高效率软开关式DC/DC LED集成电路驱动器研究

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LED作为新一代照明光源,由于其所具有的节能高效,使用寿命长,绿色环保等优势,被广泛地应用在通用照明,汽车及工业照明等多种照明领域。LED优势的发挥离不开性能良好的驱动电路与之相配合,作为整个照明系统的“心脏”,LED驱动扮演着十分关键的角色。当今LED驱动技术的发展趋势主要集中在高转换效率,体积小型化,调光功能灵活,高可靠性等几个方面。但目前LED驱动主要采用硬开关的控制方式,其虽然控制方式较为简单,但是由于功率管硬开启所带来的开关损耗大,dv/dt噪声高等缺点限制了驱动各项性能的进一步提升。基于以上研究背景,本文针对高亮LED照明应用设计了一种高效率软开关式LED驱动芯片,其以BUCK电路作为基本拓扑,采用迟滞电流控制调节LED平均电流,利用功率电感和开关节点寄生电容谐振的方式实现功率开关的软开启,降低了驱动的开关损耗和dv/dt噪声,提高了电路的工作效率和可靠性。同时开关损耗的降低使电路可以工作在更高的频率下,有助于实现电源体积的小型化;且提出的软开关实现方式不需要片外辅助元件,降低了芯片应用时的成本。此外,本文在软开关控制的基础上,提出了一种自适应低端功率管关断时间控制电路,其可根据电路工作状态对低端功率管关断的时间进行自适应控制,以提高开关节点电压的谐振峰值,保证了驱动电路占空比较小时(D<0.5),同样实现电路的软开关,进一步优化了轻载下由于开关损耗占比较大而导致效率明显下降的问题。最后,本文还提出了一种快速响应PWM调光控制电路,其克服了传统LED驱动在进行PWM调光时由于输出滤波电容的存在导致调光输出响应速度慢的问题,有效缩短了LED在调光时的电流建立时间,使得PWM调光信号能够更加精确地控制LED的发光亮度,提升了驱动的调光表现。本文所设计的LED驱动基于华虹宏力(HHGrace)公司提供的0.18μm 30V BCD工艺设计实现,所设计的LED驱动在工作电压为6-30 V,LED负载在1-9个变化时,稳定输出电流350 m A,电路最高工作频率1.7 MHz,峰值效率高达94.3%。同传统硬开关控制方式相比,驱动的工作效率最高可提升5.8%。此外,得益于提出的快速响应PWM调光控制电路,LED驱动在高达20 k Hz的PWM调光频率下具有10%-90%的宽输入调光范围,调光最长建立时间仅为3.8μs,调光输出电流精度最大误差仅为3%。仿真结果表明,芯片各项功能及性能指标均达到设计要求,在此基础上完成了芯片的版图设计并进行流片。
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