CN101714750B - 基于pwm分流的led保护芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PWM分流的LED保护芯片，包括PWM分流开关、供电单元、电压检测单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元；PWM分流开关并联在LED两端，通过控制其工作占空比控制流过LED的电流；芯片供电取自LED的两端，经供电单元处理后为其它单元供电；供电单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元的接地端与LED阴极相连；电压检测单元和温度检测单元分别检测LED两端的电压及LED的结温，其输出的检测信号接PWM控制信号产生单元；PWM控制信号产生单元产生的PWM信号接PWM分流开关的控制端，实现LED的恒温、过压和断路保护。该LED保护芯片保护功能全、功率损耗小、供电简单、集成容易。

Description

基于PWM分流的LED保护芯片
技术领域
本发明涉及LED的保护领域，尤其涉及一种基于PWM分流的LED保护芯片。
背景技术
LED具有光线质量高、节能、绿色环保等优点，其应用越来越广泛。由于LED的光电转换效率不高，大约只有15％-20％左右的电能转化为光输出，其余转换为热能，这会使LED的结温上升。LED的相对发光效率会随着温度的升高而呈线性降低，光衰比较严重；LED的发光波长在温度超过50℃后会随温度的升高发生显著漂移，使光线质量下降；LED的结温升高也会显著缩短LED的工作寿命，资料显示，超过一定温度，LED的结温上升8～10℃，其工作寿命将按指数规律下降一倍左右，所以保证LED的结温不升高很重要。
目前常见的解决方法是：一是改善器件内部封装结构，提高LED传导热量的能力；二是加散热器，增加LED向外界散热的能力；三是根据LED温度调节驱动电源的供电电压或电流，减小LED的发热，但是此种方法会因为某一个LED的温度问题而影响其它与其串联或并联的LED的正常工作。
每个LED的功率不大，因此常把多个LED串联使用，一个LED不工作会导致其它与之串联的LED都不工作。为保证各个LED的可靠导通，每个LED还需要过压和断路保护。
现有技术中，常在LED两端反向并联一个稳压管，但是其保护时，稳压管的功率损耗比较大。还有一种方法是在LED两端并联可控硅整流器SCR，利用可控硅整流器SCR导通时压降非常小的优点，实现保护电路的低功耗。由于可控硅整流器SCR为半控器件，其关断不可控，如果开关误动作导通后，不能自动实现开关复位。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种能够通过闭环控制实现每一个LED恒温过压断路保护，功率损耗小，并具有保护自动复位功能的基于PWM分流的LED保护芯片。
本发明提供的基于PWM分流的LED保护芯片，包括PWM分流开关、供电单元、检测LED温度的温度检测单元和PWM控制信号产生单元；所述PWM分流开关并联在LED的两端；所述供电单元输入端接LED的阳极，输出端分别接温度检测单元和PWM控制信号产生单元；所述温度检测单元的输出端接入PWM控制信号产生单元；所述PWM控制信号产生单元的输出端接入PWM分流开关的控制端；所述供电单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元的接地端与LED的阴极相连。
进一步，还包括电压检测单元，所述电压检测单元的输入端与供电单元连接，输出端接入PWM控制信号产生单元，所述电压检测单元的接地端与LED的阴极相连；
进一步，所述供电单元包括供电预处理电路和稳压电路，所述PWM控制信号产生单元包括振荡电路和逻辑功能电路；所述供电预处理电路的输入端与LED的阳极连接，输出端分别接稳压电路和电压检测单元；所述稳压电路的输出端分别接入电压检测单元、温度检测单元、逻辑功能电路和振荡电路；所述电压检测单元、温度检测单元和振荡电路的输出端接入逻辑功能电路；所述逻辑功能电路的输出端接入PWM分流开关的控制端；
进一步，所述供电预处理电路包括二极管D1和电容C1，所述二极管D1的阳极接LED的阳极，二极管D1的阴极接电容C1的一端，电容C1的接地端与LED的阴极相连；
