一种单片节能灯驱动芯片的保护电路设计.doc
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1、5221371 11号论文题目 一种单片节能灯驱动芯片的保护电路设计专业学位类别 工 程 硕 士学 号 200950301022作 者 姓 名 鄢 嫣指 导 教 师 方 健 教 授分类号 密级 UDC注1 学 位 论 文一种单片节能灯驱动芯片的保护电路设计(题名和副题名)鄢 嫣(作者姓名)指导教师 方 健教 授 电子科技大学成 都 崔晓东高级工程师 英特尔产品有限公司成 都(姓名、职称、单位名称) 申请学位级别 硕士 专业学位类别 工 程 硕 士 工程领域名称 集成电路工程提交论文日期 2014.03 论文答辩日期 2014.05 学位授予单位和日期 电子科技大学 2014年6月27日 答辩委
2、员会主席 评阅人 注1:注明国际十进分类法UDC的类号。PROTECTION CIRCUIT DESIGN OF A SINGLE ENERGY-SAVING LAMP DRIVER CHIPA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of China Major:Integrated Circuit EngineeringAuthor:Yan YanAdvisor:Fang JianSchool :School of Microelectronics and Solid-state E
3、lectronics独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名: 日期: 年 月 日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可
4、以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日摘 要摘 要随着我国经济的不断高速发展,人们现在更加重视节约能源,提倡对“绿色照明”的应用,特别是用各种节能灯替代传统的白炽灯的要求。本文针对一种单片节能灯的驱动芯片设计其保护电路,可适应在民用交流电220V工作环境下的稳定、高功效、低散热。本芯片采用的专门化器件集成模块,可以很好的将各器件隔离,并且尽量缩小设计的体积、工作过程和响应时间。本驱动芯片的保护电路主要是对脉冲触发电路、故障定时器的短路保护、外围电阻温度检测、异常电压电流控制电路、电流采样与比较电路、E
5、SD防静电保护电路的设计,达到对整个芯片的功能模块实现有效的保护。本文对保护电路的每个单元电路进行了电路图的设计,并完成仿真和实验测试。通过与设计参数的对比,本电路的实验测试结果可以达到预期标准,可在保证可靠性的条件下以低功耗、高效率运行。整个驱动电路的紧凑版图设计对于有体积要求的节能灯产品来说有着实际意义。本设计的保护电路,可应用于以发光二极管为功率器件的节能灯驱动芯片,从设计特性分析,也可用于其他低功率节能灯产品,其应用面广泛。设计保护电路部分的实现与测试仿真。本芯片采用的专门化器件集成模块,可以很好的将电磁、光耦隔离的缺点减小,并且有效控制了芯片的体积,缩短响应时间。本设计能够使芯片有较
6、好的封装形式和封装材料,以实现在可靠性的条件下达到低功耗、散热效果好,并降低成本。对本驱动电路的各部分电路,在实验环境下搭建了模拟的应用工作平台,使用实验测试仪器完成了对各项参数的采集和设计对比。通过测试结果分析,本设计的芯片的可以达到要求的功能和工作标准,保证了芯片工作中的散热性、稳定性、好的工作效率,并可适合运用于节能灯产品的生产。对ESD保护电路的半导体材料进行分析选用,并介绍在大规模生产环境下的静电防护工艺。设计出一款适用于发光二极管节能灯的功率驱动芯片保护电路。对设计中用到的各元器件进行定义的引用及功能介绍,着重完成保护电路的实现,并在此平台的基础上完成芯片驱动电路的版图设计。关键词
7、:短路保护,ESD防护,电流采样,外围电阻IABSTRACTABSTRACTWith the continuous rapid economic development, people now pay more attention to energy conservation, with the green light applications, especially the requirement to replace the traditional incandescent lamp with a variety of energy-saving lamps. In this paper,
8、 the design of its protection circuit for a single energy saving lamp driver chip, can be adapted to a stable, high efficiency, low heat dissipation at 220V AC civilian work environment. Specialized device integrated module of the chip can be good for each device isolation, and try to reduce the siz
9、e of the chip design, work processes and short response time. The driver chip protection circuits are mainly discussed on the pulse trigger circuit, short-circuit protection fault timer peripheral resistance temperature detector, abnormal signal generating circuit, compared with the current sampling
10、 circuit, ESD anti-static protection for the entire chip function modules to achieve effective protection.In this paper, each unit circuit of the protection circuit is schematics designed, and completed the simulation experimental testing. By comparing with the design parameters, experimental result
11、s of the circuit can reach the expectation and run at low power, high efficiency under conditions to ensure reliability. Effectively control the size of the chip, shorten response time.The design of the protection circuit can be used to power devices with LED energy saving lamp driver chip, from the
12、 design characterization, can also be used for other low-power energy-saving lighting products, its wide application surface. Implementation and testing simulation designed to protect part of the circuit. Disadvantages specialized device integrated module of the chip, and can be a good electromagnet
