单级Flyback有源功率因数校正LED驱动控制器的设计与研究

摘要

全球照明行业的市场规模正逐步扩大，LED照明在市场中的占比逐步提升，有效推动了LED驱动芯片的发展，预计到2020年全球LED芯片产值有望超过80亿美元。
　　本文针对市场的热点需求，结合国内外LED驱动电路的研究热点，对提升反激LED驱动电路输出恒流精度、功率因数和效率等方面的内容做了研究，基于单级有源功率因数校正的反激电路设计了一个高精度LED恒流驱动控制器。
　　本文设计的反激LED驱动控制器采用闭环恒流控制方式，控制环路结构简单，不需要复杂的补偿电路;设计了高精度峰值电流采样补偿电路和电感去磁时间检测电路，提高了输出电流的恒流精度;基于恒定导通时间控制方式设计了自适应导通时间控制电路，电网侧的输入电流理论上为正弦波，实现了电流对电压的正弦跟随，有效提升了LED驱动电路的功率因数;通过检测功率MOS管电压谐振最低点，实现了功率MOS管谷底开通，降低了开关损耗，提升了系统效率;为保证LED驱动电路工作时的安全性，本文还设计了芯片过温保护、输入输出过压保护等多种保护机制。
　　芯片在CSMC1μm40V BCD工艺下完成电路设计、仿真验证及版图设计。仿真结果表明，在85-265V的交流输入条件下，输出电压为30-48V，输出电流可以稳定在350mA左右，最大功率接近17W，在全输入范围内电路的恒流误差小于0.5％，功率因数可以达到0.98以上。同时完成了芯片的版图设计，后续将对芯片进行流片验证。

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摘要

插图和附表目录

1．1 研究背景及意义

1．2 LED及其驱动电路概述

1．2．1 LED特性与优势

1．2．2 白光LED驱动电路的特点

1．3 国内外研究现状

1．3．1 LED恒流驱动电路分类

1．3．2 开关电感型LED驱动研究现状

1．4 论文内容及结构安排

第2章 反激LED驱动电路控制方案分析

2．1 反激电路的工作模式

2．2 提升反激电路效率的方法

2．2．1 反激电路功耗分析

2．2．2 软开关技术

2．3 反激电路功率因数校正

2．3．1 功率因数定义

2．3．2 功率因数校正

2．4 反激电路反馈方式及控制方式

2．4．1 反激电路的反馈方式

2．4．2 反激电路的恒流控制方式

2．5 本章小结

第3章 反激LED驱动电路控制芯片架构设计

3．1 反激LED驱动电路系统设计

3．2 控制芯片系统架构设计

3．3 电路关键功能实现原理

3．3．1 输出恒流控制实现

3．3．2 准谐振工作模式实现

3．3．3 有源功率因数校正实现

3．4 芯片启动时序设计

3．4．1 芯片上电过程的时序设计

3．4．2 系统软启动设计

3．5 本章小结

第4章 关键电路模块的分析与设计

4．1 供电系统及基准模块

4．1．1 高压供电模块(PS)和欠压锁定(UVLO)电路

4．1．2 输入过压保护(OVP)

4．1．3 基准电路模块

4．2 谐振谷底检测电路(VD)

4．3 峰值电流采样电路

4．4 跨导放大器模块(Gm)

4．5 导通时间产生电路(COT／AOT)

4．6 副边电感去磁时间检测电路

4．7 系统保护模块

4．7．2 过温保护(OTP)

4．7．3 前沿消隐及逐周期限流模块

4．8 栅极驱动电路

4．9 本章小结

第5章 反激LED驱动芯片仿真验证

5．1 反激LED驱动电路系统设计

5．2 芯片启动过程仿真

5．2．1 系统启动时序仿真

5．2．2 关键节点电压电流仿真

5．3 系统关键性能仿真

5．3．1 输出电流恒流精度仿真

5．3．2 功率因数校正结果仿真

5．4 芯片版图设计

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间科研成果