进一步，所述电压检测单元包括迟滞比较器I、迟滞比较器II、反相器Not1、反相器Not2、电阻R7和电阻R8串联组成分压支路I以及电阻R9和电阻R10串联组成分压支路II；所述电阻R7和电阻R9的一端连接稳压电路，电阻R8和电阻R10的一端接入LED的阴极；所述迟滞比较器I包括比较器Comp1、电阻R1和电阻R2，迟滞比较器I的电压UREF1为电阻R8两端的电压；所述迟滞比较器II包括比较器Comp2、电阻R3和电阻R4，迟滞比较器II的电压UREF2为电阻R10两端的电压；
进一步，所述振动器包括电阻RT、电容CT、迟滞比较器III、反相器Not3、放电开关Q1以及电阻R11和电阻R12串联组成的分压支路III；所述电阻R11的一端连接稳压电路，电阻R12的一端接LED的阴极；所述迟滞比较器III包括比较器Comp3、电阻R13和电阻R14，迟滞比较器III两端的电压UREF3为电阻R12两端的电压，迟滞比较器III输出的PWM分流开关频率的窄脉冲UQ和逻辑功能比较用的锯齿波UCT分别接入逻辑功能电路，且窄脉冲UQ接电容CT的放电开关Q1的控制端；
进一步，所述温度检测单元包括串联的热敏电阻RNTC和电阻R15，所述稳压电路与热敏电阻RNTC连接；热敏电阻RNTC设置在LED上，其温度检测信号UT接入逻辑功能电路。
本发明还提供了一种基于PWM分流的LED保护芯片，包括PWM分流开关、供电单元、电压检测单元和PWM控制信号产生单元；所述PWM分流开关并联在LED的两端；所述供电单元输入端接LED的阳极，输出端分别接电压检测单元和PWM控制信号产生单元；所述电压检测单元的输出端接入PWM控制信号产生单元；所述PWM控制信号产生单元接PWM分流开关的控制端；所述供电单元、电压检测单元和PWM控制信号产生单元的接地端与LED的阴极相连。
本发明的有益效果：基于PWM分流的LED保护芯片采用PWM分流开关并联在LED两端，通过控制其工作占空比控制流过LED的电流；芯片供电取自LED两端，经供电单元处理后为供电单元、温度检测单元、电压检测单元和PWM控制信号产生单元供电，不需要额外的电源单独供电；电压检测单元和温度检测单元分别检测LED两端的电压及LED的结温，其输出的检测信号接PWM控制信号产生单元；PWM控制信号产生单元产生的PWM信号接PWM分流开关的控制端，实现LED的恒温、过压和断路保护。该LED保护芯片能够闭环控制PWM分流开关实现每一个LED的恒温过压断路保护，不会影响其它LED的正常工作，保护功能全、功率损耗小、供电简单、集成容易。
附图说明
图1为本发明在LED上使用的工作原理图；
图2为本发明的结构原理示意图；
图3为本发明的功能结构原理示意图；
图4为供电预处理电路的结构示意图；
图5为电压检测单元的结构示意图；
图6为图5中迟滞比较器I的工作波形图；
图7为图5中迟滞比较器II的工作波形图；
图8为振荡电路的结构示意图；
图9为温度检测单元的结构示意图；
图10为逻辑功能电路工作的时序逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
图1为本发明在LED上使用的工作原理图，如图所示：图中采用三个LED串联，分别在LED1、LED2和LED3的两端各并联一个PWM分流开关，通过调节该并联的PWM分流开关(S1、S2、S3)的占空比，实现各个LED的恒温过压断路保护。控制PWM分流开关占空比的控制信号是根据检测的LED温度、过压和断路信号的变化。LED正常工作并且温度低于温度保护点时，PWM分流开关的占空比为0，开关始终处于断开状态，不影响LED的正常工作。LED的温度超过温度保护点时，芯片内部的逻辑功能电路根据温度信号产生占空比大于0的驱动信号来控制PWM分流开关，实现对LED的分流，从而减小流过LED的平均电流，减少LED的发热，降低LED的温度。若LED的温度升高，PWM分流开关的驱动信号的占空比增大，流过LED的平均电流减小，LED的发热就会减少，LED的温度就会降低，从而实现LED温度的闭环保护，通过此闭环控制能够使LED的温度稳定在设定的温度保护点。当LED出现过压或断路时，芯片内部的逻辑功能电路根据检测的LED两端的电压信号产生占空比为1的驱动信号，PWM分流开关一直导通，将LED短路，而不影响与其串联的LED的工作，并且PWM分流开关的导通压降非常小，所以保护时的功率损耗很小。
