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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃丙欽
研究生(外文):Bing-Cin Huang
論文名稱:具動態斜率補償之白光LED驅動電路設計
論文名稱(外文):An Input Range from 2.5V to 3.3V Boost Converter with Dynamic Slope-Compensation in Current-Programmed Mode
指導教授:鍾文耀鍾文耀引用關係
指導教授(外文):Wen-Yaw Chung
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:134
中文關鍵詞:斜率補償調光控制升壓轉換器尖峰電流模式脈波寬度調變電流感測器切換頻率
外文關鍵詞:boost converterslope compensationcurrent-modepulse width modulationcurrent sensorswitch frequencydimming
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本研究以可攜式產品應用為出發點,由於目前市場上可攜式產品之電源主流為鋰電池,其電壓大約2.5V~4V間,而白光LED之導通電壓約為3V~4V間,而在使用白光LED為背光應用下,因其LED特性因素,其LED皆為串聯使用,因此需一升壓驅動電路來驅動LED背光。
本文以TSMC 0.35um 2P4M Mixed-Signal 3.3/5V製程技術進行設計,呈現具有可變斜率補償之白光LED升壓驅動電路,透過此可變斜率補償機制,可增進在輸入電壓源或負載發生變動時,升壓轉換器恢復穩定之時間,並且也可減少在輸入電壓源或負載發生變動時,升壓轉換器輸出受補償之影響,文中主要依據升壓轉換器架構,並利用尖峰電流模式及脈波寬度調變控制進行設計。
文中提出多個改良式電路,尤以電流感測電路,改善舊型電路在積體化實現之困難度,而改良型電路則有助於積體化之實現,最後,以整體電路而言,其輸入電壓源在2.5V~3.3V皆可正常運作,切換頻率為1MHz,與85°C之過溫度保護及8.5V之過電壓保護,輸出電流為20mA,並且具備可調光控制之功能,在負載為一個LED與輸入電壓源為2.5V下,其轉換器之效率可高達87﹪。
This research aims to produce a circuit that may be used as drivers for the LEDs used as backlight for LCD of portable devices. The forward voltage of an LED is about 3V~4V. But most of the portable products use lithium battery as power supply which has a battery potential of about 2.5V~4V. Therefore, a step-up driver is needed for the driving of LEDs in series.
This research uses the TSMC 0.35um 2P4M Mixed-Signal 3.3/5V process technology in developing a boost converter with dynamic slope compensation with programmable current mode. When the power supply or load LED changes, the charge time is accelerated by the dynamic slope compensation thereby improving the line regulation and load regulation. The design of the driver is based on current-mode pulse width modulation (PWM) boost converter.
The research will show an improvement as compared to the traditional LED driver circuit. The designed LED driver has an additional current sensor. The designed circuit shows a power supply range from 2.5V to 3.3V, switching frequency 1MHz, high temperature protection up to 85°C, over voltage protection of up to 8.5V, an output current of 20mA, and a function of dimming control. The driver shows an efficiency of 87o/o under the condition of having one LED load and input power supply of 2.5V.
摘 要 I
ABSTRACT II
誌 謝 III
目 錄 IV
圖索引 VI
表索引 IX
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 1
1-3 文獻回顧 4
1-4 研究動機和目的 5
1-5 研究方法與流程 6
第二章 原理簡介 7
2-1 白光LED驅動電路分類 7
2-2 白光LED驅動電路所需具備之功能 9
2-3 升壓轉換器原理及分析 10
2-4 連續導通模式及非連續導通模式操作條件 15
2-5 效率之探討 17
第三章 升壓轉換器設計 25
3-1 被動元件選擇 25
3-2 轉移函數推導與分析 27
3-2-1 電路平均與平均切換模型建立 28
3-2-2 系統轉移函數推導 32
3-2-3 誤差放大器設計 35
3-3 尖峰電流控制及斜率補償 37
3-4 硬切換與軟切換 41
第四章 晶片系統設計 45
4-1 升壓系統架構 45
4-2 能帶隙參考電路 46
4-3 運算放大器設計 51
4-4 具遲滯比較器設計 53
4-5 振盪器電路設計 58
4-6 軟啟動電路設計 66
4-7 過溫度保護電路 71
4-8 過電壓保護電路 74
4-9 電流感測電路設計 75
4-10 斜率補償電路設計 79
4-11 誤差放大器 84
4-12 升壓系統模擬 85
4-13 晶片佈局 89
第五章 討論 93
第六章 晶片量測 99
6-1 能帶隙參考電路量測 99
6-2 晶片系統測試組態 102
第七章 結論及未來展望 105
7-1 結論 105
7-2 未來展望 106
參考文獻 107
附錄A 第一版本振盪器測試報告 111
附錄B 第一版本升壓系統晶片測試報告 116
附錄C 口試委員問答 124

