毕业设计论文大功率LED恒流驱动电路的研究与设计

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1、苏州大学本科生毕业设计（论文）目 录摘 要IIIABSTRACT第一章 绪 论11.1 白光LED发展的背景和意义11.2大功率LED发光原理31.3 白光LED的发展简介31.4 课题介绍与研究意义5第二章 大功率LED驱动电路62.1 白光LED的伏安特性62.2 白光LED的连接方式72.2.1 串联驱动72.2.2 并联驱动82.2.3 混联驱动82.3 大功率LED驱动电路的发展趋势92.4 大功率LED驱动现状研究102.4.1 电阻限流电路102.4.2 线性控制电路112.4.3 电荷泵升压电路122.4.4 开关变换电路12第三章 脉宽调制型（PWM）开关电源原理143.1

2、电压控制模式143.2 电流控制模式17第四章 LED恒流驱动电路设计204.1 大功率LED驱动芯片的比较204.2 LT3755芯片介绍214.3 LT3755工作原理234.4 设计电路24第五章 总 结28参考文献29致 谢30大功率白光LED恒流驱动电路的研究与设计摘 要近年来，大功率白光LED因其高效、节能、环保、寿命长、高可靠性等优点逐渐在照明领域获得广泛应用，已经开始替代白炽灯、荧光灯等传统照明光源，成为21世纪的新一代照明光源。大功率白光LED产业的蓬勃发展有力地推动了LED驱动集成电路产业的前进，孕育着巨大的商机。论文在简要介绍大功率LED 的发光特性、伏安特性及其驱动方案

3、的基础上，详细分析了Buck拓扑结构、PWM调制型开关电源电流控制模式和电压控制模式的优缺点，提出了一种基于PWM调制型Buck模式开关电源恒流驱动电路原理，利用LT3755芯片驱动大功率白光LED的设计电路。该驱动电路具有1000:1高调光比（PWM调光）、低电流消耗、高效率、欠压保护、短路保护和开路LED保护等功能，适合驱动高亮度大电流LED。【关键词】：大功率LED、开关电源、PWM、恒流驱动、LT3755AbstractIn recent years，Semiconductor lighting is widely used and is gradually replacing the

4、 incandescent and fluorescent lighting due to its advantages over conventional lighting of high efficiency，low energy consumption，low pollution，long lifetime and high reliability. The boom of high power white LED greatly promotes the development of integrated circuits for driving LED，which generates

5、 the enormous business opportunities.The thesis briefly introduces the characteristics of luminous flux curve and I-V curve of high power LED and its driving methods. The operating principles of Buck converter for driving High Power LED are analyzed in detail. Compared with other driving mode, switc

6、hing power technology has high efficiency, so the thesis gives a LED buck mode driver using Chip LT3755 based on switching power technology. The driver in this paper is a high frequency step-down DC-DC converter with the features of low power loss, high efficiency, 1000:1 PWM dimming, short-circuit

7、protection, open-voltage protection, and is ideal for driving high current LED. Key words : high-power LED, Switching Power, PWM, constant-current driving，LT3755III第一章 绪 论在电光源发展的一百多年来，光源照明电器己经经历了三个重要的发展阶段，这三个阶段的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为大功率照明LED是第四代光源。1.1 白光LED发展的背景和意义进入二十一世纪，面对能源供应的日趋紧张和全球环境

8、的加速恶化，节约能源和保护环境已成为社会发展的共识。开发应用节能环保的工业产品已在人类社会各个行业展开。当前，照明用电约占世界总能耗的20%，而我国照明用电量每年在3000亿千瓦时以上，占总用电量的12%左右。照明用电量的猛增以及发电能源消耗的加剧，将使我国的供电势态和环境与生态保护的现状日益严峻。如果无限制地建设水力发电设施，将会破坏自然环境;如果不断增设火力发电站，又将更进一步恶化业已存在的能源危机。因此，可持续发展的科学观念要求，一是加强可再生能源的利用，加快太阳能、风能、核能等各种发电技术的发展；二是加速节能高效光源和灯具的研究、应用与发展。然而传统的照明光源，比如白炽灯、荧光灯、金属

9、卤化物灯等，能耗高且效率低下，浪费了大量电能。若能以耗能低、寿命长、环保安全的照明LED取代目前低效率、高耗电的传统照明光源，无疑将带来一场世界性的照明革命，对我国的可持续发展更具有战略意义。据统计，用照明LED取代全部白炽灯或部分荧光灯，我国每年就可节约1/3的照明用电量，这相当于节省一个三峡工程的年发电量，不仅可以缓解我国电能需求的紧张形势，还可以降低燃煤量（目前我国70%以上的发电量是依靠燃煤获得），减小对环境的污染1。LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的简称，照明LED主要是指白光LED。作为新一代照明光源，白光LED与传统照明光源相比，具有如下优势：(l)

10、 发光效率高：白炽灯、卤钨灯的光效为1224lm/W，荧光灯的光效为5070lm/W，钠灯的光效为90140lm/W，LED的光效经改良后可达50200lm/W，而且光的单色性好，光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。(2) 节能，耗电量少：在同样的照明效果下，LED的耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。据美国圣地牙哥国家实验室的Jeff Nelson博士称，全球的白炽灯和荧光灯都被白光LED取代的话，将节约38座核电站的发电量。 (3) 寿命长：研究资料表明，LED的平均寿命在10万小时左右，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。同时由于照明LED的结构特点，使得其本身没有易损的部件存