图2为本发明的结构原理示意图，如图所示：基于PWM分流的LED保护芯片包括PWM分流开关、供电单元、电压检测单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元。PWM分流开关并联在LED两端，U+接LED的阳极，U-接LED的阴极；供电单元的输入端接LED的阳极，输出端分别接电压检测单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元；电压检测单元和温度检测单元的输出端接入PWM控制信号产生单元；PWM控制信号产生单元接PWM分流开关的控制端；供电单元、电压检测单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元的接地端与LED的阴极相连。上述结构可实现LED恒温过压断路保护。当然，保护芯片也可只采用电压检测单元实现LED过压断路保护；还可只采用温度检测单元实现LED恒温保护。
图3为本发明的功能结构原理示意图，如图所示：供电单元包括供电预处理电路和稳压电路，PWM控制信号产生单元包括振荡电路和逻辑功能电路；供电预处理电路的输入端与LED的阳极(U+)连接，供电预处理电路的输出端分别接稳压电路和电压检测单元；稳压电路的输出端分别接入电压检测单元、温度检测单元、逻辑功能电路和振荡电路；温度检测单元检测LED的温度；电压检测单元、温度检测单元和振荡电路的输出端接入逻辑功能电路；逻辑功能电路的输出端接入PWM分流开关的控制端。
供电预处理电路、稳压电路、电压检测单元、温度检测单元、逻辑功能电路和振荡电路的接地端分别与LED的阴极(U-)连接。供电预处理电路主要功能是为稳压电路、电压检测单元、温度检测单元、逻辑功能电路和振荡电路的正常工作提供不间断的工作电压。由于基于PWM分流的LED保护芯片工作电压直接取自LED两端，芯片保护工作时，LED两端的电压会产生0V与导通电压值之间的跳变，跳变的电压会严重影响芯片的正常工作，所以需要供电预处理电路将LED两端跳变的电压转化为保证芯片内其他部件正常工作的不间断的电压。稳压电路可采用使用普遍、易获取的稳压二极管实现稳压，主要功能是为芯片内部其它单元的正常工作提供恒定的电压。电压检测单元的功能是通过检测供电预处理电路的输出电压，判断LED是否过压或断路，并将产生的对应的电压信号输出。振荡电路的主要功能是产生决定PWM分流开关动作频率的窄脉冲和逻辑功能电路中用于比较的锯齿波。温度检测单元主要功能检测LED的温度，设置LED的温度保护点，温度检测单元将LED的温度转化为电压信号输出；逻辑功能电路的功能是将温度检测单元输出的电压信号、电压检测单元输出的电压信号和振荡电路输出的信号进行处理，产生相应的驱动信号控制PWM分流开关，实现恒温过压断路保护。PWM分流开关并联在保护的LED两端，通过导通与关断调节流过LED的平均电流，实现LED的恒温过压断路保护。
图4为供电预处理电路的结构示意图，如图所示：供电预处理电路包括二极管D1和电容C1，二极管D1的阳极端接LED的阳极，二极管D1的阴极接电容C1的一端，电容C1的接地端与LED的阴极相连。由于LED的工作电流ID远远大于保护芯片的工作电流IU，使得电容C1的放电时间远远大于电容C1的充电时间，从而能够保证该电路给芯片提供不间断的工作电压UC1，并且UC1的最大值为LED两端电压的最大值，UC1能够反映LED两端的过压和断路情况。LED断路或过压时，开关占空比应为1，此时UC1的电压情况将结合电压检测单元进行判别。
图5为电压检测单元的结构示意图，图6为图5中迟滞比较器I的工作波形图，图7为图5中迟滞比较器II的工作波形图，如图所示：电压检测单元包括迟滞比较器I、迟滞比较器II、反相器Not1、反相器Not2、电阻R7和电阻R8串联组成分压支路I以及电阻R9和电阻R10串联组成分压支路II。电阻R7和电阻R9的一端连接稳压电路，电阻R8和电阻R10的一端接入LED的阴极；迟滞比较器I包括比较器Comp1、电阻R1和电阻R2，迟滞比较器I的电压UREF1为电阻R8两端的电压；迟滞比较器II包括比较器Comp2、电阻R3和电阻R4，迟滞比较器II的电压UREF2为电阻R10两端的电压。由于供电预处理电路输出的最大电压始终等于LED两端的最大电压，它的输出能够反映LED两端过压或断路的情况，所以电压检测单元的输入为供电预处理电路的输出。