毕业设计（论文）--大功率LED恒流驱动电路的研究与设计.doc

苏州大学本科生毕业设计（论文） 目目 录录 摘摘 要要.III ABSTRACT 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 白光 LED 发展的背景和意义1 1.2 大功率 LED 发光原理.3 1.3 白光 LED 的发展简介3 1.4 课题介绍与研究意义 .5 第二章第二章 大功率大功率 LED 驱动电路驱动电路.6 2.1 白光 LED 的伏安特性6 2.2 白光 LED 的连接方式7 2.2.1 串联驱动.7 2.2.2 并联驱动.8 2.2.3 混联驱动.8 2.3 大功率 LED 驱动电路的发展趋势9 2.4 大功率 LED 驱动现状研究10 2.4.1 电阻限流电路.10 2.4.2 线性控制电路.11 2.4.3 电荷泵升压电路.12 2.4.4 开关变换电路.12 第三章第三章 脉宽调制型（脉宽调制型（PWM）开关电源原理）开关电源原理.14 苏州大学本科生毕业设计（论文） I 3.1 电压控制模式 .14 3.2 电流控制模式 .17 第四章第四章 LED 恒流驱动电路设计恒流驱动电路设计20 4.1 大功率 LED 驱动芯片的比较20 4.2 LT3755 芯片介绍21 4.3 LT3755 工作原理23 4.4 设计电路 .24 第五章第五章 总总 结结.28 参考文献参考文献.29 致致 谢谢.30 苏州大学本科生毕业设计（论文） II 大功率白光大功率白光 LED 恒流驱动电路的研究与设计恒流驱动电路的研究与设计 摘摘 要要 近年来，大功率白光LED因其高效、节能、环保、寿命长、高可靠性等优点逐渐在 照明领域获得广泛应用，已经开始替代白炽灯、荧光灯等传统照明光源，成为21世纪的 新一代照明光源。大功率白光LED产业的蓬勃发展有力地推动了LED驱动集成电路产 业的前进，孕育着巨大的商机。 论文在简要介绍大功率LED 的发光特性、伏安特性及其驱动方案的基础上，详细分 析了Buck拓扑结构、PWM调制型开关电源电流控制模式和电压控制模式的优缺点， 提出了一种基于PWM调制型Buck模式开关电源恒流驱动电路原理，利用LT3755 芯 片驱动大功率白光LED的设计电路。该驱动电路具有1000:1高调光比（PWM调光） 、 低电流消耗、高效率、欠压保护、短路保护和开路LED保护等功能，适合驱动高亮度大 电流LED。 【关键词】：大功率LED、开关电源、PWM、恒流驱动、LT3755 苏州大学本科生毕业设计（论文） III Abstract In recent years，Semiconductor lighting is widely used and is gradually replacing the incandescent and fluorescent lighting due to its advantages over conventional lighting of high efficiency，low energy consumption，low pollution，long lifetime and high reliability. The boom of high power white LED greatly promotes the development of integrated circuits for driving LED，which generates the enormous business opportunities. The thesis briefly introduces the characteristics of luminous flux curve and I-V curve of high power LED and its driving methods. The operating principles of Buck converter for driving High Power LED are analyzed in detail. Compared with other driving mode, switching power technology has high efficiency, so the thesis gives a LED buck mode driver using Chip LT3755 based on switching power technology. The driver in this paper is a high frequency step-down DC-DC