13、ic, optical isolators, decreases, and try to reduce the size of the chip design, work processes and short response time.Based on the integration requirements, this design enables a better chip packages and packaging materials in order to achieve low power conditions to achieve reliability, thermal e
14、ffects, and lower costs. Each part of the circuit of the drive circuit, in the experimental simulation environment to build applications work platform, using the experimental test instruments designed to collect and complete comparison of the various parameters. By analyzing the test results, you ca
15、n achieve the required functionality and working standards of the design of the chip, the chip work to ensure heat dissipation, stability, good efficiency, and suitable for the production of products used in energy-saving lamps. Analysis the semiconductor materials selection, and introduces electros
16、tatic protection technology in large-scale production environment of ESD protection circuit. Design a suitable energy-saving light-emitting diode lamp power driver IC. Refer to the design and function of the various components, which are focusing on the completion of the circuit to achieve protectio
17、n. Also complete the driver circuit chip layout design based on this platform on.Keywords: Short circuit protection, ESD protection, current sampling, peripheral resistanceII目录目录第一章 绪论11.1研究背景11.2 实用价值分析11.3 保护电路设计技术路线51.4本章总结7第二章 节能灯驱动电路芯片的功能器件82.1 LED发光二极管82.2 交流电子镇流器92.2.1交流电子镇流器的组成102.2.2交流电子镇流器
18、的优点102.3场致发光灯112.4保护电路结构设计132.5 本章总结16第三章 节能灯驱动芯片保护电路设计183.1 驱动芯片保护电路结构183.1.1 故障定时器的短路保护183.1.2 脉冲触发电路213.1.3 外围电阻温度检测233.2保护电路内部模块263.2.1 异常电压电流控制电路263.2.2 电流采样与比较电路273.3 ESD防静电保护电路313.4 整体保护电路的应用分析343.5 本章总结35第四章 芯片的ESD保护材料与生产工艺374.1 ESD防护材料选用374.2 芯片生产工艺的ESD保护404.2.1 二氧化碳的冲洗去除ESD404.2.2 ESD探测器41
19、4.3 本章总结43第五章 保护电路的芯片封装工艺与测试455.1 芯片封装工艺介绍455.1.1 MCM多芯片封装模式465.1.2 引线键合工艺介绍465.1.3 封装形式选用475.2 驱动电路整体版图495.3 芯片的仿真测试515.4 驱动电路芯片测试数据归纳575.5 本章小结58第六章 结论596.1 本电路的设计特点596.2 设计目标比较606.3 下一步工作计划60致 谢62参考文献63IV第一章 绪论17第一章 绪论1.1研究背景随着我国经济的不断高速发展,人们现在更加重视节约能源,提倡对“绿色照明”的应用,特别是用各种节能灯替代传统的大功耗白炽灯的要求,如图1-1所示常
20、见的两种节能灯产品。这进一步推动了设计者们使用高性能、具有控制器IC的智能功率集成电路。近几年来,我国在集成电路芯片的设计、生产、测试等方面取得了很大的进展,使得我们有能力生产国产自主知识产权的智能功率集成电路IC。 图1-1 不同样式的节能灯在上世纪中叶,科技工作者设计出了第一支半导体晶体管,它标志着世界的电子技术水平迈向了全新的台阶。之后的几十年,更多的高效多功能的半导体器件问世,并逐步进入到千家万户广泛地运用起来,大到飞机船舶,小到一个灯管。当代的电力电子技术,是指用功率器件控制、完成转换电能从而加以运用1。随后,微电子技术进一步产生巨大的发展,更为复杂的控制、驱动、保护等电路开始集成在
21、电力电子器件上,所以智能功率集成电路Smart power IC 就应运而生。高压智能功率集成技术的产生,又是对智能功率集成电路技术有了实现条件的支撑,它在国际、国内的市场各个行业都运用广泛,潜力也很大2。1.2 实用价值分析节能灯作为一种绿色照明产品,其使用的灯管材料和填充气体都是低污染低辐射的。相比于传统的白炽灯,其能耗低、发热少,并且对电能的转换率提高了很多。当前市场上节能灯已成为绝对的主流照明产品,应用于家庭、工业等各个领域。但节能灯的主要工作器件如半导体发光二极管,是不能够像白炽灯一样可以直接加交流电,而必须通过驱动。同时,如果外部的输入电流电压发生较大波动,很容易引起发光管的损毁。
22、因此,如何设计一款功耗低、保护性能好的驱动电路,是节能灯产品的不可缺少部分。从半导体行业的另一个角度看,本世纪开始,移动电子设备为最具吸引力的消费品,增长速度是非常迅速的。移动设备中的背光,包括各种显示屏以及车灯等,都是类似节能灯的半导体发光方式3。消费的刺激使更多的制造公司把研发和资金投入到半导体的发展中来,其中包括如手机、移动电脑、相机、玩具、娱乐设备等等。在国内一年的消费增长中,电子产品是最为快速和持续的。在通信行业也是如此,通信网络的不断发展,越来越高的带宽和浏览速度要求,使便携可移动的电源管理芯片(PMC)得到长足的发展壮大;对于家电领域,如电视、智能洗衣机、摄像设备、私家车的越来越
23、普及,智能控制芯片被更多行业重视,也成为了最顶尖和时尚的代表。可以这样说,科技是第一生产力,而智能芯片技术就是第一推进力。随着智能驱动芯片技术的逐步快速的前进,国内外半导体技术工作者们已经开始逐渐注意到功率驱动芯片抗干扰技术和防止电网污染技术4。行业内上逐渐研发出更多功率驱动芯片具有更高的工作功率以及更低的功耗,所需的电压降低,适用于移动设备的能力更强了。目前低功率驱动芯片的开发和推广工作已经开始进行中,并争取早日实现便携装置微型化。智能驱动芯片技术可以使芯片的工作电压输入输出电压都达到10以内的数量级,而且集成度高、散热性能好、工作过程稳定5。现在软开关、谐振变换、折叠绕组变压器和高性能铁芯
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