圖1-1 白光LED之白平衡[1] 2
圖1-2 白光LED頻譜分布[2] 2
圖1-3 (A)白光LED I-V特性曲線 (B)RGB LUMINOSITY-I曲線[1] 3
圖1-4 研究流程圖 6

圖2-1 (A)電壓源驅動電路 (B)電流源驅動 7
圖2-2 BOOST CONVERTER 架構 10
圖2-3 BOOST CONVERTER實際電路實現 10
圖2-4(A)POWER MOS ON等效電路圖 (B)POWER MOS OFF等效電路圖 11
圖2-5 POWER MOS控制訊號波形 12
圖2-6 VO對D之關係 14
圖2-7 CCM模式下流經電感之電流波形 16
圖2-8 KCRIT(D)對D值之關係 17
圖2-9(A)POWER MOS導通之等效電路 (B)POWER MOS截止之等效電路 19
圖2-10(A)由(44)式所得之等效電路 (B)由(45)式所得之等效電路 20
圖2-11 將圖2-12(A)與圖2-12(B)結合後之等效電路 20
圖2-12 將2-11圖之等效電路化簡後而得 21
圖2-13 由(2.45)式所建構之等效電路 22
圖2-14 由(2.46)式所建構之等效電路 22
圖2-15 將以上兩電路(圖2-13、圖2-14)結合後之等效電路 23
圖2-16 不考慮POWER MOS導通電組之效率對DUTY CYCLE曲線 24
圖2-17 考慮POWER導通電阻之效率對DUTY CYCLE曲線 24

圖3-1 輸出連波之波形 26
圖3-2 BOOST CONVERTER之開關網路 28
圖3-3 V1(T)對時間之關係曲線 28
圖3-4 I2(T)對時間之關係曲線 29
圖3-5 SWITCH NETWORK 轉換成等效之模型 29
圖3-6 將相依電源以(3.10)、(3.11)式之關係表示 30
圖3-7 利用(3.14)、(3.15)式所得之等效電路 31
圖3-8 將3-7圖之等效電路化簡所得 31
圖3-9 BOOST CONVERTER AC等效模型 32
圖3-10 AC等效電路化簡 32
圖3-11 白光LED系統架構圖 34
圖3-12 比較器之電路圖 35
圖3-13 系統轉移函數之波德圖 36
圖3-14 加入補償電路後之波德圖 36
圖3-15 補償電路架構圖 37
圖3-16 尖峰電流控制電路區塊圖 38
圖3-17 尖峰電流控制型態下電感電流波形圖[16] 39
圖3-18 加入斜率補償之電感電流波形[16] 40
圖3-19 加入斜率補償後之架構圖 40
圖3-20 硬切換特性示意圖 41
圖3-21 ZVS導通示意圖 42
圖3-22 ZCS截止示意圖 42
圖3-23 ZCT或ZVT切換示意圖 43