11、在，在水下等特殊环境中也可以稳定的工作。 (4) 体积小：可以做成各种形式的光源，例如点光源、面光源等。 (5) 高响应速度：照明LED的响应速度为纳秒级，而白炽灯的响应时间为毫秒级。 (6) 环保：照明LED废弃后易回收处理。荧光灯等废弃后会产生重金属汞不易处理的污染物。根据Strategies Unlimited提供的数据，到2012年，高亮度（HB）白光LED通用照明市场预计将超过50亿美元，对应从2009年到2012年的年复合增长率为28%。这仅仅是开始，因为随着LED在商业上更具经济效益，它们的高发光效率只会进一步加速推进从白炽灯、荧光灯和高压钠灯向高亮度白光LED转变的好处。白光L

12、ED的高效节能、绿色环保优点使得各个国家和地区投入了大量财力人力资源启动自己的半导体照明计划，如下表所示1：表1-1 各国半导体照明计划国家/地区立项时间项目名称项目预期目标预计效益日本1998年21世纪光计划到2006年，50%的照明光源被白光LED取代可减少12座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗欧洲2000年彩虹计划通过欧共体的补助金推广LED的应用应用半导体照明实现：高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光美国2000年国家半导体照明计划到2010，年55%的荧光灯和白炽灯被白光LED取代每年节约350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量，形成500亿美元的大产业

13、中国2003年国家半导体照明工程2006-2020年，投资50-100亿元发展半导体照明技术，形成自主知识产权，LED达到1502001m/W，15元/klm将建立半导体照明产业，全面进入通用照明市场，占有30% 50%的市场份额，实现节电30%以上，年照明节电1000亿千瓦时以上1.2 大功率LED发光原理 大功率LED是由III-IV族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N

14、区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光2。 理论和实践证明，光的峰值波长几与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即： (1-1)式中Eg的单位为电子伏特（eV )。若要产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光范围内），半导体材料的Eg应在3. 261. 63 eV之间。1.3 白光LED的发展简介1962年，在美国通用电器公司工作的博士Holon yak用化合物半导体材料磷砷化镓(GaAsP)研制出第一批发光二极管3。早期的LED只能发红、绿等单色光，且功率小，效率低，只适合于装饰灯、指示灯等应用场合。1996年，日亚公司首先采用InGaN蓝光芯片加Y

15、AG（钇铝石榴石）黄色荧光粉的方法制成白光LED，此后白色LED得到迅速发展，人们通过各种办法获得了白光LED，开启了LED迈入照明市场的序幕。表1-3列出了目前产生白光LED的主要方法4。从理论和技术的发展分析，白光LED的光效可以达到283lm/W。但是早期的白光LED发光效率低，低于白炽灯和荧光灯的发光效率（白炽灯的发光效率为161m/W，40W荧光灯的发光效率601m/W， 60W荧光灯的发光效率为100lm/W )5。此后由于材料、封装等技术进步，目前商业LED的发光效率水平已超过150lm/W，实验室最新成果达到208lm/W。在大功率LED照明技术方面，美国在LED照明的产业技术

16、开发上一直处于领先地位。由Philips Lighting和Agilent（原HP）于1998年合资兴办的Lumileds是一家致力于功率型白光LED生产，封装研究和开发的公司。该公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。日本在大功率白光LED的研制方面一直处于世界前列。日亚公司由于在InGaN LED技术和生产白色LED的荧光粉材料上拥有多项专利，在InGaN白色LED芯片供应上一直占有优势地位，目前其研制的LED的效率约为30401m/W。2003年8月，松下电工开发出亮度达到300lm的白光照明灯具，相当于40W白炽灯的亮度，并于2004年春季开始了商品化销售。日亚化学工业从200

17、6年6月开始提供发光效率为100lm/W的白色LED样品，并已开始量产。表1-2 产生白光的LED的主要方案芯片数激光源发光材料发光原理1蓝色LEDInGaN/荧光粉InGaN的蓝光与荧光粉的黄光混合成白光蓝色LEDInGaN/荧光粉InGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光紫外LEDInGaN/荧光粉InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光2蓝色LEDInGaNGaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED黄绿LED3蓝色LEDInGaNAIInGaP将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED绿色LED红色LED3个以上多种色光LEDInGaNAIInGaPGaPN将

18、遍布可见光区的多种色光芯片封装在一起构成白光LED随着技术进步、亮度提升，高亮度白光LED正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明市场。根据Frost&Sullivan的统计，当前全球照明市场的年均成长率约为5.5 % ，2000年市场规模达45亿美元。若以每年白光LED发光效率平均成长60%的速度开发下去，要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源并非不可能。目前Lumileds、日亚化工、丰田合成、住友电工等业者都已有较为成熟的照明产品问世，只是价格与常规灯泡相比仍有很大的差距。预计未来10年内，高亮度LED对全球照明工业将造成巨大的冲击。正因为此，各界都对白光LED寄以厚望，LED也享有“绿

