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

作     者：胡俊杰 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常昌远;李祖华

授予年度：2016年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：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 

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。