converter with the features of low power loss, high efficiency, 1000:1 PWM dimming, short-circuit protection, open-voltage protection, and is ideal for driving high current LED. Key words : high-power LED, Switching Power, PWM, constant-current driving，LT3755 苏州大学本科生毕业设计(论文) 0 第一章第一章 绪绪 论论 在电光源发展的一百多年来，光源照明电器己经经历了三个重要的发展阶段，这三个 阶段的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为大功 率照明LED是第四代光源。 1.1 白光白光 LED 发展的背景和意义发展的背景和意义 进入二十一世纪，面对能源供应的日趋紧张和全球环境的加速恶化，节约能源和保护 环境已成为社会发展的共识。开发应用节能环保的工业产品已在人类社会各个行业展开。 当前，照明用电约占世界总能耗的20%，而我国照明用电量每年在3000亿千瓦时 以上，占总用电量的12%左右。照明用电量的猛增以及发电能源消耗的加剧，将使我国 的供电势态和环境与生态保护的现状日益严峻。如果无限制地建设水力发电设施，将会 破坏自然环境;如果不断增设火力发电站，又将更进一步恶化业已存在的能源危机。因此， 可持续发展的科学观念要求，一是加强可再生能源的利用，加快太阳能、风能、核能等 各种发电技术的发展；二是加速节能高效光源和灯具的研究、应用与发展。然而传统的 照明光源，比如白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯等，能耗高且效率低下，浪费了大量电 能。若能以耗能低、寿命长、环保安全的照明LED取代目前低效率、高耗电的传统照明 光源，无疑将带来一场世界性的照明革命，对我国的可持续发展更具有战略意义。 据统计，用照明LED取代全部白炽灯或部分荧光灯，我国每年就可节约1/3的照明 用电量，这相当于节省一个三峡工程的年发电量，不仅可以缓解我国电能需求的紧张形 势，还可以降低燃煤量（目前我国70%以上的发电量是依靠燃煤获得） ，减小对环境的污 染1。 LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的简称，照明LED主要是指白光 LED。作为新一代照明光源，白光LED与传统照明光源相比，具有如下优势： (l) 发光效率高：白炽灯、卤钨灯的光效为1224lm/W，荧光灯的光效为 5070lm/W，钠灯的光效为90140lm/W，LED的光效经改良后可达 50200lm/W，而且光的单色性好，光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。 (2) 节能，耗电量少：在同样的照明效果下，LED的耗电量是白炽灯的八分之一， 荧光灯的二分之一。据美国圣地牙哥国家实验室的Jeff Nelson博士称，全球的白炽灯和 荧光灯都被白光LED取代的话，将节约 38 座核电站的发电量。 (3) 寿命长：研究资料表明，LED的平均寿命在10万小时左右，是荧光灯的10 倍，白炽灯的100倍。同时由于照明LED的结构特点，使得其本身没有易损的部件存 苏州大学本科生毕业设计（论文） 1 在，在水下等特殊环境中也可以稳定的工作。 (4) 体积小：可以做成各种形式的光源，例如点光源、面光源等。 (5) 高响应速度：照明LED的响应速度为纳秒级，而白炽灯的响应时间为毫秒级。 (6) 环保：照明LED废弃后易回收处理。荧光灯等废弃后会产生重金属汞不易处 理的污染物。 根据Strategies Unlimited提供的数据，到2012年，高亮度（HB）白光LED通 用照明市场预计将超过50亿美元，对应从2009年到2012年的年复合增长率为28%。 这仅仅是开始，因为随着LED在商业上更具经济效益，它们的高发光效率只会进一步加 速推进从白炽灯、荧光灯和高压钠灯向高亮度白光LED转变的好处。 