19、色照明光源”之称。1.4 课题介绍与研究意义随着LED光效及总体发光量的不断提高，大功率LED照明在普通照明方面的市场也得到不断拓展，相应的电源驱动产品也随市场的升温如雨后春笋般萌发。本课题研究的是大功率照明LED开关电源的技术，现在处于一个新兴的热潮中。具体设计时，首先阐述了的开关电源Buck拓扑的基本工作原理，详细分析了PWM调制型开关电源电流控制模式和电压控制模式的优缺点；然后结合大功率LED照明的应用特点，采用LT3755芯片，设计了一款PWM调制的电流控制模式的驱动电路，并初步分析了其工作过程。本设计的输入电压范围为15V至40V，具有低电流消耗、高效率、短路保护和开路LED保护等功

20、能。效率高达90%以上，可以把整个驱动电路集成在紧凑的IC板上，减轻了对散热问题的担忧。整个设计在照明领域具有很大的应用前景。可用于工业、汽车、民用照明等方面，具有很大的市场应用前景。第二章 大功率LED驱动电路2.1 白光LED的伏安特性LED驱动电路就是能为LED的正常工作提供所需的电压和电流的电路。要了解LED驱动电路的工作特性，就必须先了解LED的电学特性。图2-1 不同白光LED的电流电压特性之间的差异性图2-1所示的是不同白光LED之间，甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED之间的正向电流电压特性的差异6。图中横坐标为通过不同LED的正向电流，纵坐标为对应的外加正向电压。可以看出，

21、在恒定电压的驱动下，不同LED上流经的正向电流大小不同，由于LED的发光亮度主要受其驱动电流的影响，从而导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示。而且，LED正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起LED电流的很大变化，从而导致出射光光强的变化。再如下图2-2 (a) 所示7，为美国Lumileds Lighting公司一种超高亮LED白光LED (HPWA-xH00)在常温 (25) 下，光通量与其正向电流IF的关系曲线。从该图中可以看出，LED的发光亮度与正向平均电流大小基本上成正比关系，因此可以通过控制LED的正向电流IF来控制其发光亮度。图2-2(b)给出了该大功率LED在常温下(25

22、)的I-V曲线，从图中可以看出通过控制其正向电压VF就可以控制其正向电流IF，从而控制其发光亮度。在正向电压值小于某一值(阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，从而使LED发光。但如果采用恒压源驱动，VF的微小变化就会引起IF的较大变化，从而会引起LED发光亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动8。图2-2 HPWA-xH00在常温下的光通量与IF曲线以及I-V曲线关系2.2 白光LED的连接方式白光LED的连接方式有串联、并联、混联三种，如图2-3所示。下文分析

23、了各种连接方式的优缺点以及其各自的应用场合。2.2.1 串联驱动 串联驱动保证流过每个LED的电流相等，而LED的发光亮度和其导通电流呈正比关系，所以采用此种驱动方式可以使LED发光亮度均匀，适合对发光亮度的匹配性要求高的场合。串联驱动的不足是其需要较高的驱动电压，所以需要升压电路将电源电压抬升或者直接的高电源电压，而高的电源电压往往要求芯片采用耐高压工艺制造，如BCD工艺。另外，如果一个LED断开，则整个LED串就熄灭。当采用恒定电压驱动时，如果某个LED短路，则余下的LED的正向压降会增加，致使电流增大，可能会烧毁LED灯和电路。当然，采用恒定电流驱动时不会存在上述问题。2.2.2 并联驱

24、动并联驱动的优点是只需要低的电源电压就可以驱动多个LED，其要求驱动电路能提供大的驱动电流。由前述知LED正向导通压降存在一定差异，所以并联驱动的最大不足是流过每个LED的电流不相等，致使LED的亮度不匹配。当并联LED采用恒流驱动的方式时，如果某个LED灯断开，则会使余下LED流过的驱动电流增大，导致可能损坏所有的LED 。图2-3 白光LED的连接方式2.2.3 混联驱动 当要驱动的LED数量很多时，若采用串联驱动，则会要求很高的电源电压;若采用并联驱动，则会要求很大的负载驱动电流，所以就出现了混联驱动。混联驱动是串/并联两种方式的综合，适合于驱动大量LED的场合。当然，以上分类并没有绝对

25、的优劣之分，还要看实际的应用场合。例如对于作为手持设备背光用的LED驱动电路，要求驱动电路的结构简单，封装较小，以实现小型化，而驱动方式上，多采用并联驱动。对于照明用白光LED的驱动电路，要求有较大的驱动电流，较好的光匹配度，因此多采用串连驱动。2.3 大功率LED驱动电路的发展趋势随着大功率LED在灯光装饰和照明中的普遍应用，功率型LED驱动显得越来越重要。用市电驱动大功率LED需要解决降压和恒流问题，还要有比较高的转换效率，有较小的体积，长时间工作，较低的成本，电磁干扰和功率因素等问题9。(1) 驱动器需要适合LED的工作特性大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过LED

