CN101778512A - 同步升降压型车载大功率led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种同步升降压型车载大功率LED驱动器。由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路连接组成。本发明能在LED出现故障或者LED输出短路时对LED和车载电源系统中进行快速保护。LED驱动器还具有高效率(最高可达95％)。具有恒电流输出的特点，有利于LED可靠工作。由于效率的提高，驱动器本身发热减小，体积重量进一步减小。

Description

同步升降压型车载大功率LED驱动器

技术领域

本发明涉及的是一种驱动电路，具体地说是一种车载大功率LED驱动器。

背景技术

近年来，半导体照明技术发展迅速。作为半导体照明技术的核心产品LED(发光二极管，以下都称LED)光源已对照明领域产生了深刻的影响，被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明光源^[1]。

在当前和未来的汽车中，LED照明应用将以前所未有地速度增长，这些应用从前灯到内部照明，种类很多。这些具体应用导致对大功率LED汽车应用中的LED驱动器有很多非常具体的性能要求。

目前，对车载LED驱动器有下面的需求：

1.体积要求小型化，大功率LED电源设计的小型化发展是一个必然的越势，这将有利于生产出能够替代现有照明灯的LED灯。2.多种保护和诊断功能，LED在电流过强时，会引起LED光学特性衰减，导致LED的寿命缩短，甚至损坏，这就需要驱动器提供过流保护、过热保护、短路保护等保护功能，以及LED驱动器故障诊断功能。3.高效率，车载LED驱动器的效率要大于85％；

文献[2]中的车载LED驱动器是目前普遍采用的驱动器类型，其主电路采用BOOST型拓扑结构。但是这种类型LED驱动器的缺点是如果出现负载短路或者LED灯两端电压过低时，驱动器的最低输出电压为汽车电池电压，无法实现电流保护。一旦出现上述故障将会损坏LED灯或者驱动电源，更有甚者可能影响汽车电池的正常工作，造成安全隐患。即使在LED驱动器的输入侧加入快速熔断器或是自恢复开关也无法保护LED灯，这是因为LED灯在熔断器和自动恢复开关动作前就已经损坏了(LED一旦过流或者过热非常容易损坏)。由于车载LED驱动器中的输入电压不高(目前汽车电池的额定电压为12V)，开关管和二极管的导通损耗使得驱动器的效率下降，文献[2]中驱动器的效率仅为85％。

与本发明相关的公开报道有：

[1]Y.K.Cheng，K.W.E.Cheng.General study for using LED to replacetraditional lighting devices.2006 2nd International Conference on Power ElectronicsSystems and Applications，2006：173-177；

[2]燕坤善，牛萍娟，付贤松，一种LED汽车头灯驱动电路，天津工业大学学报，2008，12。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能在LED出现故障或者LED输出短路时对LED和车载电源系统中进行快速保护，并且效率高的同步升降压型车载大功率LED驱动器。

本发明的目的是这样实现的：由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路连接组成。

本发明还可以包括这样一些技术特征：

1、所述的主电路由4只场效应管A～D、电感L、第一电容C1、第一电阻R1和待驱动的LED组成，输入电压的正极1接第一场效应管A的漏极，输入电源的负极2为系统中的参考地，第一场效应管A的源极与电感L的一端和第二场效应管B的漏极相连，第二场效应管B的源极与参考地相连，第三场效应管C的漏极与电感L的另一端和第四场效应管D的源极相连，第三场效应管C的源极与参考地相连，第四场效应管D的漏极与LED驱动器的输出端3和滤波电容的正极相连，并将作为输出连接LED灯的阳极，第一电容C1的负极板与参考地相连，第一电阻R1的一端与参考地相连，令一端与LED驱动器的输出端4。