白光LED的高效节能、绿色环保优点使得各个国家和地区投入了大量财力人力资源 启动自己的半导体照明计划，如下表所示1： 表 1-1 各国半导体照明计划 国家/地区立项时间项目名称项目预期目标预计效益 日本1998年21世纪光计划 到2006年，50%的照 明光源被白光LED取 代 可减少12座核电 厂发电量，每年节 省10亿公升以上的 原油消耗 欧洲2000年彩虹计划 通过欧共体的补助金推 广LED的应用 应用半导体照明实 现：高效、节能、 不使用有害环境的 材料、模拟自然光 美国2000年 国家半导体照 明计划 到2010，年55%的荧 光灯和白炽灯被白光 LED取代 每年节约350亿美 元电费，减少7.55 亿吨二氧化碳排放 量，形成500亿美 元的大产业 中国2003年 国家半导体照 明工程 2006-2020年，投资 50-100亿元发展半导体 照明技术，形成自主知 识产权，LED达到 1502001m/W，15元 将建立半导体照明 产业，全面进入通 用照明市场，占有 30% 50%的市场 份额，实现节电 苏州大学本科生毕业设计（论文） 2 /klm30%以上，年照明 节电1000亿千瓦时 以上 1.2大功率大功率 LED 发光原理发光原理 大功率LED是由III-IV族化合物，如GaAs（砷化镓） 、GaP（磷化镓） 、 GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。 在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由 P区注入N区。进入对方区域的少数载 流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光2。 理论和实践证明，光的峰值波长几与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即： (1-1)1240/()Enm g 式中Eg的单位为电子伏特（eV )。若要产生可见光（波长在380nm紫光780nm 红光范围内） ，半导体材料的Eg应在3. 261. 63 eV之间。 1.3 白光白光 LED 的发展简介的发展简介 1962年，在美国通用电器公司工作的博士Holon yak用化合物半导体材料磷砷化镓 (GaAsP)研制出第一批发光二极管3。早期的LED只能发红、绿等单色光，且功率小， 效率低，只适合于装饰灯、指示灯等应用场合。1996年，日亚公司首先采用InGaN蓝 光芯片加YAG（钇铝石榴石）黄色荧光粉的方法制成白光LED，此后白色LED得到 迅速发展，人们通过各种办法获得了白光LED，开启了LED迈入照明市场的序幕。表 1-3 列出了目前产生白光LED的主要方法4。 从理论和技术的发展分析，白光LED的光效可以达到283lm/W。但是早期的白光 LED发光效率低，低于白炽灯和荧光灯的发光效率（白炽灯的发光效率为 161m/W，40W荧光灯的发光效率601m/W， 60W荧光灯的发光效率为100lm/W )5。 此后由于材料、封装等技术进步，目前商业LED的发光效率水平已超过150lm/W，实 验室最新成果达到208lm/W。 在大功率LED照明技术方面，美国在LED照明的产业技术开发上一直处于领先地 位。由Philips Lighting和Agilent（原HP）于1998年合资兴办的 Lumileds是一家 致力于功率型白光LED生产，封装研究和开发的公司。该公司拥有多项功率型白光二极 管封装方面的专利技术。 日本在大功率白光LED的研制方面一直处于世界前列。日亚公司由于在InGaN 苏州大学本科生毕业设计（论文） 3 LED技术和生产白色LED的荧光粉材料上拥有多项专利，在InGaN白色LED芯片供 应上一直占有优势地位，目前其研制的LED的效率约为30401m/W。2003年8月， 松下电工开发出亮度达到300lm的白光照明灯具，相当于40W白炽灯的亮度，并于 2004年春季开始了商品化销售。日亚化学工业从2006年6月开始提供发光效率为 100lm/W的白色LED样品，并已开始量产。 表 1-2 产生白光的 LED 的主要方案 芯片数激光源发光材料发光原理 蓝色LEDInGaN/荧光粉 InGaN的蓝光与荧 光粉的黄光混合成白 光 蓝色LEDInGaN/荧光粉 InGaN的蓝光激发 的红绿蓝三基色荧光 粉发白光 1 紫外LEDInGaN/荧光粉 InGaN的紫外激发 的红绿蓝三基色荧光 粉发白光 蓝色LED 2 黄绿LED InGaN GaP 将具有补色关系的两 种芯片封装在一起， 构成白色LED 蓝色LED 绿色LED3 红色LED InGaN AIInGaP 将发三原色的三种小 片封装在一起，构成 白色LED 3个以上多种色光LED InGaN AIInGaP GaPN 将遍布可见光区的多 种色光芯片封装在一 起构成白光LED 随着技术进步、亮度提升，高亮度白光LED正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明 市场。根据Frost若采用 并联驱动，则会要求很大的负载驱动电流，所以就出现了混联驱动。