26、的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。如深圳天下明公司开发的T220C350W系列产品，其电流脉冲的频率和占空比可以调整，该驱动器提供恒定的电流充分可控，所以可以根据LED的性能调节最大流过LED的电流，使得LED的发光量增加。由于采用脉冲供电，LED处于间歇工作的状态，延长了大功率LED的使用寿命。另外，该驱动器是高频工作，充分利用了LED内荧光粉的余辉效应，不但不会有光的闪烁现象，还进一步提高了LED的发光效率。(2) 体积小型化随着LED的进一步发展，向照明领域的

27、不断进军，向民用市场的逐渐普及。大功率LED电源设计的小型化发展是一个必然的趋势，这对LED驱动器提出了新的课题。(3) 多功能保护LED在电流过强时，引起LED衰减，导致LED的寿命缩短。恒定的电流在LED照明中极其重要，这就需要驱动器提供过流保护功能。良好的LED的驱动器保护功能是必不可少的，如过流保护、过温保护、短路保护、安全保护等。(4) 功率因素功率因数是加在负载上的电压和电流波形之间的相角余弦（若电压波形与电流波形的相角差为，则cos便是电源的功率因数）。当加在负载上的电压和电流波形相位一致时(即相角差=0)，则功率因数cos=1是理想的情况；当加在负载上的电压和电流波形相角差为9

28、0时（即=90），则功率因数等于零（处于最小值）；通常，电源的功率因数处于0到1之间，即0cos1，可用百分数表示。加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低，即产生所要求的电力需要输入更大的电力。导致的另外一个结果而且是更严重的后果，那就是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线（电网），造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患。同时，这种高次谐波也会扰乱控制系统里的敏感低压电路。随着节能理念的深入人心，大功率LED的发展日趋成熟，“功率因素”的指标也被LED电源驱动行业提上议题，交流系统里实际功率等于视在功率乘以功率因素。(5) 长寿命对

29、于大功率LED要进入普通照明领域，和其匹配的驱动电源同样面临着长寿命的要求，已经成为制约LED发展的一个瓶颈问题，各大驱动电源厂商也都意识到这一点，更是LED应用厂商更加关注的一点，它将决定LED整体节能高效的性能能否真正实现。2.4 大功率LED驱动现状研究大功率LED恒流驱动常用方法有电阻限流、线性控制调节、电荷泵升压、开关变换器控制等。下面对现有的各种控制方法进行简要的介绍10-15。2.4.1 电阻限流电路这类应用的原理图如图2-4所示，电阻限流电路控制方式是根据LED的I-V曲线来确定预期正向电流所需要的电压，过一个串联电阻来控制LED的电流。一般根据LED参数和发光强度，可以得到L

30、ED的直流电流，从而可知LED两端的电压，限流电阻值： （2-1）式中：Vin为电路的输入电压；IF为IED的正向电流；VF为LED在正向电流为IF时的压降；VD为防反二极管的压降(可选)。图2-4 电阻限流电路这个应用方案简单易行，只需要一个限流电阻就可以控制LED的光强，但存在不少的缺点:输入电压的微小变化都会导致LED电流的变化，从而影响光通量输出；限流电阻上会消耗大量的功率而使得整个系统效率不高；当这种调光方式在对白光LED灯进行亮度调节时，会使LED发出的白光颜色发生偏移，不利于把这种控制方式用于日常照明系统，所以这种方式多用在对光色要求不高的情况。2.4.2 线性控制电路 与电阻限

31、流法相比，线性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:线性控制是把工作于线性区的功率管等效为一个动态电阻，通过负反馈系统调节功率管的阻值大小使得流过LED的电流维持在一个恒定的值。但是由于功率管工作在线性区，消耗了较多的功率，系统的效率不高。线性调节器可以分为并联型和串联型两种。图2-5 并联型线性控制器和串联型线性控制器 并联型线性调节器又称为分流调节器。它采用功率管与LED并联，分流掉负载的一部分电流。与电阻限流电路相似，分流调节器也同样需要串联一个限流电阻Rload，如图1-8 (a)所示。当输入电压增大时，流过LED上的电流增加，反馈电压增大使得功率管Q1的动态电阻减小，流过Q1

32、的电流将会增大，这样就增大了限流电阻Rload上的压降，从而使得LED上的电流和电压保持恒定。分流调节器同样由于串入了限流电阻，系统的效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒流输出。串联型调节器是采用功率管与LED串联，当输入电压增大时，使功率管的动态电阻增大，从而使得功率管上的压降增大，以保持LED上的电压(电流)恒定，如图1-8(b）所示。这种控制方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻，使得系统的效率较高。但是由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此输入的最小电压必需大于功率管的饱和电压与负载电压之和，使得整个电路的电压调节范围受限。2.4.3

33、电荷泵升压电路电荷泵升压电路（图2-6）又称为开关电容升压控制器。它利用分立电容将电能从输入端传送到输出端，整个电路不需要任何的电感。电荷泵变换器设计比较简单，只需根据元件规格来挑选适合的电容。但它的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，大多数充电泵电路的输出电压增益为输入电压的1，3/2，或2倍。若要驱动多个LED时，必须采用并联驱动方式。此时为了防止并联支路上电流分配不均，每条并联支路上必须使用镇流电阻，这样会消耗大量的功率，整个系统的效率就会降低。图2-6 电荷泵升压电路2.4.4 开关变换电路开关电源电路通过调节开关功率管的通断比可以调节输出电压的大小，理论上将功率管的损耗降低为0V。

