白光LED驱动器的研究与设计

白光LED驱动器的研究与设计

主要研究新能源发电技术。

张南1，王逸煊2

(1.华电电力科学研究院，杭州 310000； 2.长春理工大学光电工程学院，长春 130022)

摘要：以提高白光LED驱动器的效率为目标，以Cadence软件为平台，在深入研究电子元器件功耗与尺寸大小关系的基础上，采用0.18 μm的CMOS工艺，设计了驱动4只串联白光LED的升压型驱动器。实验表明，该驱动器具有转换效率高和抗干扰能力强等特点，在环境恶劣的情况下均可满足性能指标要求，具有广泛的实用性。

关键词：白光LED；升压变换器；Cadence软件；功耗；效率

白光LED具有效率高、体积小、寿命长和节能环保等优点，在照明、LCD显示屏的背光源和可见光通讯等许多领域均得到了广泛的应用。由于LED的PN结特性，LED可以适应的供电电源变化范围非常小。另外，在大多数应用中，单个LED发光强度无法满足实际需求，必须将多个LED串联或并联使用，这就需要比较大的电压或电流来驱动。所以，尽管传统电源种类很多，但均不能直接为LED供电，必须根据实际需要，配置一种稳定的、高效率的驱动电源。因此，研究白光LED驱动器及其设计方法，具有十分重要的意义。

1白光LED驱动器的拓扑结构和工作原理

本研究设计的升压型驱动控制器采用Boost DC-DC变换器拓扑结构，如图1所示。电感L、电容C、开关管M和二极管V构成了功率级电路。在M闭合的时候，将能量储存在L中，在M关断的时候，L中储存的能量通过二极管进入到电容C中，从而实现能量的传输和转换。开关管M的通、断采用脉冲宽度调制(PWM)模式方式，通过控制开关管的占空比来调节输出电压。

在PWM控制器中，对输出电压Vo进行采样，得到采样电压Vf，并输入到运算放大器EA的反相输入端，形成电压负反馈。EA的同相输入端为固定电压VR。信号经EA放大后输出直流误差电压Ve，并输入至PWM比较器的反相输入端；锯齿波信号Vosc输入至PWM比较器的同相输入端，Ve和Vosc经PWM比较器比较后输出一个方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压Ve变化，从而实现脉宽调制。

图1　Boost DC-DC变换器拓扑结构图

2白光LED驱动器的研究与设计

2.1LED的选择和升压变换器的技术参数

目前，LED的主要生产厂家分别是Philips、CREE和OSRAM等。本设计从发光效率的角度出发，选用LUXEON REBEL ES作为光源系统的白光LED。该产品单个LED效率为135 lm/W，正向电压为2.75 V，正向电流为350 mA。如果升压变换器驱动4只串联LUXEON REBEL ES白光LED，则升压变换器的输出电流为350 mA，输出电压为11 V(2.75 V×4)。

升压变换器的效率与开关管的工作频率成非线性关系。通过计算机仿真实验测得升压变换器的效率与频率的关系如图2所示。可以看出，当开关频率为1 MHz时，升压变换器的效率最高，因此选择开关频率为1 MHz。

另外，作为驱动电源，其调整率、输出电压纹波等也是必须考虑的性能指标。本设计的技术参数要求见表1。

图2　升压变换器效率与频率的关系曲线

输入电压/V输出电压/V输出电流/mA开关频率/MHz电源调整率/%输出电压纹波/%效率/%工作温度/℃5113501≤1≤5≥85-40~85

2.2功率级电路元器件参数的计算与选择

2.2.1整流二极管的选择

整流二极管要求有快速恢复能力和较低的开关损耗，通常选用肖特基二极管作为升压变换器的整流二极管。本设计选择Philips 1N5817肖特基二极管作为整流二极管。该二极管的反向电压为20 V。当正向电流为0.9 A时，正向电压为0.4 V，二极管的损耗为0.36 W。

2.2.2电感的选择

根据电感电流纹波和输出电流的关系，电感有2种工作模式，即连续工作模式(CCM)和非连续工作模式(DCM)。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：IL为电感电流；Io为输出电流。

在边界条件下有如下关系：

(3)

式中：Vin为输入电压；f为开关频率；D为占空比。

由式(3)可得：

(4)

本设计中：Vin=5 V，f=1 MHz，D=6/11，Io=0.35 A，由式(4)求得L=1.77 μH。这个结果是一个临界值。为了使升压变换器工作在连续运行模式下，L要求大于1.77 μH。此外，如果电感值较大，尽管纹波电流会很小，但电感的尺寸将会变大，功耗增加。综合考虑纹波电流和功耗，选择LQH55PN4R7NR0作为该升压变换器的电感。它的电感值为4.7 μH，额定电流1 400 mA，直流电阻0.06 Ω，大小为5.7 mm×5.0 mm。

2.2.3电容的选择

当开关管处于导通状态时，负载由电容供电，并存在如下关系式：

(5)

(6)

式中：Vo为输出电压；C为滤波电容。

本设计中，D=6/11，Io=350 mA，f=1 MHz，ΔVo=11 V×5%=0.55 V，因此C=347 nF。

2.2.4开关管的选择

开关管尺寸的选择直接关系到升压变换器的损耗。较宽的开关管有着较小的电阻，此时开关管带来的损耗也比较小。但是当开关管宽度较大时，意味着它的面积也会比较大。这样，开关管电容带来的损耗就会增加。因此，需要通过对开关管尺寸的选择，在这2种损耗中找到平衡，使总的损耗达到最小。

