

關(guān)鍵詞：白光LED；升壓變換器；Cadence軟件；功耗；效率

白光LED具有效率高、體積小、壽命長和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在照明、LCD顯示屏的背光源和可見光通訊等許多領(lǐng)域均得到了廣泛的應用。由于LED的PN結(jié)特性，LED可以適應的供電電源變化范圍非常小。另外，在大多數(shù)應用中，單個LED發(fā)光強度無法滿足實際需求，必須將多個LED串聯(lián)或并聯(lián)使用，這就需要比較大的電壓或電流來驅(qū)動。所以，盡管傳統(tǒng)電源種類很多，但均不能直接為LED供電，必須根據(jù)實際需要，配置一種穩(wěn)定的、高效率的驅(qū)動電源。因此，研究白光LED驅(qū)動器及其設(shè)計方法，具有十分重要的意義。

1白光LED驅(qū)動器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理

本研究設(shè)計的升壓型驅(qū)動控制器采用Boost DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電感L、電容C、開關(guān)管M和二極管V構(gòu)成了功率級電路。在M閉合的時候，將能量儲存在L中，在M關(guān)斷的時候，L中儲存的能量通過二極管進入到電容C中，從而實現(xiàn)能量的傳輸和轉(zhuǎn)換。開關(guān)管M的通、斷采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式方式，通過控制開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。

在PWM控制器中，對輸出電壓Vo進行采樣，得到采樣電壓Vf，并輸入到運算放大器EA的反相輸入端，形成電壓負反饋。EA的同相輸入端為固定電壓VR。信號經(jīng)EA放大后輸出直流誤差電壓Ve，并輸入至PWM比較器的反相輸入端；鋸齒波信號Vosc輸入至PWM比較器的同相輸入端，Ve和Vosc經(jīng)PWM比較器比較后輸出一個方波信號，此方波信號的占空比隨著誤差電壓Ve變化，從而實現(xiàn)脈寬調(diào)制。

圖1　Boost DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖

2白光LED驅(qū)動器的研究與設(shè)計

2.1LED的選擇和升壓變換器的技術(shù)參數(shù)

目前，LED的主要生產(chǎn)廠家分別是Philips、CREE和OSRAM等。本設(shè)計從發(fā)光效率的角度出發(fā)，選用LUXEON REBEL ES作為光源系統(tǒng)的白光LED。該產(chǎn)品單個LED效率為135 lm/W，正向電壓為2.75 V，正向電流為350 mA。如果升壓變換器驅(qū)動4只串聯(lián)LUXEON REBEL ES白光LED，則升壓變換器的輸出電流為350 mA，輸出電壓為11 V(2.75 V×4)。

升壓變換器的效率與開關(guān)管的工作頻率成非線性關(guān)系。通過計算機仿真實驗測得升壓變換器的效率與頻率的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，當開關(guān)頻率為1 MHz時，升壓變換器的效率最高，因此選擇開關(guān)頻率為1 MHz。

另外，作為驅(qū)動電源，其調(diào)整率、輸出電壓紋波等也是必須考慮的性能指標。本設(shè)計的技術(shù)參數(shù)要求見表1。

圖2　升壓變換器效率與頻率的關(guān)系曲線

輸入電壓/V輸出電壓/V輸出電流/mA開關(guān)頻率/MHz電源調(diào)整率/%輸出電壓紋波/%效率/%工作溫度/℃5113501≤1≤5≥85-40~85

2.2功率級電路元器件參數(shù)的計算與選擇

2.2.1整流二極管的選擇

整流二極管要求有快速恢復能力和較低的開關(guān)損耗，通常選用肖特基二極管作為升壓變換器的整流二極管。本設(shè)計選擇Philips 1N5817肖特基二極管作為整流二極管。該二極管的反向電壓為20 V。當正向電流為0.9 A時，正向電壓為0.4 V，二極管的損耗為0.36 W。

2.2.2電感的選擇

根據(jù)電感電流紋波和輸出電流的關(guān)系，電感有2種工作模式，即連續(xù)工作模式(CCM)和非連續(xù)工作模式(DCM)。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：IL為電感電流；Io為輸出電流。