混联驱动是串/并联 两种方式的综合，适合于驱动大量LED的场合。 当然，以上分类并没有绝对的优劣之分，还要看实际的应用场合。例如对于作为手持 苏州大学本科生毕业设计（论文） 8 设备背光用的LED驱动电路，要求驱动电路的结构简单，封装较小，以实现小型化，而 驱动方式上，多采用并联驱动。对于照明用白光LED的驱动电路，要求有较大的驱动电 流，较好的光匹配度，因此多采用串连驱动。 2.3 大功率大功率 LED 驱动电路的发展趋势驱动电路的发展趋势 随着大功率LED在灯光装饰和照明中的普遍应用，功率型LED驱动显得越来越重 要。用市电驱动大功率LED需要解决降压和恒流问题，还要有比较高的转换效率，有较 小的体积，长时间工作，较低的成本，电磁干扰和功率因素等问题9。 (1) 驱动器需要适合LED的工作特性 大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过LED的电流决定， 电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动 需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。 如深圳天下明公司开发的T220C350W系列产品，其电流脉冲的频率和占空比可以 调整，该驱动器提供恒定的电流充分可控，所以可以根据LED的性能调节最大流过 LED的电流，使得LED的发光量增加。由于采用脉冲供电，LED处于间歇工作的状态， 延长了大功率LED的使用寿命。另外，该驱动器是高频工作，充分利用了LED内荧光 粉的余辉效应，不但不会有光的闪烁现象，还进一步提高了LED的发光效率。 (2) 体积小型化 随着LED的进一步发展，向照明领域的不断进军，向民用市场的逐渐普及。大功率 LED电源设计的小型化发展是一个必然的趋势，这对LED驱动器提出了新的课题。 (3) 多功能保护 LED在电流过强时，引起LED衰减，导致LED的寿命缩短。恒定的电流在LED 照明中极其重要，这就需要驱动器提供过流保护功能。良好的LED的驱动器保护功能是 必不可少的，如过流保护、过温保护、短路保护、安全保护等。 (4) 功率因素 功率因数是加在负载上的电压和电流波形之间的相角余弦（若电压波形与电流波形的 相角差为，则cos便是电源的功率因数） 。当加在负载上的电压和电流波形相位一致 时(即相角差=0)，则功率因数cos=1是理想的情况；当加在负载上的电压和电流波 形相角差为90°时（即=90） ，则功率因数等于零（处于最小值） ；通常，电源的功率因 数处于0到1之间，即0cos1，可用百分数表示。 加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低，即产 生所要求的电力需要输入更大的电力。导致的另外一个结果而且是更严重的后果，那就 是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线（电网） ， 苏州大学本科生毕业设计（论文） 9 造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患。同时，这种高次谐波也会扰乱控制系统 里的敏感低压电路。 随着节能理念的深入人心，大功率LED的发展日趋成熟， “功率因素”的指标也被 LED电源驱动行业提上议题，交流系统里实际功率等于视在功率乘以功率因素。 (5) 长寿命 对于大功率LED要进入普通照明领域，和其匹配的驱动电源同样面临着长寿命的要 求，已经成为制约LED发展的一个瓶颈问题，各大驱动电源厂商也都意识到这一点，更 是LED应用厂商更加关注的一点，它将决定LED整体节能高效的性能能否真正实现。 2.4 大功率大功率 LED 驱动现状研究驱动现状研究 大功率LED恒流驱动常用方法有电阻限流、线性控制调节、电荷泵升压、开关变换 器控制等。下面对现有的各种控制方法进行简要的介绍10-15。 2.4.1 电阻限流电路电阻限流电路 这类应用的原理图如图 2-4 所示，电阻限流电路控制方式是根据LED的I-V曲线来 确定预期正向电流所需要的电压，过一个串联电阻来控制LED的电流。一般根据LED 参数和发光强度，可以得到LED的直流电流，从而可知LED两端的电压，限流电阻值： （2- inFD F VyVV R xI 1） 式中：Vin为电路的输入电压；IF为IED的正向电流；VF为LED在正向电流为IF时的 压降；VD为防反二极管的压降(可选)。