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1、厦门大学 硕士学位论文 白光照明LED驱动电路系统设计与研究 姓名：吴冬明 申请学位级别：硕士 专业：微电子与固体电子学 指导教师：李开航 20090601 摘要 摘要 随着节能和环保意识日益深入人心，白光L E D 这一绿色照明系统倍受人们的 关注。同时，随着白光L E D 制备技术的成熟发展，提供各种高效可靠的白光L E D 驱动电路是摆在人们面前的重要任务。为了满足对高亮度白光照明L E D 驱动电路 的需要，本文设计了一种以便于芯片集成的开关电源式驱动电路，并对其特性作 出系统的研究。 本文首先阐述了电感开关式L E D 驱动器系统的优点，接着按照室内通用照明 的应用要求对整个驱动系统
2、的核心模块进行子模块划分，其中重点设计了功率开 关器件和和开关栅极驱动模块电路。功率开关管L I G B T 设计过程中采用了渐变缓 冲层技术，能有效缓解由于曲率效应引起的“过早”击穿问题，在相同击穿电压 的情况下减小了开关管的版图面积，给出了开关管的结构和仿真参数。功率开关 栅极驱动电路包含了更基本的栅极驱动模块、电流控制模块、智能保护模块等。 电流控制电路采用过脉冲宽度调制( P w M ) 模式以实现恒流驱动方式。驱动芯片除 了振荡电路、带隙基准、误差放大器、P w M 比较器之外，还包括热迟滞关断、过 压和过流保护等控制模块。基于1 8 VB i - C M O S 工艺，给出各组成模
3、块的主要仿真 结果。 本文完成了一种白光L E D 驱动芯片的电路设计，对其特性进行系统分析，仿 真结果表明，各个功能模块能实现预期要求，该工作为下一步版图设计和将来的 流片打下良好基础。 关键字：L E D 电源变换器D C - D C 开关电源P w M A b s t r a c t U l t r a b r i g h t n e s sw h i t eL E D u s e da se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nl a m pi sap o t e n t i a l p r o d u c tc a nr e p l a
4、 c ec u r r e n tc o m p e t i t o r s T h ed r i v e ro fw h i t eL E D w i t hb e s te f f i c i e n c y , g o o dr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s ti si nn e e dt os a t i s f yt h es i g n i f i c a n ta m o u rm a r k e to f c o m m e r c i a la n dh o m ea p p l i c a t i o n T h e r ea r e
5、l a r g es c a l ep o w e rm a n a g e m e n tc h i pa S b o o s tt r a n s f o r m e ra p p l i e di np o r t a b l ee q u i p m e n ts u c ha sc e l lp h o n e ，l a p t o p S w i t c h m e t h o dp o w e rs u p p l ys y s t e mh a Sw o nt h el o wd r o p o u tr e g u l a t o ri ne f f i c i e n c
6、ya n d w i d ea p p l i c a t i o nr a n g e T h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h er e l a t e dc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tD C D Ct r a n s f o r m e rs y s t e m a n dd e s i g n st h et o pm o d u l ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fg e n e r a li l l u m i n a t i o
7、 n u s a g e T h es o l u t i o ni n c l u d e st w op a n s ，t h eo n ei ss w i s ht r a n s i s t o ra n dt h eo t h e ri s g a t ed r i v e rp a n s Av a r i e d b u f f e rl a y e ru n d e r t h ec o l l e c t o ri su s e dt or e l e a s et h e c u r v a t u r ee f f e c ta n ds t o ps w i t c h
8、f r o mb r e a k d o w ne a r l y I t p r e s e n t s s t r u c t u r e d i m e n s i o n sa n dd o p i n gp r o f i l e 嬲w e l la sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa f t e rs i m u l a t i o n u s i n gT C A Dt o o l s I nt h i st h e s i s ，D e s i g no fD C D Cc o n t r o ls y s t e mi st
