带功率因数校正的LED驱动芯片的设计应用-集成电路设计专业论文.docx

目 录 目 录3 第一章 引言1 1.1 LED 照明的基本需求 1 1.2 功率因数校正的发展 1 1.3 论文组织结构 2 第二章 芯片的整体架构3 2.1 功率因数校正的基本原理 3 2.1.1 功率因数校正3 2.1.2 功率因数校正的类型6 2.1.3 主动功率因数校正的工作模式6 2.2 拓扑结构 10 2.3 工作模式 11 2.4 芯片顶层设计 13 2.4.1 电源管理 13 2.4.2 导通时间控制 14 2.4.3 过零探测模块 15 2.4.4 电流检测模块 15 2.4.5 误差放大器 16 第三章 芯片的设计实现17 3.1 电源模块 17 3.1.1 欠压锁定17 3.1.2 电压源和参考电压17 带隙基准18 启动电路20 偏置电路20 电压源整体电路21 3.1.3 电流源22 3.2 过零检测电路 23 3.2.1 钳位电路23 3.2.2 过零检测整体电路 25 3.3 过流检测消隐电路 25 3.4 误差放大器 27 3.4.1 误差放大器核心电路 27 3.4.2 输出钳位电路 29 3.5 过温保护 29 3.6 芯片的整体电路和版图 31 第四章 系统级验证33 4.1 外围电路设计 33 4.1.1 启动电阻的选择33 4.1.2 输出滤波电容34 4.1.3 电感副线圈35 4.1.4 前馈控制35 4.1.5 功率元件38 4.2 完整的系统板 38 4.3 测试结果 39 4.3.1 芯片主要参数39 4.3.2 系统的主要参数40 第五章 结论43 参考文献44 发表论文和参加科研情况说明46 致 谢47 第一章 第一章 引言 PAGE PAGE 10 第一章 引言 1.1 LED 照明的基本需求 目前 LED 光源由于具有高效、超长寿命、绿色环保等特点，已经成为取代传 统白炽灯和荧光灯的主要选择[1]。基于 LED 本身的特性以及各国政府对新能源产 品的严苛要求，LED 电源的设计依然面临诸多挑战。其中高效率，高功率因数， 小尺寸和可靠性是主要的难点。具体讲体现在以下几个方面：由于总发光效率要 求及散热限制的影响，即使是低功率应用中能效也很重要；在许多情况下，较低 功率也要求功率因数校正和谐波处理；在空间受限应用中，特别是替代传统灯泡 应用时，对驱动电路功率密度的要求很高；总体电源可靠性是影响整个灯寿命的 一个重要因素；宽输入电源电压范围，能够适合全球的电源应该支持高达 277 Vac；兼容传统特定照明要如 TRIAC 调光等。另外，LED 通用照明还要符合仍在 不断演进的各国的标准及安全规范，如美国“能源之星”，欧盟的国际电工委员 会(IEC)和中国的国家标准化研究院（CNIS）要求。同时价格因素也是影响 LED 灯普及的主要因素。因此设计一款低成本集成功率因数校正的 LED 驱动芯片就十 分必要 1.2 功率因数校正的发展 开关电源由于具有诸多优点如：高效率、大功率密度、小体积等，这使得它 的应用十分广泛。但是传统的开关电源功率因数(Power Factor Correction,PFC) 很低，只有 0.6 左右[2]，而且其无功分量主要是高次谐波，比如三次，五次，七 次谐波的幅度占基频幅度的比例分别高达 95%,70%,45%。这成为它的致命弱点。 高次谐波会产生严重的 EMI 问题，对其他电子系统甚至电网产生恶劣的影响。特 别是从 20 世纪 90 年代起，随着计算机等的普及应用，可以说开关电源已经遍布 各个用电角落。也是从此时国际上开始了改善功率因数的深入研究。 由于中小功率的开关电源的应用更为广泛，也是对电网影响的主要部分。 1990年, 美国科罗拉多大学Erickson教授对原来的两级PFC电路改进提出了单级 PFC方法，可以适用中小功率的应用。其后，Richar d Redl 等人于1994年又提 出了单级隔离式功率因数校正的一系列新型变换器，日本学者提出了所谓的磁开 关电源等。目前对单级功率因数校正仍在持续深入研究，主要目标是简化控制、 提高效率、降低成本、提高集成度等。 LED照明取代白炽灯一旦普及其数量将是巨大的，因此前面提到各国对其电 源都有严格要求 1.3 论文组织结构 本文首先介绍了 LED 照明的基本需求：高效率，高功率因数，高可靠性和 安全性，以及功率因数校正的基本原理：被动和主动方式，简要比较了连续模式、 临界模式、非连续模式。第二章对 LED 驱动芯片的总体架构和实现原理进行了 详细的描述。本芯片采用电压控制的临界导通模式，开环控制，降压型结构，由 此实现了一种高功率因数、高效率、小尺寸的低成本 LED 驱动方案。第三章讲 解了主要功能模块的设计和仿真的结果：电源管理模块、时序控制模块、误差放 大、电流检测消