34、开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适用于大功率LED的亮度控制。与传统的电压型Buck, Boost, Buck-Boost变换器不同的是大功率LED的驱动电路的反馈量是流过LED的电流信号而不是输出电压信号，以此来满足LED的恒流驱动要求。采用Buck拓扑可以实现低于输入电源电压的输出。这是一种定周期、定时刻导通的控制方式，通过控制LED的峰值电流来调节LED的亮度，整个控制电路结构比较简单。采用Boost可以实现高于输入电源电压的输出幅值。与电荷泵电路不同的是Boost理论上的升压增益可以无穷大，所以在连接多个LED方式时可以采用串联方式，保证了每个LED的发光亮度都相同，并且

35、限流电阻也只需要一个，有效的提高了整个系统的效率，可以说是所有驱动电路中效率最高的。不过与电荷泵升压电路相比，需要电感元件，增加了系统的成本和体积。与传统的Buck-Boost变换器相比，用于大功率LED驱动的Buck-Boost型变换器电路是将开关管移至输入电压的负端，从而使得开关管的驱动更加简单。通过控制LED的峰值电流及其导通占空比，来调节LED的平均电流，以达到LED亮度调节的目的。图2-7 Buck、Boost、Buck-Boost型大功率LED驱动电路第三章 脉宽调制型（PWM）开关电源原理脉冲宽度调制方式（PWM），其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占空比，从而实现对能

36、量向负载传递的控制，称之为“定频调宽”。本章将介绍降压型脉宽调制型（PWM）开关电源DC/DC变换器Buck拓扑的基本结构，Buck结构的变换原理和控制方式。开关电源DC/DC变换器从控制模式上可以分为两类，电压控制模式（Voltage Control Mode）和电流控制模式（Current Control Mode）。下面分别介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点161718。3.1 电压控制模式取代线性变换器的开关型变换器早在20世纪60年代就开始应用。它将快速通断的晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。降压型的电压模式开关电源Buck变换器的原理图如图

37、3-1所示。其中开关器件Q1与直流输入电压VDC直接相连。在每个周期T内，Q1导通时间为Ton。在Q1导通时，V1点电压为VDC（设Q1导通时两端的电压降为零）。Q1关断时V1点的电压迅速下降为0V(假设续流二极管D1的两端的电压降也为零)，则V1点的电压波形为矩形波，如图3-2所示，Ton时的电压为VDC，其余时间电压为零，则V1点一个周期内的平均电压直流值为VDC*Ton/T。LC滤波器接在V1和Vo之间它使输出点Vo成为幅值等于V DC*Ton/T的无尖锋无纹波的直流电压。图3-1电压模式开关电源Buck拓扑的原理图其逻辑关系是，当VDC上升时，则Vo上升，误差放大器输出电压Vea下降，

38、锯齿波高于Vea的时间提前，也就是Q1导通时间Ton缩短，使得Vo =V DC *Ton/T保持不变；同理，如果VDC下降，则Q1导通时间Ton延长，最终的结果也保证Vo不变。由此可以总结出，无论输入电压VDC如何波动，电压控制系统都会改变Q1的导通时间Ton，使得最终的输出电压维持在Vo =Vref(1+R2/R1)。下面就详细的分析一下整个电路的工作过程和波形变化，假设输出为Vo。图3-2 Buck变换器连续工作模式下各节点波形 在每个周期开始时，电感L上的初始电流为I1，Q1由控制信号驱动后导通，二极管反偏截止，加在L上的电压的大小为VDC-Vo，由于电感两端的电压恒定，所以流过电感的电

39、流线性上升到I2，其斜率为。当控制信号使Q1关断时，由于电感的电流不能突变，所以电感两端电压极性迅速颠倒，二极管导通续流，这种电压极性颠倒的现象称为电感反冲。如果没有接二极管D1，则V1点的电位会变得很负以保持电感L上的电流方向不变，这会让Q1两端的电压差过大而损坏开关，接上二极管后，实际V1点的电压被箝位于比地低一个二极管导通压降。电感两端的电压极性反转后，电感中的电流线性下降，其斜率为。Q1关断结束后，电感上的电流降低到I1。当Q1再次导通时，D1的电流减少，Q1上的电流迅速增加并取代了二极管的D1正向电流直到D1上的电流为零，D1再次反偏，V1恢复到VDC，电感的电流开始重复前一个周期的

40、变化过程。在整个周期内，电感的电流会有I2-I1的上下波动，输出电流Io的大小就是。虽然Io会根据负载的变化而变化，但是整个电感电流上升和下降的斜率却和负载无关16。以上讨论的Buck变换器的工作过程是基于稳定工作时电感上的电流在下降的过程中没有下降到0，也就是I10，我们称这种模式为连续工作模式，如图3-2中所示。如果电感上的电流在下降的过程中下降至零，也就是在电感上的储能被完全释放，我们称这种工作模式为不连续模式，如图3-3所示。图3-3 不连续工作模式下的电流波形图不连续工作模式输出电压和输入电压的关系推导如下。在一个周期T内，当Q1开启时，电流从0开始增加，则直到Q1关断时电感电流为，