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 10 图 2-4 电阻限流电路 这个应用方案简单易行，只需要一个限流电阻就可以控制LED的光强，但存在不少 的缺点:输入电压的微小变化都会导致LED电流的变化，从而影响光通量输出；限流电 阻上会消耗大量的功率而使得整个系统效率不高；当这种调光方式在对白光LED灯进行 亮度调节时，会使LED发出的白光颜色发生偏移，不利于把这种控制方式用于日常照明 系统，所以这种方式多用在对光色要求不高的情况。 2.4.2 线性控制电路线性控制电路 与电阻限流法相比，线性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:线性控 制是把工作于线性区的功率管等效为一个动态电阻，通过负反馈系统调节功率管的阻值 大小使得流过LED的电流维持在一个恒定的值。但是由于功率管工作在线性区，消耗了 较多的功率，系统的效率不高。线性调节器可以分为并联型和串联型两种。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 11 图 2-5 并联型线性控制器和串联型线性控制器 并联型线性调节器又称为分流调节器。它采用功率管与LED并联，分流掉负载的一 部分电流。与电阻限流电路相似，分流调节器也同样需要串联一个限流电阻Rload，如图 1-8 (a)所示。当输入电压增大时，流过LED上的电流增加，反馈电压增大使得功率管 Q1 的动态电阻减小，流过 Q1 的电流将会增大，这样就增大了限流电阻Rload上的压降， 从而使得LED上的电流和电压保持恒定。分流调节器同样由于串入了限流电阻，系统的 效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒流输出。 串联型调节器是采用功率管与LED串联，当输入电压增大时，使功率管的动态电阻 增大，从而使得功率管上的压降增大，以保持LED上的电压(电流)恒定，如图 1-8(b） 所示。这种控制方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻，使得系统的 效率较高。但是由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此输入的最 小电压必需大于功率管的饱和电压与负载电压之和，使得整个电路的电压调节范围受限。 2.4.3 电荷泵升压电路电荷泵升压电路 电荷泵升压电路（图 2-6）又称为开关电容升压控制器。它利用分立电容将电能从输 入端传送到输出端，整个电路不需要任何的电感。电荷泵变换器设计比较简单，只需根 据元件规格来挑选适合的电容。但它的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，大多 数充电泵电路的输出电压增益为输入电压的 1，3/2，或2倍。若要驱动多个LED时， 必须采用并联驱动方式。此时为了防止并联支路上电流分配不均，每条并联支路上必须 使用镇流电阻，这样会消耗大量的功率，整个系统的效率就会降低。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 12 图 2-6 电荷泵升压电路 2.4.4 开关变换电路开关变换电路 开关电源电路通过调节开关功率管的通断比可以调节输出电压的大小，理论上将功率 管的损耗降低为0V。开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适用于大功率 LED的亮度控制。与传统的电压型Buck, Boost, Buck-Boost变换器不同的是大功率 LED的驱动电路的反馈量是流过LED的电流信号而不是输出电压信号，以此来满足 LED的恒流驱动要求。 采用Buck拓扑可以实现低于输入电源电压的输出。这是一种定周期、定时刻导通 的控制方式，通过控制LED的峰值电流来调节LED的亮度，整个控制电路结构比较简 单。采用Boost可以实现高于输入电源电压的输出幅值。与电荷泵电路不同的是Boost 理论上的升压增益可以无穷大，所以在连接多个LED方式时可以采用串联方式，保证了 每个LED的发光亮度都相同，并且限流电阻也只需要一个，有效的提高了整个系统的效 率，可以说是所有驱动电路中效率最高的。不过与电荷泵升压电路相比，需要电感元件， 增加了系统的成本和体积。与传统的Buck-Boost变换器相比，用于大功率LED驱动的 Buck-Boost型变换器电路是将开关管移至输入电压的负端，从而使得开关管的驱动更加 简单。通过控制LED的峰值电流及其导通占空比，来调节LED的平均电流，以达到 LED亮度调节的目的。