2、所述的驱动脉冲产生电路由芯片U1，6只电阻R21～R26，6只电容C21、C22、C24、C27、C28、C29和2只二极管D21、D22组成；芯片U1的1脚为输出指示端，2脚为软启动端通过第二十一电容C21连接到参考地，3脚和4脚为电流保护输入端，5脚为误差放大器补偿点通过第二十二电容C22与第二十一电阻R21的串联后接参考地，6脚为反馈输入引脚，7脚为芯片的地，8脚为启动引脚通过第二十二电阻R22和第二十三R23将VIN电压分压后提供给7脚，9脚为工作方式选择通过第二十五电阻R25和第二十四电阻R24将VIN电压分压后提供给9脚，12脚为内部LDO控制端通过去耦第二十四电容C24接参考地，电源引脚21脚通过第二十六电阻R26接驱动器的输入电源接口1，由芯片U1内部产生的基准电压由19脚输出，19脚通过接第二十八电容C28和第二十九电容C29接参考地，13脚和24脚为升压浮动电源分别通过第二十七电容C27和第二十六电容C26接SW2和SW1脚、并分别通过第二十二二极管D22和第二十一二极管D21在给第二场效应B和第三场效应C导通时给第二十七电容C27和第二十六电容C26充电，第二十七电容C27和第二十六电容C26上的电荷分别用于驱动第一场效应A和第四场效应D，16引脚和18脚用来驱动下端的第二场效应管B和第三场效应管C，BG2、BG1通过接口分别接第二场效应管B和第三场效应管C的栅极，15引脚和22引脚通过接口分别接第一场效应管A和第四场效应管D的源极，14引脚和23引脚通过接口分别接第一场效应管A和第四场效应管D的栅极，芯片U1通过LED驱动器的输入直接供电，电源正极接6VCC，负极接6GND。

3、所述的反馈保护电路由运算放大器U2，5只电阻R41、R43～R46，电位器R42，二极管D41组成；运算放大器U2同相输入端通过电阻R43接LED驱动器的输出端3，第四十一电阻R41接在运放的反相输入端和参考地之间，第四十二电阻R42和第四十四电阻R44串联后接在运放的反相输入端和输出之间，运放U2和第四十一电阻R41、第四十二电阻R42、第四十四电阻R44组成同相比例运算电路，运放的输出接第四十五电阻R45，第四十五电阻R45的另一端接稳压管D41的阳极和第四十六电阻R46，第四十六电阻R46通过接口5接驱动脉冲产生电路的输入端5，第四十一二极管D41的阴极接LED驱动器的输出端3。

本发明的优点主要有：

1.能在LED出现故障或者LED输出短路时对LED和车载电源系统中进行快速保护。

2.LED驱动器还具有高效率(最高可达95％)。

3.具有恒电流输出的特点，有利于LED可靠工作。

4.由于效率的提高，驱动器本身发热减小，体积重量进一步减小。

附图说明

图1为本发明的原理框图；图2为本发明的主电路原理图；图3为本发明的驱动脉冲产生电路原理图；图4为本发明的反馈保护电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的同步升降压型车载大功率LED驱动器由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路组成。

结合图2，所述的主电路由4只场效应管A～D、电感L、电容C1、电阻R1和待驱动的LED组成，输入电压的正极1接场效应管A的漏极，输入电源的负极2为系统中的参考地，用GND表示，场效应管A的源极与电感L的一端和场效应管B的漏极相连，场效应管B的源极与参考地相连，场效应管C的漏极与电感L的另一端和场效应管D的源极相连，场效应管C的源极与参考地相连。场效应管D的漏极与LED驱动器的输出端3和滤波电容的正极相连，并将作为输出连接LED灯的阳极。电容C1的负极板与参考地相连，电阻R1的一端与参考地相连，令一端与LED驱动器的输出端4，该电阻的目的是对输出电流进行采集。