41、Q1关断期间Toff，假设经过Tr时间（也就是二极管D1导通得时间）后电感中的能量完全释放供给负载，为保证L的电流在Q1下次导通之前已经下降到0，则。因电感电流上升和下降的绝对值相等，则，化简得。从控制理论的角度分析，电压模式控制在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制系统。电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统方能稳定的动作，开关电源的电流流经电感，对电压信号有90度的相位延迟。因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大

42、信号时产生振荡，从而损坏功率器件。电压控制模式的优点是：（1）单环反馈的设计和分析比较容易进行；（2）锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余度；（3）低阻抗功率输出，对多输出电源具有较好的交互调节特性。电压控制模式的缺点是：（1）动态响应速度较慢；（2）输出滤波对控制环增加了两个极点，这就需要一个零点补偿；（3）由于环路增益随输入电压而变化，使得补偿变得更加复杂化。3.2 电流控制模式针对电压控制模式的缺点，最近十几年发展起来了电流控制模式技术。电流控制模式可以分为峰值电流模式控制（PCM: Peak Current Mode）和平均电流模式控制（ACM: Average Curr

43、ent Mode），ACM是在PCM的基础上发展起来的，通常情况下电流控制模式所说的就是峰值电流控制模式。电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关电源变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90度相位滞后，从而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控制系统，可以实现最小的动态响应的误差平方积分指标。因此，在PWM中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的。图3-4 为PWM峰值电流控制模式的原理框图。与电压控制模式不同的是，电流控制

44、模式的PWM电压比较器的输入由电压控制模式中的锯齿波信号换成了对电感电流采样值转换成的电压Vs，比较器的另一端仍然是输出电压采样值与参考基准的误差放大值。每个周期开始时，时钟信号控制将开关开启，流过开关和电感的电流增大，当电流增大到Vs超过Vea时，触发器R端置高电位，开关被关断。如果VDC增大，则开关导通时Vs上升速度加快，Vs超过Vea所需要的时间缩短，于是Ton被缩短；反之VDC减小，则Vs超过Vea让PWM控制信号翻转所需时间更长，增加了Ton维持对负载提供的能量大小。由此可总结出，无论输入电压VDC如何波动，电流控制模式同样也能通过改变开关的导通时间Ton（也就是改变了占空比），使得

45、最终的输出电压维持在Vo =Vref(1+R2 /R1)。从图3-4上观察可以发现，与电压模式控制单一闭环相比，电流控制模式是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每个开关周期内上升，直到达到电压外环设定的误差电压阈值，电流内环是瞬时快速地对每个周期的脉冲电流采样，检测输出电感的电流动态变化，电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压控制模式大得多的带宽，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流型控制比电压型控制有许多优点，归纳起来主要有以下几点。图3-4 PWM峰值电流型控制原理框图(1) 对输入电压变化的响应快。这可直观的从电路的工作

46、原理中分析出来：电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉冲幅值达到预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。而在电压控制模式电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要等到输出电压发生一定的变化后才会调节脉冲宽度。一般电压控制模式要510个周期才能响应输入电压的变化。(2) 过流保护和可并联性。在电流控制型DC/DC变换器中，由于内环采用了直接的电感电流峰值限制，可以及时准确地检测功率开关管和电感上的瞬态电流，自然形成了对每个周期内峰值电流脉冲检测电路。只要给定或者限制参考电流，

47、就可以准确地限制流过功率开关管和电感中的最大电流，也可以有效地克服输入电压浪涌产生很大地尖峰电流从而损坏功率开关管等这类故障诱因。同时，在设计开关电源时不必给开关管的最大电流限制和电感最大储能留有较大的余度，在保证可靠工作的前提下，尽可能的降低了成本。由于电流控制模式特有的电流限制能力，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以有多台开关电源之间并联均流，这在当今电源规格要求繁多，电子设备整机可靠性要求提高的形式下，为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。(3) 回路稳定性好，负载响应

48、快。电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电流源，而电流源的大小就反映了电源输出电压的大小，这是因为电感中电流的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。在本章的前面部分已经比较详细的介绍了Buck电路的两种控制方式以及特点，因为电流控制模式具有良好的控制特性，所以电流模式控制LED的驱动方式是较为理想的选择。但是电流控制模式并不是完美无缺的，依旧存在两个比较大的缺点：平均电流非恒定及电流扰动。第四章 LED恒流驱动电路设计4.1 大功率LED驱动芯片的比较使用LED的新型照明设计一般都比白炽灯设计昂贵，所以从长远来看，必须用更高效率的发光来极大地降低耗电成本。 为了

49、确保最佳性能和长工作寿命，LED需要一个有效的驱动电路。无论输入电压如何变化，LED驱动器都要向LED串提供恒定电流，以保持恒定光输出和颜色不变。出于这个原因，常常需要恒定频率、电流模式LED驱动器拓扑。与电压模式控制相比，电流模式控制改善了环路动态特性并提供逐周期限流，从而向LED提供恒定电流。同时，LED驱动器必须提供高于90%的效率，以最大限度减少对外部散热器的需求并保持照明系统的高效率。表4-1所列为当前主要大功率LED驱动控制芯片性能比较，在应用大功率LED驱动控制芯片时，可以依据不同的应用场合进行选择：1)当需要较高功率时可选择功率器件没有集成在芯片内的控制器，这样就可以按照实际的