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 13 图 2-7 Buck、Boost、Buck-Boost 型大功率 LED 驱动电路 第三章第三章 脉宽调制型（脉宽调制型（PWM）开关电源原理）开关电源原理 脉冲宽度调制方式（PWM） ，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占 空比，从而实现对能量向负载传递的控制，称之为“定频调宽” 。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 14 本章将介绍降压型脉宽调制型（PWM）开关电源DC/DC变换器Buck拓扑的基本 结构，Buck结构的变换原理和控制方式。开关电源DC/DC变换器从控制模式上可以分 为两类，电压控制模式（Voltage Control Mode）和电流控制模式（Current Control Mode） 。下面分别介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点161718。 3.1 电压控制模式电压控制模式 取代线性变换器的开关型变换器早在20世纪60年代就开始应用。它将快速通断的 晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。降压型的 电压模式开关电源Buck变换器的原理图如图 3-1 所示。其中开关器件Q1与直流输入电 压VDC直接相连。在每个周期T内，Q1导通时间为Ton。在Q1导通时，V1点电压为 VDC（设Q1导通时两端的电压降为零） 。Q1关断时V1点的电压迅速下降为0V(假设 续流二极管D1的两端的电压降也为零)，则V1点的电压波形为矩形波，如图 3-2 所示， Ton时的电压为VDC，其余时间电压为零，则V1点一个周期内的平均电压直流值为 VDC*Ton/T。LC滤波器接在V1和Vo之间它使输出点Vo成为幅值等于V DC*Ton/T的 无尖锋无纹波的直流电压。 图 3-1 电压模式开关电源 Buck 拓扑的原理图 其逻辑关系是，当VDC上升时，则Vo上升，误差放大器输出电压Vea下降，锯齿 波高于Vea的时间提前，也就是Q1导通时间Ton缩短，使得Vo =V DC *Ton/T保持不 变；同理，如果VDC下降，则Q1 导通时间Ton延长，最终的结果也保证Vo不变。由此 可以总结出，无论输入电压VDC如何波动，电压控制系统都会改变Q1的导通时间 Ton，使得最终的输出电压维持在Vo =Vref(1+R2/R1)。 下面就详细的分析一下整个电路的工作过程和波形变化，假设输出为Vo。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 15 图 3-2 Buck 变换器连续工作模式下各节点波形 在每个周期开始时，电感L上的初始电流为I1，Q1由控制信号驱动后导通，二极管 反偏截止，加在L上的电压的大小为VDC-Vo，由于电感两端的电压恒定，所以流过电 感的电流线性上升到I2，其斜率为。当控制信号使Q1关断时，由于电 DCO (V-V ) dI = dtL 感的电流不能突变，所以电感两端电压极性迅速颠倒，二极管导通续流，这种电压极性 颠倒的现象称为电感反冲。如果没有接二极管D1，则V1点的电位会变得很负以保持电 感L上的电流方向不变，这会让Q1两端的电压差过大而损坏开关，接上二极管后，实 际V1点的电压被箝位于比地低一个二极管导通压降。电感两端的电压极性反转后，电感 中的电流线性下降，其斜率为。Q1关断结束后，电感上的电流降低到 D1O (V +V ) dI = dtL I1。当Q1再次导通时，D1的电流减少，Q1上的电流迅速增加并取代了二极管的D1 正向电流直到D1上的电流为零，D1再次反偏，V1恢复到VDC，电感的电流开始重复 苏州大学本科生毕业设计（论文） 16 前一个周期的变化过程。在整个周期内，电感的电流会有I2-I1的上下波动，输出电流Io 的大小就是。虽然Io会根据负载的变化而变化，但是整个电感电流上升和下 121 1 I +I -I 2 降的斜率却和负载无关16。 以上讨论的Buck变换器的工作过程是基于稳定工作时电感上的电流在下降的过程 中没有下降到0，也就是I10，我们称这种模式为连续工作模式，如图 3-2 中所示。如果 电感上的电流在下降的过程中下降至零，也就是在电感上的储能被完全释放，我们称这 种工作模式为不连续模式，如图 3-3 所示。 图 3-3 不连续工作模式下的电流波形图 不连续工作模式输出电压和输入电压的关系推导如下。