在邊界條件下有如下關(guān)系：

(3)

式中：Vin為輸入電壓；f為開關(guān)頻率；D為占空比。

由式(3)可得：

(4)

本設(shè)計中：Vin=5 V，f=1 MHz，D=6/11，Io=0.35 A，由式(4)求得L=1.77 μH。這個結(jié)果是一個臨界值。為了使升壓變換器工作在連續(xù)運行模式下，L要求大于1.77 μH。此外，如果電感值較大，盡管紋波電流會很小，但電感的尺寸將會變大，功耗增加。綜合考慮紋波電流和功耗，選擇LQH55PN4R7NR0作為該升壓變換器的電感。它的電感值為4.7 μH，額定電流1 400 mA，直流電阻0.06 Ω，大小為5.7 mm×5.0 mm。

2.2.3電容的選擇

當開關(guān)管處于導通狀態(tài)時，負載由電容供電，并存在如下關(guān)系式：

(5)

(6)

式中：Vo為輸出電壓；C為濾波電容。

本設(shè)計中，D=6/11，Io=350 mA，f=1 MHz，ΔVo=11 V×5%=0.55 V，因此C=347 nF。

2.2.4開關(guān)管的選擇

開關(guān)管尺寸的選擇直接關(guān)系到升壓變換器的損耗。較寬的開關(guān)管有著較小的電阻，此時開關(guān)管帶來的損耗也比較小。但是當開關(guān)管寬度較大時，意味著它的面積也會比較大。這樣，開關(guān)管電容帶來的損耗就會增加。因此，需要通過對開關(guān)管尺寸的選擇，在這2種損耗中找到平衡，使總的損耗達到最小。

升壓變換器的損耗由4部分組成，分別是：電感的阻抗、整流二極管的阻抗、開關(guān)管的電阻和電容。設(shè)電感等效電阻、二極管等效電阻和開關(guān)管等效電阻分別是RL、ED、RT，電阻帶來的損耗是Pres。可得關(guān)于Pres的表達式如下：

(7)

(8)

設(shè)電容引起的損耗為Pcap，開關(guān)管的電容為CT，總的損耗是Pt，則有：

Pcap=fCTVo，

(9)

(10)

設(shè)開關(guān)管的面積是A，則RT=Ron/A，并且CT=CoxA，因此，Pt可看做是關(guān)于A的函數(shù)，并且這個函數(shù)有最小值。

(11)

本設(shè)計選用開關(guān)管的型號為NFETI20，通過計算可得A≈1 800μm2。另外，開關(guān)管的電阻與長度成正比，與寬度成反比，因此，選擇其長寬之比為：

(12)

2.3誤差放大器的設(shè)計

2.3.1誤差放大器的拓撲結(jié)構(gòu)

放大器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。M1和M2是一對PMOS差分輸入晶體管；M3和M4是2個電流源負載；M5和M6是電流鏡，為輸入級和放大級提供電流；M7和M8組成了輸出級。

圖3　放大器的結(jié)構(gòu)圖

2.3.2放大器晶體管的尺寸

晶體管尺寸的選擇非常重要，因為它決定了包括增益、GBW和相位裕度在內(nèi)的很多放大器性能參數(shù)。通常來講，晶體管的電容取決于其寬度，寬度越大則電容越大。而晶體管的長度影響了晶體管的漏源電阻。

經(jīng)Cadence仿真，放大器各晶體管尺寸如表2所示。同時，測出放大器的增益為70 dB，增益帶寬為355 kHz，相位裕度為134 degree。

2.4PWM比較器的設(shè)計

2.4.1PWM比較器的拓撲結(jié)構(gòu)

PWM比較器如圖4所示。PWM比較器由1個差分輸入放大級，1個輸出放大級和3個推挽級組成。M5和M6組成電流鏡為支路提供電流；M1和M2是2個差分PMOS晶體管；M3和M4是2個擁有相同門電壓的電流源負載；M7和M8用來放大和輸出來自差分級的信號；M9、M10，M11、M12，M13、M14是3組推挽反相器，它們可以調(diào)節(jié)輸出波形還可以提高比較器吸收電流的能力。