50、功率需求单独选择功率器件；2)当需要较高的变换效率时，如便携式设备等，可选择开关电源类的驱动电路；3)当应用于可靠性高的设备中，可选择有温度保护、故障报警等控制功能全面的芯片。 表4-1 当前大功率LED主要驱动芯片比较产品型号MLX10801TLE4242GPT4115LT3755LM3423AMC7150AD8240生产公司MelexisInfineonPowTechLinearNSADDtekAnalog恒流输出YYYYYYNPWM调光YYYYYYY输入电压/V6284.5428304.5404.57544012.527最大输出电流 /A0.40.5111!0.5温度保护YYYNNNN开

51、关电源YNYYYNN功率器件在片内YYYNNYN故障检测NYYYYNN综合考虑设计简单、低电流消耗、高效率、短路保护、开路LED保护和高调光比（PWM调光）等要求，本设计采样LT3755 LED驱动芯片。4.5V至40V的输入电压范围使其适用于多种应用，如汽车等蓄电池供电、太阳能供电、工业和建筑照明。LT3755 使用外部N沟道MOSFET，可以用12V的输入驱动多达14个1A的白光LED，提供超过50W的功率。4.2 LT3755芯片介绍凌力尔特公司(Linear Technology Corporation) DC/DC 转换器 LT3755，该器件专为驱动大电流 LED而设计。该器件具高

52、压侧电流检测，能够用在升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑中。频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz范围内对频率编程，从而优化了效率，同时最大限度地减小外部组件的尺寸并降低成本。LT3755采用3mm x 3mmQFN封装，可组成非常紧凑的50W LED 驱动器解决方案。 LT3755采用True Color PWM TM调光，以高达3000:1的调光范围，实现恒定 LED色彩。就要求不那么苛刻的调光需求而言，CTRL引脚可以用来提供10:1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构允许在宽电源和输出电压范围内稳定工作。FB 引脚上以地为基准的电压，可以用作几项LED保护功能的输

53、入，使该转换器可以作为恒定电压源工作。 LT3755的结构框图如下：具有16个引脚：VREF：参考电压输出引脚，通常为2V。这个引脚可以通过一个电阻分压器驱动CTRL引脚。可以提供高达100A的电流。PWM：开关使能、模拟和PWM调光端。 PWMOUT引脚连接着PWM引脚。PWM有一个内部下拉电阻。如果不使用，则连接到INTVCC引脚。 ：该引脚需要一个外部上拉电阻。当PWM输入为低电平、DC/DC转换器处于空闲状态时，引脚锁存上一次PWM输入为高电平时的有效状态。当PWM输入再次为高电平时，引脚将被更新。该引脚可用于报告LED的开路故障。 SS：软启动引脚。该引脚用于调节振荡器频率和补偿引脚

54、VC的电压。软启动间隔由一个外部电容器设置。该引脚有一个10A（典型）的上拉电流源。在欠压条件（检测引脚）或限热条件下，SS引脚复位到GND。 RT：开关频率调节引脚。使用接地电阻设置频率。不能让RT引脚开路。 ：关闭和欠压检测引脚。INTVCC：为内部负载、栅极驱动和PWMOUT驱动提供稳压电源。由VIN供应，调节至7V（典型值）。必须连接一个4.7F的旁路电容。如果VIN总是小于或等于7V，INTVCC直接与VIN 相连。VIN：输入电源引脚。必须连接一个0.22F（或更大）的旁路电容。 SENSE：控制回路的电流检测引脚。此引脚与开关电流检测电阻，RSENSE的一端与NFET的源极相连。

55、检测电阻另一端连接到GND。 图4-2 LT3755结构框图GATE：N沟道FET的栅极驱动输出引脚。PWMOUT： PWM信号的缓冲输出。该引脚还具有FB过压条件下的保护功能。 FB：电压回路反馈引脚。 FB用于恒定电压调节和LED开路检测。通过DC/DC转换器，内部跨导放大器调节FB至1.25V（额定）。 ISN：与电流反馈电阻负端连接。输入偏置电流典型值为20A。 3V以下时，ISN通过置GATE为0V来达到短路电流保护。 ISP：与电流反馈电阻正端连接。该管脚输入偏置电流典型值为30A。小于3.1V时，ISP具有短路电流保护功能。 VC：跨导误差放大输出引脚，用于稳定与一个带有RC网络

56、的电压回路。当PWM为低电平时，该引脚为高阻抗，为下一个PWM电平状态储存需要的电流。该引脚与GND之间通过一个电容相连，一个电阻与电容串联提供快速瞬态响应。 CTRL：电流检测门限调整引脚。调节VISP - VISN阈值。CTRL线性范围从GND到1.1V。不要让这个引脚开路。 Exposed Pad：散热端，内部接地。4.3 LT3755工作原理LT3755是一个恒定频率、电流模式控制器。由INTVCC提供的内部调节的7V电源来驱动一个低压侧外部N沟道MOSFET、GATE引脚以及PWMOUT引脚。正常工作条件下，PWM引脚为低电平时，GATE和PWMOUT引脚输出电压为0V，VC引脚输出