升压变换器的损耗由4部分组成，分别是：电感的阻抗、整流二极管的阻抗、开关管的电阻和电容。设电感等效电阻、二极管等效电阻和开关管等效电阻分别是RL、ED、RT，电阻带来的损耗是Pres。可得关于Pres的表达式如下：

(7)

(8)

设电容引起的损耗为Pcap，开关管的电容为CT，总的损耗是Pt，则有：

Pcap=fCTVo，

(9)

(10)

设开关管的面积是A，则RT=Ron/A，并且CT=CoxA，因此，Pt可看做是关于A的函数，并且这个函数有最小值。

(11)

本设计选用开关管的型号为NFETI20，通过计算可得A≈1 800μm2。另外，开关管的电阻与长度成正比，与宽度成反比，因此，选择其长宽之比为：

(12)

2.3误差放大器的设计

2.3.1误差放大器的拓扑结构

放大器的拓扑结构如图3所示。M1和M2是一对PMOS差分输入晶体管；M3和M4是2个电流源负载；M5和M6是电流镜，为输入级和放大级提供电流；M7和M8组成了输出级。

图3　放大器的结构图

2.3.2放大器晶体管的尺寸

晶体管尺寸的选择非常重要，因为它决定了包括增益、GBW和相位裕度在内的很多放大器性能参数。通常来讲，晶体管的电容取决于其宽度，宽度越大则电容越大。而晶体管的长度影响了晶体管的漏源电阻。

经Cadence仿真，放大器各晶体管尺寸如表2所示。同时，测出放大器的增益为70 dB，增益带宽为355 kHz，相位裕度为134 degree。

2.4PWM比较器的设计

2.4.1PWM比较器的拓扑结构

PWM比较器如图4所示。PWM比较器由1个差分输入放大级，1个输出放大级和3个推挽级组成。M5和M6组成电流镜为支路提供电流；M1和M2是2个差分PMOS晶体管；M3和M4是2个拥有相同门电压的电流源负载；M7和M8用来放大和输出来自差分级的信号；M9、M10，M11、M12，M13、M14是3组推挽反相器，它们可以调节输出波形还可以提高比较器吸收电流的能力。

表2　放大器各晶体管尺寸表

图4　PWM比较器结构图

2.4.2PWM比较器的仿真实验

采用直流电压源模拟误差放大器的输出电压Ve，得到PWM比较器的仿真曲线，如图6所示。当三角波大于直流电压时，输出电压为高电平，反之则为低电平。如果直流输入电压增加，占空比也会增加。

图5　PWM比较器仿真曲线

另外，通过Cadence软件仿真实验，测试出PWM比较器的稳态精度为0.82 mV，增益为72 dB；动态时的上升时间为17.1 ns，下降时间为19.4 ns。

3白光LED驱动器的仿真与实验

3.1升压变换器性能的仿真

利用Cadence软件对所设计的升压变换器进行计算机仿真，得到输出电压和输出电流波形曲线如图6～7所示。

由图6～7可以看出，稳态时输出电压为11.16 V，而输出电压的期望值为11 V，考虑到与LED模型串联的反馈电阻带来的影响，这个结果是合理的；输出电流为350.301 mA，输出电流的希望值为350 mA。

图6　输出电压仿真曲线

图7　输出电流仿真曲线

输出电压的波动范围为：11.117 8-10.907 0=0.210 8(V)

图8是电感电流的仿真曲线，该电流即是输入电流。由曲线看出，稳态时电流值为905.08 mA。输入电压为5 V，因此可以计算出该升压变换器的效率为：

图8　电感电流仿真曲线

3.2升压变换器的Corners仿真

为了验证所设计产品在恶劣环境下的运行情况，本文利用Cadence软件的Corners analysis，对产品在极端条件下的性能进行了仿真实验。

设定3种极端情况分别是typical case(5 V，25 ℃)，worst power case(4.5 V，85 ℃)和worst speed case(5.5 V，-4 ℃)。3种情况的试验结果如下：

1)typical case：输出电压、输出电流和输入电流分别是11.201 4 V、353.511 mA和920.273 mA，纹波电压为1.8%，转换效率为：

2)worst speed case：输出电压、输出电流和输入电流分别是11.56 V、383.90 mA和1.03 A，纹波电压为1.73%，转换效率为：

3)worst speed case：输出电压、输出电流和输入电流分别是11.05 V、347.49 mA和897.02 mA，纹波电压为1.3%，转换效率为：

4结语

本文从产品的实际应用出发，以提高驱动器的效率为目标，研究设计了白光LED驱动器。计算机仿真实验结果与设计期望值对比情况见表3。可以看出，本文所设计的白光LED驱动器具有转换效率高、抗干扰能力强等特点，在运行环境恶劣情况下均可满足性能指标要求，具有广泛的实用性。

表3　仿真实验结果与设计期望值对比情况表

参考文献

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.012

收稿日期：2015-04-16

作者简介：张南(1989—)，男(汉)，长春，硕士

中图分类号：TN312.8

文献标志码：A

文章编号：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