在一个周期T内，当Q1开 启时，电流从0开始增加，则直到Q1关断时电感电流为，Q1 关断期间 DCOon (V-V )T I= L Toff，假设经过Tr时间（也就是二极管D1导通得时间）后电感中的能量完全释放供给负 载，为保证L的电流在Q1下次导通之前已经下降到0，则。因电感电流上升 ron T +T 111!0.5 温度保护YYYNNNN 开关电源YNYYYNN 功率器件在 片内 YYYNNYN 故障检测NYYYYNN 综合考虑设计简单、低电流消耗、高效率、短路保护、开路LED保护和高调光比 （PWM调光）等要求，本设计采样LT3755 LED驱动芯片。4.5V至40V的输入电 压范围使其适用于多种应用，如汽车等蓄电池供电、太阳能供电、工业和建筑照明。 LT3755 使用外部N沟道MOSFET，可以用12V的输入驱动多达14个1A的白光 LED，提供超过50W的功率。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 21 4.2 LT3755 芯片介绍芯片介绍 凌力尔特公司(Linear Technology Corporation) DC/DC 转换器 LT3755，该器件 专为驱动大电流 LED而设计。该器件具高压侧电流检测，能够用在升压、降压、降压- 升压或SEPIC和反激式拓扑中。频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz范围内对 频率编程，从而优化了效率，同时最大限度地减小外部组件的尺寸并降低成本。LT3755 采用3mm x 3mmQFN封装，可组成非常紧凑的50W LED 驱动器解决方案。 LT3755采用True Color PWM TM调光，以高达3000:1的调光范围，实现恒定 LED色彩。就要求不那么苛刻的调光需求而言，CTRL引脚可以用来提供10:1的模拟 调光范围。其固定频率、电流模式架构允许在宽电源和输出电压范围内稳定工作。FB 引 脚上以地为基准的电压，可以用作几项LED保护功能的输入，使该转换器可以作为恒定 电压源工作。 LT3755的结构框图如下：具有16个引脚： VREF：参考电压输出引脚，通常为2V。这个引脚可以通过一个电阻分压器驱动 CTRL引脚。可以提供高达100A的电流。 PWM：开关使能、模拟和PWM调光端。 PWMOUT引脚连接着PWM引脚。 PWM有一个内部下拉电阻。如果不使用，则连接到INTVCC引脚。 ：该引脚需要一个外部上拉电阻。当PWM输入为低电平、DC/DC转换OPENLED 器处于空闲状态时，引脚锁存上一次PWM输入为高电平时的有效状态。当OPENLED PWM输入再次为高电平时，引脚将被更新。该引脚可用于报告LED的开路OPENLED 故障。 SS：软启动引脚。该引脚用于调节振荡器频率和补偿引脚VC的电压。软启动间隔 由一个外部电容器设置。该引脚有一个10A（典型）的上拉电流源。在欠压条件（检测 引脚）或限热条件下，SS引脚复位到GND。 SHDN/UVLO RT：开关频率调节引脚。使用接地电阻设置频率。不能让RT引脚开路。 ：关闭和欠压检测引脚。SHDN/UVLO INTVCC：为内部负载、栅极驱动和PWMOUT驱动提供稳压电源。由VIN供应，调 节至7V（典型值） 。必须连接一个4.7F的旁路电容。如果VIN总是小于或等于 7V，INTVCC直接与VIN 相连。 VIN：输入电源引脚。必须连接一个0.22F（或更大）的旁路电容。 SENSE：控制回路的电流检测引脚。此引脚与开关电流检测电阻，RSENSE的一端与 NFET的源极相连。检测电阻另一端连接到GND。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 22 图4-2 LT3755结构框图 GATE：N沟道FET的栅极驱动输出引脚。 PWMOUT： PWM信号的缓冲输出。该引脚还具有FB过压条件下的保护功能。 FB：电压回路反馈引脚。 FB用于恒定电压调节和LED开路检测。通过DC/DC转 换器，内部跨导放大器调节FB至1.25V（额定） 。 ISN：与电流反馈电阻负端连接。输入偏置电流典型值为20A。 3V以下时，ISN 通过置GATE为0V来达到短路电流保护。 ISP：与电流反馈电阻正端连接。该管脚输入偏置电流典型值为30A。小于3.1V时， ISP具有短路电流保护功能。 VC：跨导误差放大输出引脚，用于稳定与一个带有RC网络的电压回路。当PWM 为低电平时，该引脚为高阻抗，为下一个PWM电平状态储存需要的电流。该引脚与 GND之间通过一个电容相连，一个电阻与电容串联提供快速瞬态响应。 CTRL：电流检测门限调整引脚。调节VISP - VISN阈值。CTRL线性范围从GND到 1.1V。不要让这个引脚开路。 