表2　放大器各晶體管尺寸表

圖4　PWM比較器結(jié)構(gòu)圖

2.4.2PWM比較器的仿真實驗

采用直流電壓源模擬誤差放大器的輸出電壓Ve，得到PWM比較器的仿真曲線，如圖6所示。當三角波大于直流電壓時，輸出電壓為高電平，反之則為低電平。如果直流輸入電壓增加，占空比也會增加。

圖5　PWM比較器仿真曲線

另外，通過Cadence軟件仿真實驗，測試出PWM比較器的穩(wěn)態(tài)精度為0.82 mV，增益為72 dB；動態(tài)時的上升時間為17.1 ns，下降時間為19.4 ns。

3白光LED驅(qū)動器的仿真與實驗

3.1升壓變換器性能的仿真

利用Cadence軟件對所設(shè)計的升壓變換器進行計算機仿真，得到輸出電壓和輸出電流波形曲線如圖6～7所示。

由圖6～7可以看出，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓為11.16 V，而輸出電壓的期望值為11 V，考慮到與LED模型串聯(lián)的反饋電阻帶來的影響，這個結(jié)果是合理的；輸出電流為350.301 mA，輸出電流的希望值為350 mA。

圖6　輸出電壓仿真曲線

圖7　輸出電流仿真曲線

輸出電壓的波動范圍為：11.117 8-10.907 0=0.210 8(V)

圖8是電感電流的仿真曲線，該電流即是輸入電流。由曲線看出，穩(wěn)態(tài)時電流值為905.08 mA。輸入電壓為5 V，因此可以計算出該升壓變換器的效率為：

圖8　電感電流仿真曲線

3.2升壓變換器的Corners仿真

為了驗證所設(shè)計產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的運行情況，本文利用Cadence軟件的Corners analysis，對產(chǎn)品在極端條件下的性能進行了仿真實驗。

設(shè)定3種極端情況分別是typical case(5 V，25 ℃)，worst power case(4.5 V，85 ℃)和worst speed case(5.5 V，-4 ℃)。3種情況的試驗結(jié)果如下：

1)typical case：輸出電壓、輸出電流和輸入電流分別是11.201 4 V、353.511 mA和920.273 mA，紋波電壓為1.8%，轉(zhuǎn)換效率為：

2)worst speed case：輸出電壓、輸出電流和輸入電流分別是11.56 V、383.90 mA和1.03 A，紋波電壓為1.73%，轉(zhuǎn)換效率為：

3)worst speed case：輸出電壓、輸出電流和輸入電流分別是11.05 V、347.49 mA和897.02 mA，紋波電壓為1.3%，轉(zhuǎn)換效率為：

4結(jié)語

本文從產(chǎn)品的實際應用出發(fā)，以提高驅(qū)動器的效率為目標，研究設(shè)計了白光LED驅(qū)動器。計算機仿真實驗結(jié)果與設(shè)計期望值對比情況見表3?？梢钥闯?，本文所設(shè)計的白光LED驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)換效率高、抗干擾能力強等特點，在運行環(huán)境惡劣情況下均可滿足性能指標要求，具有廣泛的實用性。

表3　仿真實驗結(jié)果與設(shè)計期望值對比情況表

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.012

收稿日期：2015-04-16

作者簡介：張南(1989—)，男(漢)，長春，碩士

中圖分類號：TN312.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)02-0043-05

The research and design of white LED driver

ZHANG Nan，et al.

(HuadianElectricPowerResearchInstitute，Hangzhou310000，China)

Abstract：This paper aims at developing the efficiency of white LED driver.By using Cadence softeare as a platform；on the basis of further research on the relationship between the power consumption and the size of electric device；and adopting 0.18 μm CMOS process，a boost driver which can drive four white LEDs connected in series has been designed.The simulation experiment shows the boost driver has the characteristics of high converting efficiency and strong anti-interference.Besides，the boost converter can meet the expected performance requirements in worse case environment and have a wide application.

Key words：white LED；boost converter；cadence software；power consumption；efficiency