UREF1、R1、R2设置迟滞比较器I的两个门限值，UREF2、R2、R3设置迟滞比较器II的两个门限值，UREF1、UREF2可以通过稳压电路UREF分压得到。迟滞比较器I、迟滞比较器II的工作波形如图6和图7所示。其中，Ua、Ub为迟滞比较器I的两个阈值，Ua、Uc为迟滞比较器II的两个阈值，Ud是迟滞比较器输出高电平时的电压值。由于Uc＞Ub，所以U2＞0时，U1＞0。当UC1＜Ua时，U1＜0，U2＜0，PWM分流开关占空比为0，PWM分流开关关断。Ua＜UC1＜Ub时，PWM分流开关占空比由温度信号决定，PWM分流开关的频率有振荡电路决定，温度太高，PWM分流开关占空比会达到1。UC1＞Ub时，进行过压断路保护，PWM分流开关占空比为1。但是PWM分流开关占空比为1时，PWM分流开关始终导通，LED两端的电压始终为0，UC1会因电容C1一直放电而减小，减小到UC1＜Ua时，PWM分流开关关断，电容C1重新充电。如果是温度保护导致的占空比为1，则UC1＞Ub时，芯片重新开始温度保护工作，PWM分流开关占空比重新变为1，此时电容C1的充电时间为：t1＝[C1*(Ub-Ua)]/ID＜0.2us(C1＝0.1uF，Ua＝2.5V，Ub＝3V，ID＝300mA)。如果是过压断路保护导致的占空比为1，则UC1＞Uc后，芯片重新开始过压断路保护工作，PWM分流开关占空比重新变为1，电容C1的充电时间：t1＝[C1*(Uc-Ua)]/ID＜0.5us(C1＝0.1uF，Ua＝2.5V，Uc＝4V，ID＝300mA)。无论哪种情况，电容C1的充电时间都非常短，能保证芯片正常工作。
图8为振荡电路的结构示意图，如图所示：振动器包括电阻RT、电容CT、迟滞比较器III、反相器Not3、放电开关Q1以及电阻R11和电阻R12串联组成的分压支路III；电阻R11的一端连接稳压电路，电阻R12的一端接入LED的阴极；迟滞比较器III包括比较器Comp3、电阻R13和电阻R14，迟滞比较器III两端的电压UREF3为电阻R12两端的电压，迟滞比较器III输出的PWM分流开关频率的窄脉冲UQ和逻辑功能比较用的锯齿波UCT分别接入逻辑功能电路，且窄脉冲UQ接电容CT的放电开关Q1的控制端。UREF3、R13和R14设置迟滞比较器III的两个门限值，门限值决定UCT的峰值和谷值。改变电阻RT和电容CT的值可以调节窄脉冲的频率，进而调节PWM分流开关的开关频率。电阻RT和电容CT可集成在芯片内部，设计时确定电阻RT和电容CT的值来确定PWM分流开关的开关频率。电阻RT和电容CT也可以不集成在芯片内部，通过增加芯片引脚，将电阻RT和电容CT通过外接的方式连接到保护芯片上，这样可以比较方便的对PWM分流开关的开关频率进行外部调节。
图9为温度检测单元的结构示意图，如图所示：温度检测单元包括热敏电阻RNTC和电阻R15，热敏电阻RNTC和电阻R15串联，稳压电路与热敏电阻RNTC连接，热敏电阻RNTC设置在LED上，检测LED的温度信号，其温度检测信号UT输出端接入逻辑功能电路。温度信号能够改变热敏电阻RNTC的电阻值。LED的温度越高，温度电压信号UT就越大。调节电阻R15可以调节LED的温度保护点。如果减小电阻R15值，可以降低LED的温度保护点，增大电阻R15值，可以增大LED的温度保护点。电阻R15可集成到芯片内部，此时集成后的芯片的温度保护点不可调。电阻R15也可以不用集成到芯片内部，通过增加芯片引脚，将电阻R15通过外接的方式连接到芯片上，此时LED的温度保护点可以通过改变电阻R15值进行外部调节。
图10为逻辑功能电路工作的时序逻辑图，如图所示：图中U1为电压检测单元的开启关断封锁信号；U2为电压检测单元的过压断路检测信号；UT为温度检测单元输出的温度电压信号；UTA为温度保护点对应的基准电压值；UCT为振荡电路中电容CT两端的电压，即为振荡电路输出的锯齿波；UQ为振荡电路输出的决定PWM分流开关频率的窄脉冲；US为控制PWM分流开关的驱动信号。当U1为低电平时，US封锁为低电平，PWM分流开关始终不导通；当U2为高电平时，U1一定为高电平，此时US封锁为高电平，PWM分流开关始终导通；当U1为高电平且U2为低电平时，US的占空比由UT的大小决定；当UT低于UTA时，US始终为低电平，占空比为0；当UT高于UTA时，US的占空比大于0，并且LED温度越高，UT就越大，US占空比也就越大。