Exposed Pad：散热端，内部接地。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 23 4.3 LT3755 工作原理工作原理 LT3755是一个恒定频率、电流模式控制器。由INTVCC提供的内部调节的7V电源来 驱动一个低压侧外部N沟道MOSFET、GATE引脚以及PWMOUT引脚。正常工作条件 下，PWM引脚为低电平时，GATE和PWMOUT引脚输出电压为0V，VC引脚输出高 阻抗，通过外部补偿电容来存储先前的开关状态，ISP和ISN引脚偏置电流降低到泄漏电 流水平以下。当PWM引脚变为高电平时， PWMOUT经过短暂的延迟后输出高电平。 同时内部振荡器开始工作，打开外部功率MOSFET开关（栅极变高） 。和开关电流成比 例的采样电压（通过检测外部SENSE和GND输入引脚之间的电流检测电阻） ，与一个稳 定的斜率补偿电压之和，作为“开关电流检测”信号反馈到PWM比较器的正极。在开关 打开的时间内外部电感上的电流稳定增加。当开关电流检测电压超过了误差放大器的输 入（VC）时，锁存器复位并且开关关闭。在关闭阶段，电感电流下降。在每个振荡周期 结束时，诸如斜率补偿等内部信号返回他们的初始值，然后等待新的周期。 通过这种周期循环，控制开关的导通时间，以调节负载的电流或电压。VC是ISP和 ISN之间的电压的放大信号，而基准差异电压由CTRL引脚设置。在这种方式下，误差放 大器通过设置基准的峰值开关电流大小来调节LED电流。如果误差放大器输出增加，开 关需要更大的电流，如果减少，需要的电流将减少。在导通阶段SENSE引脚监测开关电 流，并且该引脚电压不能超过100mV的电流限制阈值（典型值） 。如果SENSE引脚超过 电流限制阈值时，无论PWM比较器输出状态如何，SR锁存器复位。同样，ISP /ISN共 模电压低于3V时，监测ISP和ISN之间的差异，以确定是否输出短路。如果ISP和ISN之 间的电压差大于150mV（典型值） ，SR锁存器被复位。这些功能是为了保护电源开关以 及DC/DC转换器电源路径中的各种外部元件。 电压反馈模式工作原理与上述电流模式类似，除了VC引脚的电压（此处为内部基准 电压源1.25V（额定）和FB引脚的电压差放大值） 。如果FB引脚电压比内部基准电压低， 开关电流将增加，反之，如果FB引脚电压比基准电压高，开关电流将减少。LED电流检 测反馈与FB电压反馈共同作用，使FB引脚电压不超过内部电压阈值，并且ISP和ISN引 脚之间的电压不会超过CTRL引脚设置的电压阈值。若要完全关闭电压回路，可将FB连 接到GND。若要完全关闭LED电流回路，则将ISP和ISN引脚连接在一起，并且CTRL 引脚连接到VREL。 LT3755电压反馈引脚FB具有两个具体的控制功能。首先，当FB引脚电压减少量达 到50mV以下（FB阈值电压（1.25V）的-4%）时，引脚下拉驱动程序被 OPENLED 激活。此功能提供了一个状态指示（显示负载可能被断开） ，恒定电压反馈回路开始控制 开关稳压器。当FB引脚电压增加量超过60mV以上（FB阈值电压的5%）时，不管 苏州大学本科生毕业设计（论文） 24 PWM输入状态如何，PWMOUT引脚驱动输出低电平信号。在PWMOUT引脚驱动一 个断开NFET情况下，LED负载与GND断开，以达到过电流保护的功能。如果FB引脚 电压输入超过LED开路电压和过压（OV）电压阈值，引脚将无效并被锁定， OPENLED 直到FB引脚电压下降到这两个阈值以下。 4.4 设计电路设计电路 与白炽灯、荧光灯和高压钠灯首选的高压AC电源不同，LED一般使用电压低得多的 DC电压源，根据应用和LED配置的不同，电压范围一般从仅为8V72V。驱动电路要求 以在宽范围内变动的电池电压作为工作电源时，能够提供恒定和受控的LED电流。本设 计采用PWM模式Buck型开关电源，输入电压为15-40V，输出电流为恒定的1.4A，驱 动一串大功率白光LED，具有1000:1的恒定彩色条件下的高调光比（PWM调光） 、低电 流消耗、高效率、短路保护和开路LED保护等功能。 电路原理图如下： 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:21-Jun-2010Sheet of File:E:protelzqy.ddbDrawn By: 187k 1.5k 0.033 1M 0.068 22.1k 1k 28.7k 400kHz 47k 100k 249k ISP 14 ISN 13 FB 12 PWMOUT 11 GATE 10 SENSE 9 SHDN/UVLO 6 VREF 1 CTRL 16 PWM 2 SS