57、高阻抗，通过外部补偿电容来存储先前的开关状态，ISP和ISN引脚偏置电流降低到泄漏电流水平以下。当PWM引脚变为高电平时， PWMOUT经过短暂的延迟后输出高电平。同时内部振荡器开始工作，打开外部功率MOSFET开关（栅极变高）。和开关电流成比例的采样电压（通过检测外部SENSE和GND输入引脚之间的电流检测电阻），与一个稳定的斜率补偿电压之和，作为“开关电流检测”信号反馈到PWM比较器的正极。在开关打开的时间内外部电感上的电流稳定增加。当开关电流检测电压超过了误差放大器的输入（VC）时，锁存器复位并且开关关闭。在关闭阶段，电感电流下降。在每个振荡周期结束时，诸如斜率补偿等内部信号返回他们的初

58、始值，然后等待新的周期。通过这种周期循环，控制开关的导通时间，以调节负载的电流或电压。VC是ISP和ISN之间的电压的放大信号，而基准差异电压由CTRL引脚设置。在这种方式下，误差放大器通过设置基准的峰值开关电流大小来调节LED电流。如果误差放大器输出增加，开关需要更大的电流，如果减少，需要的电流将减少。在导通阶段SENSE引脚监测开关电流，并且该引脚电压不能超过100mV的电流限制阈值（典型值）。如果SENSE引脚超过电流限制阈值时，无论PWM比较器输出状态如何，SR锁存器复位。同样，ISP /ISN共模电压低于3V时，监测ISP和ISN之间的差异，以确定是否输出短路。如果ISP和ISN之间

59、的电压差大于150mV（典型值），SR锁存器被复位。这些功能是为了保护电源开关以及DC/DC转换器电源路径中的各种外部元件。电压反馈模式工作原理与上述电流模式类似，除了VC引脚的电压（此处为内部基准电压源1.25V（额定）和FB引脚的电压差放大值）。如果FB引脚电压比内部基准电压低，开关电流将增加，反之，如果FB引脚电压比基准电压高，开关电流将减少。LED电流检测反馈与FB电压反馈共同作用，使FB引脚电压不超过内部电压阈值，并且ISP和ISN引脚之间的电压不会超过CTRL引脚设置的电压阈值。若要完全关闭电压回路，可将FB连接到GND。若要完全关闭LED电流回路，则将ISP和ISN引脚连接在一起

60、，并且CTRL引脚连接到VREL。LT3755电压反馈引脚FB具有两个具体的控制功能。首先，当FB引脚电压减少量达到50mV以下（FB阈值电压（1.25V）的-4%）时，引脚下拉驱动程序被激活。此功能提供了一个状态指示（显示负载可能被断开），恒定电压反馈回路开始控制开关稳压器。当FB引脚电压增加量超过60mV以上（FB阈值电压的5%）时，不管PWM输入状态如何，PWMOUT引脚驱动输出低电平信号。在PWMOUT引脚驱动一个断开NFET情况下，LED负载与GND断开，以达到过电流保护的功能。如果FB引脚电压输入超过LED开路电压和过压（OV）电压阈值，引脚将无效并被锁定，直到FB引脚电压下降到这

61、两个阈值以下。 4.4 设计电路与白炽灯、荧光灯和高压钠灯首选的高压AC电源不同，LED一般使用电压低得多的DC电压源，根据应用和LED配置的不同，电压范围一般从仅为8V72V。驱动电路要求以在宽范围内变动的电池电压作为工作电源时，能够提供恒定和受控的LED电流。本设计采用PWM模式Buck型开关电源，输入电压为15-40V，输出电流为恒定的1.4A，驱动一串大功率白光LED，具有1000:1的恒定彩色条件下的高调光比（PWM调光）、低电流消耗、高效率、短路保护和开路LED保护等功能。电路原理图如下：图4-3 设计电路原理图通过外部电流采样电阻来设定LED的峰值电流，LED的峰值电流由连接在I

62、SP和ISN引脚之间的电流采样电阻决定。CTRL引脚与VREL引脚相连，稳定工作时ISP和ISN引脚之间的电压差为100mV，所以通过LED的正向电流为： (4-1)引脚用来关闭整个驱动电路，当该引脚电压下降到1.25V以下时，即 (4-2)驱动电路关闭。当输入电压上升到 (4-3)时，驱动电路重新启动，达到欠压保护功能。2uA和20mV为该引脚的静态电流和电压。ISP和ISN引脚之间连接一个采样电阻，如果ISN共模电压低于3V时，或者ISP和ISN之间的电压差大于150mV，SR锁存器被复位，驱动电路关闭。实现短路保护功能，保护电路中的功率元件。SS引脚通过一个外部电容与地相连，使得启动时SS端电压缓慢上升，这样LED的电流也缓慢上升，从而实现软启动。软启动的时间和外接电容的关系为： (4-4)软启动电容的典型值为0.01uF。在LED的