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：包括PWM分流开关、供电单元、检测LED温度的温度检测单元和PWM控制信号产生单元；所述PWM分流开关并联在LED的两端；所述供电单元输入端接LED的阳极，输出端分别接温度检测单元和PWM控制信号产生单元；所述温度检测单元的输出端接入PWM控制信号产生单元；所述PWM控制信号产生单元的输出端接入PWM分流开关的控制端；所述供电单元、温度检测单元和PWM控制信号产生单元的接地端与LED的阴极相连。
2.根据权利要求1所述的基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：还包括电压检测单元，所述电压检测单元的输入端与供电单元连接，输出端接入PWM控制信号产生单元，所述电压检测单元的接地端与LED的阴极相连。
3.根据权利要求2所述的基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：所述供电单元包括供电预处理电路和稳压电路，所述PWM控制信号产生单元包括振荡电路和逻辑功能电路；所述供电预处理电路的输入端与LED的阳极连接，输出端分别接稳压电路和电压检测单元；所述稳压电路的输出端分别接入电压检测单元、温度检测单元、逻辑功能电路和振荡电路；所述电压检测单元、温度检测单元和振荡电路的输出端接入逻辑功能电路；所述逻辑功能电路的输出端接入PWM分流开关的控制端。
4.根据权利要求3所述的基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：所述供电预处理电路包括二极管D1和电容C1，所述二极管D1的阳极接LED的阳极，二极管D1的阴极接电容C1的一端，电容C1的接地端与LED的阴极相连。
5.根据权利要求3所述的基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：所述电压检测单元包括迟滞比较器I、迟滞比较器II、反相器Not1、反相器Not2、电阻R7和电阻R8串联组成分压支路I以及电阻R9和电阻R10串联组成分压支路II；所述电阻R7和电阻R9的一端连接稳压电路，电阻R8和电阻R10的一端接LED的阴极；所述迟滞比较器I包括比较器Comp1、电阻R1和电阻R2，迟滞比较器I的电压UREF1为电阻R8两端的电压；所述迟滞比较器II包括比较器Comp2、电阻R3和电阻R4，迟滞比较器II的电压UREF2为电阻R10两端的电压。
6.根据权利要求3所述的基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：所述振荡电路包括电阻RT、电容CT、迟滞比较器III、反相器Not3、放电开关Q1以及电阻R11和电阻R12串联组成的分压支路III；所述电阻R11的一端连接稳压电路，电阻R12的一端接LED的阴极；所述迟滞比较器III包括比较器Comp3、电阻R13和电阻R14，迟滞比较器III两端的电压UREF3为电阻R12两端的电压，迟滞比较器III输出的PWM分流开关频率的窄脉冲UQ和逻辑功能比较用的锯齿波UCT分别接入逻辑功能电路，且窄脉冲UQ接电容CT的放电开关Q1的控制端。
7.根据权利要求3所述的基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：所述温度检测单元包括串联的热敏电阻RNTC和电阻R15，所述稳压电路与热敏电阻RNTC连接；热敏电阻RNTC设置在LED上，其温度检测信号UT接入逻辑功能电路。
8.一种基于PWM分流的LED保护芯片，其特征在于：包括PWM分流开关、供电单元、电压检测单元和PWM控制信号产生单元；所述PWM分流开关并联在LED两端；所述供电单元输入端接LED的阳极，输出端分别接电压检测单元和PWM控制信号产生单元；所述电压检测单元的输出端接入PWM控制信号产生单元；所述PWM控制信号产生单元接PWM分流开关的控制端；所述供电单元、电压检测单元和PWM控制信号产生单元的接地端与LED的阴极相连。
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