9、h em o s ti m p o r t a n tw o r k T h i s s y s t e mm a k e su s eo fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt or e a l i z et h ec o n s t a n tc u r r e n to u t p u t T h ei n t e l l i g e n tm o d u l es a m p l e st h ec u r r e n ts i g n a lf r o mt h er e s i s t o rs e r i e dw i t hl o a d
10、 a n dc u r r e n tt h r o u g hp o w e rs w i t c h T h et o pm o d u l ec a nm o n i t o rt h et e m p e r a t u r ea n d o v e r v o i t a g e B a n d g a p ，E r r o ra m p l i f i e r , P W Mc o m p a r a t o r , t h e r m a ls h u t d o w nm o d u l e a r ei n c l u d e dt oc o m p l e t et h e
11、f u n c t i o nju s t 勰m yp r e d e f i n a t i o n A l lc i r c u i tc e l l d e s i g n e di nt h i sp a p e ra r es i m u l a t e db a s e do n0 3 5 I t m 18 Vh i g h v o l t a g et e c h n o l o g y a n dd e t a i l e dr e s u l t sa r ef o l l o w e d K e y w o r d s ：D C D C S M P SP W ML E D
12、p o w e rc o n v e r t e r I I 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写 课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作 特别声明。) 明人( 签名) ： 。少1 N 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人
13、民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， - T ： ( 日解密，解密后适用上述授权。 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文厘 是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密
14、委 员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为 公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人。签名，：拗t l 州年C 趴如 第一章绪论 第一章绪论 随着全球经济发展和生产水平的提高，人均年能源需求越来越大。以煤、石 油、天然气、核能等人类赖于生存的能源具有不可再生性，人类面临着空前的能 源危机。能源的大量消耗同时也造成了生态环境的急剧恶化。为了解决这些问题， 不仅要开发新的可替代清洁能源，还要大大提高能源的利用效率。人们日常消费 的能源中8 0 是电能，各种照明用电则是电能的重要组成部分，大约占全球1 9 的电力。众多照明产品中，白炽灯的光效仅有8 2 5 1 m w 1 ，开
15、发高效率的照 明产品则成了人类的共识，寿命长、高效率、高可靠性的白光L E D 将是未来最理 想的产品。M O C V D 技术使得白光L E D 器件设计制造技术有了重大突破。目前实验 室的白光L E D 发光效率已远远超过荧光灯，伴随着L E D 制造成本降低和光效的进 一步提高，白光L E D 取代荧光灯成为人类主要的照明工具这一趋势已经是毋庸置 疑了。 1 1L E D 照明市场概况及发展趋势 半导体光源以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、超长 寿、少维修等优势，成为全球最热门、最瞩目的光源，特别是L E D 的发光效率正 在大幅度提高，成为2 l 世纪普通照明领域最具
16、发展前景的高科技技术，发展L E D 照明成为全球产业的热点，表1 1 给出了白炽灯、荧光灯、节能型荧光灯和L E D 的发光效率和平均寿命的对比。 表1 1 各种灯具对比 参数白炽灯荧光灯节能型荧 L E D ( 4 0 W )( 3 6 W )光灯( I O W ) 发光效率( i m W ) 7 1 65 0 6 05 0 7 0 1 0 0 平均寿命( h )1 2 k2 1 2 k6 一- 8 k3 0 8 0 K 世界各国对L E D 的研发生产都极为重视。日本早在1 9 9 8 年就编制“2 1 世纪 计划”，针对新世纪照明用L E D 光源进行实用性研究。1 9 9 8 - - 2 0 0 2 年耗费5 0 亿 日元推行白光照明，2 0 0 6 年完成用白光L E D 照明替代5 0 的传统照明。近年来， 自光照明L E D 驱动电路系统设计与研究 日亚化工、丰田合成、S O N Y 、佳友电工等企业已有L E D 照明产品问世；美国2 0 0 0 年制定的“下