圖4-1 升壓系統架構圖 46
圖4-2 能帶隙參考電路 47
圖4-3 能帶隙參考電路輸出電壓對溫度關係曲線 48
圖4-4 能帶隙參考電路輸出電壓對電源關係曲線 49
圖4-5 能帶隙參考電路電源拒斥比模擬圖 49
圖4-6 兩級式運算放大器 51
圖4-7 運算放大器增益與相位模擬 52
圖4-8 預先放大器 54
圖4-9 正迴授電路之決策電路 54
圖4-10 輸出緩衝器 55
圖4-11 高性能軌對軌比較器 56
圖4-12 比較器遲滯範圍模擬圖 56
圖4-13 比較器延遲時間模擬(PRE-SIMULATION) 57
圖4-14 比較器延遲時間模擬(POST-SIMULATION) 57
圖4-15 比較器前級放大增益模擬 57
圖4-16 振盪器架構圖 58
圖4-17 振盪器POST-SIMULATION VDD=2.5V 59
圖4-18振盪器POST-SIMULATION VDD=3.3V 59
圖4-19 改良型振盪器電路 62
圖4-20 NMOS電容 63
圖4-21 NMOS剖面圖 64
圖4-22 改良型振盪器電路模擬圖(VDD=2.5) 64
圖4-23 改良型振盪器電路模擬圖(VDD=3.3) 65
圖4-24 軟啟動電路架構圖 67
圖4-25 軟啟動電路內部電路圖 68
圖4-26 改良型軟啟動電路 69
圖4-27 軟啟動電路模擬圖 70
圖4-28 軟啟動電路模擬曲線 71
圖4-29 過溫度保護電路 72
圖4-30 VT點電壓負溫度係數模擬 72
圖4-31 過溫度保護電路模擬 73
圖4-32 過電壓保護電路模擬 75
圖4-33 電流感測電路 76
圖4-34 電流感測器於POWER MOS導通之情形 77
圖4-35電流感測器於POWER MOS截止之情形 78
圖4-36電流感測電路模擬圖 78
圖4-37 斜率補償電路架構圖 79
圖4-38 斜率補償電路第二級電路圖 80
圖4-39 斜率產生器第三級電路 81
圖4-40 斜率補償電路圖 83
圖4-41 斜率補償電路模擬圖 84
圖4-42 改良型誤差放大器 85
圖4-43 升壓系統模擬圖 86
圖4-44 DIMMING 25%模擬圖 87
圖4-45 DIMMING 50%模擬圖 88
圖4-46 DIMMING 75%模擬圖 88
圖4-47 運算放大器差動對佈局 89
圖4-48 陣列式電阻佈局圖 90
圖4-49 陣列式MOS電容佈局圖 90
圖4-50 核心電路佈局 91
圖4-51 晶片系統佈局圖 92

圖5-1文獻[9]電流感測器電路[9] 94
圖5-2 電流感測器電路 94
圖5-3 斜率補償電路 95
圖5-4 有使用可變斜率補償之LINE REGULATION模擬圖 97
圖5-5 沒有使用可變斜率補償之LINE REGULATION模擬圖 97

圖6-1能帶隙輸出電壓對溫度統計圖 101
圖6-2能帶隙輸出電壓對輸入電壓統計圖 101
圖6-3 LM317 REGULATOR電路圖 102
圖6-4測試組態 103

表2-1串聯式與並聯式驅動電路比較表 8

表4-1 0.35UM製程下之電阻溫度係數 48
表4-2 能帶隙參考電路模擬結果 50
表4-3 同製程與架構之能帶隙參考電路比較 50
表4-4 兩級式運算放大器模擬結果 52
表4-5振盪頻率對製程變異之關係 60
表4-6 振盪頻率對溫度之關係 60
表4-7 改良型振盪器與製程變異之關係 65
表4-8 改良型振盪器電路受溫度之影響 66
表4-9 升壓系統PRE-LAYOUT SIMULATION結果 86
表4-10 升壓系統POST-LAYOUT SIMULATION結果 86

表5-1本研究與其他參考資料比較表 98

表6-1能帶隙參考電路輸出電壓對溫度之關係 99
表6-2能帶隙參考電路於25℃下輸出電壓對輸入電壓之關係 100
表6-3 IC腳位編號 103
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