基于可控硅控制的宽调节范围两段式调光AC-DC LED驱动芯片的设计

发布时间：2017-09-25 06:11

  本文关键词：基于可控硅控制的宽调节范围两段式调光AC-DC LED驱动芯片的设计

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【摘要】：随着能源危机及雾霾等环境保护问题的日益恶化,LED照明产品以其节能环保,长寿命,高效率等优点在世界范围内得到广泛应用。LED驱动芯片作为LED照明驱动电路的核心部件,随着LED市场的不断扩大,亟需不断地创新和发展。可控硅调光产品以其节省能源,亮度可调,成本低,体积小等优势占据了主流调光市场。由于LED为非线性负载,且可控硅器一般对纯阻性负载进行调光,故需对其进行功率因数校正,使系统满足纯负载特性以兼容可控硅调光,同时减小对电网的谐波污染。另外,由于可控硅调光器导通角有限,限制了LED负载亮度的调节范围,因此,如何设计出具有宽调节范围的可控硅调光LED驱动芯片是科研工作者研究的重要方向。针对可控硅调光器导通角受限,限制LED亮度调节范围的问题,本文设计的LED驱动芯片,在功率因数校正及恒流控制的基础上,对调光控制电路进行改进和优化,使得系统具有宽调节范围两段式调光的特性。通过引入导通角补偿技术,使得当可控硅调光器调至最大导通角时,输出电流能达到最大值,即额定电流；当可控硅调光器调至最小导通角时,输出电流达到最小电流零,从而使输出电流具有较宽的调节范围。针对人眼对大电流LED发光时亮度变化不明感,而对小电流LED发光时亮度变化敏感的特性,对电路进行优化,设计出两段式调光曲线,即,当输出电流较大时,对输出电流进行快速调节；当输出电流较小时,对输出电流进行慢速调节,从而实现在整个可控硅调光器调节范围内,人眼感受到的LED亮度变化均匀。通过对快速调光曲线l1,慢速调光曲线l2进行分析及公式变换,结合导通角补偿电路,下拉电流控制电路,调光曲线切换电路等,将设计曲线的参数与电路参数相对应,设计出完整的可控硅调光SIMPLIS系统电路模型。对所设计的系统电路进行仿真,验证本设计思想的正确性,并根据系统模型设计出完整的Cadence电路。本文设计的控制芯片采用TSMC 0.35μm 5V/650V CMOS/LDMOS工艺进行流片,并且通过21V/500mA的电路原型进行测试验证,测试结果表明：在输入90V/60Hz～132V/60Hz的范围内,线性调整率为2.6%,功率因数为99.5%,效率为76%。且调光模式下,最大电流为516mA,与额定电流510mA保持一致,最小电流约为零,最小电流与最大电流之比小于1%。因此,本文设计的控制芯片在可控硅控制的LED调光驱动器中具有很好的应用前景。
【关键词】：LED驱动芯片 功率因数校正 恒流输出 可控硅调光 宽调节范围 两段式调光
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN402;TM923.34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究背景与意义8
• 1.2 国内外研究现状8-10
• 1.3 研究内容与设计指标10-11
• 1.3.1 研究内容10-11
• 1.3.2 设计指标11
• 1.4 论文组织11-14
• 第二章 可控硅调光LED驱动芯片概述14-24
• 2.1 LED的基本特性14
• 2.2 LED驱动芯片中基本功率因数校正方式14-17
• 2.2.1 基于模拟乘法器控制15-16
• 2.2.2 基于固定导通时间控制16-17
• 2.3 LED可调光电源的基本调光方式17-21
• 2.3.1 模拟调光18
• 2.3.2 PWM调光18-19
• 2.3.3 可控硅调光19-21
• 2.4 基于可控硅调光LED驱动电源的基本调光原理21-23
• 2.4.1 基于输入功率控制调光原理21-22
• 2.4.2 基于下拉电流控制调光原理22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 宽调节范围两段式调光的LED驱动系统的分析与建模24-50
• 3.1 宽调节范围调光系统的设计要求及系统结构24-26
• 3.1.1 系统设计考虑及设计要求24-25
• 3.1.2 系统结构25-26
• 3.2 宽调节范围调光系统的关键模块原理与分析26-32
• 3.2.1 PFC恒流基础电路26-29
• 3.2.2 导通角检测电路29-30
• 3.2.3 导通角补偿电路30-31
• 3.2.4 调光下拉电流控制电路31-32
• 3.3 宽调节范围调光系统的SIMPLIS建模及仿真32-36
• 3.3.1 系统建模软件SLMPLIS概述32
• 3.3.2 基于SIMPLIS的系统建模32-34
• 3.3.3 基于SIMPLIS的系统仿真34-36
• 3.4 宽调节范围两段式调光的设计优化36-43
• 3.4.1 两段式调光设计改进36-38
• 3.4.2 调光曲线l_1的设计及实现原理38-39
• 3.4.3 调光曲线l_2的设计及实现原理39-40
• 3.4.4 调光曲线切换电路设计及实现原理40-43
• 3.5 宽调节范围两段式调光的系统建模及仿真43-48
• 3.5.1 基于SIMPLIS的系统电路模型43-44
• 3.5.2 基于SIMPLIS的仿真44-48
• 3.6 本章小结48-50
• 第四章 芯片电路设计与仿真分析50-66
• 4.1 输出电流估算电路50-52
• 4.1.1 电路功能50
• 4.1.2 电路设计原理与实现50-51
• 4.1.3 电路仿真分析51-52
• 4.2 PFC逻辑控制电路52-54
• 4.2.1 电路功能52
• 4.2.2 电路设计原理与实现52-53
• 4.2.3 电路仿真分析53-54
• 4.3 导通角运算电路设计54-59
• 4.3.1 电路功能54
• 4.3.2 电路设计原理与实现54-56
• 4.3.3 电路仿真分析56-59
• 4.4 I_(OUT)控制电路&下拉电流控制电路59-62
• 4.4.1 电路功能59
• 4.4.2 电路设计原理与实现59-60
• 4.4.3 电路仿真分析60-62
• 4.5 整体可调光LED驱动芯片的设计与仿真分析62-65
• 4.5.1 整体可调光LED驱动芯片的电路设计62-63
• 4.5.2 整体可调光LED驱动芯片的系统仿真及分析63-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第五章 芯片版图设计与测试验证66-86
• 5.1 芯片版图设计及后仿真66-70
• 5.1.1 版图设计注意事项66-67
• 5.1.2 版图设计与布局布线67-69
• 5.1.3 系统后仿真69-70
• 5.2 系统测试电路设计70-72
• 5.3 系统测试与分析72-85
• 5.3.1 系统的启动时间保持时间72-73
• 5.3.2 系统的静态功耗测试73
• 5.3.3 系统典型工作波形73-74
• 5.3.4 系统功率因数测试74-76
• 5.3.5 系统的线性调整率76-77
• 5.3.6 系统的负载调整率77-78
• 5.3.7 系统的效率78-80
• 5.3.8 系统调光曲线的测试80-84
• 5.3.9 测试结果对比分析84-85
• 5.4 本章小结85-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 6.1 总结86
• 6.2 展望86-88
• 致谢88-90
• 参考文献90-94
• 攻读硕士学位期间发表的论文94

【参考文献】

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本文编号：915810