结合图3，所述的驱动脉冲产生电路由芯片LTC3780 U1，6只电阻R21～R26，6只电容C21、C22、C24、C27、C28、C29和2只二极管D21、D22组成。U1的1脚(PGOOD)为输出指示端，当处于所调制的±7.5％以内时该脚为高电平，本电路中未使用该指示端，该引脚悬空，2脚(SS)为软启动端，通过电容C21连接到参考地(GND)，电容大小不同可以设定不同的软启动时间，3脚(SENSE+)和4脚(SENSE-)为电流保护输入端，本设计中未使用将其直接接到参考地，5脚(ITH)为误差放大器补偿点，该引脚通过C22与R21的串联后接参考地，6脚(VOSENSE)为反馈输入引脚，所设计的电路是经过6脚实现恒流输出、开路保护和短路保护的控制，7脚(SGND)为芯片的地，直接接入参考地。8脚(RUN)为启动引脚，这里通过电阻R22和R23将VIN电压分压后提供给7脚，使U1一直处于启动状态，9脚(FCB)为工作方式选择，通过电阻R25和R24将VIN电压分压后提供给9脚，这里选择突发模式运行状态，10脚(PLLFLTR)可通过外部电压改变内部振荡频率，这里未连接，11脚(PLLIN)可由外部电路提供振荡频率，这里采用内部振荡器，该引脚悬空，12脚(STBYMD)为内部LDO控制端，该脚通过去耦电容C24接参考地，电源引脚21脚(VIN)通过电阻R26接驱动器的输入电源接口(1)，见图1，由U1内部产生的基准电压由19脚(INTVCC)输出，19脚通过接两个电容C28和C29接参考地，13脚(BOOST2)和24脚(BOOST1)为升压浮动电源，这两个引脚分别通过电容C27和C26接SW2和SW1脚，并分别通过二极管D22和D21在给场效应B和场效应C导通时给电容C27和C26充电，电容C27和C26上的电荷分别用于驱动场效应A和场效应D，16引脚(BG2)和18脚(BG1)用来驱动下端的场效应管B和C。BG2、BG1通过接口(6BG)和(6CG)分别接场效应管B和C的栅极，15引脚(SW2)和22引脚(SW1)通过接口(6AS)和(6DS)分别接场效应管A和D的源极，14引脚(TG2)和23引脚(TG1)通过接口(6AG)和(6DG)分别接场效应管A和D的栅极，U1通过LED驱动器的输入直接供电，电源正极接(6VCC)，负极接(6GND)。

结合图4，所述的反馈保护电路由运算放大器U2，5只电阻R41、R43～R46，电位器R42，二极管D41组成。运算放大器U2同相输入端通过电阻R43接LED驱动器的输出端3，电阻R41接在运放的反相输入端和参考地之间，电阻R42和R44串联后接在运放的反相输入端和输出之间，运放U2和电阻R41、R42、R44组成同相比例运算电路，放大倍数为(R42+R44)/R41+1。运放采用单电源供电，供电电源由LED驱动器输入电源直接提供。运放的输出按R45，R45的另一端接稳压管D41的阳极和电阻R46，电阻R46通过接口5接驱动脉冲产生电路的输入端5。D41的阴极接LED驱动器的输出端3。

为了到达快速保护和提高效率的目的，LED驱动器主电路采用四只N沟道场效应管的同步驱动模式(如图2所示)，在LED出现故障或者输出短路时能迅速将通过场效应管A和D的关断将输入和输出断开，实现快速保护功能。而通常输出电压高于输入电压的BOOST电路无法在输出发生短路故障时实现有效的保护。主电路的控制方式采用对四只主功率场效应管的同步控制来实现高效率的电能变换，最高效率可达到95％，如采用BUCK和BOOST相结合的两级电路，效率最高能只能到达85％。

所设计的LED驱动器的主电路有降压、降升压和升压三种工作模式。在输出电压低于输入电压时工作在降压工作模式；在输出电压接近输入电压时工作在升降压模式工作；在输出电压高于输入电压时工作在升压模式。主电路的四只开关管能在LED灯出现电压过低的故障时，通过降低输出电压，使驱动器仍然输出设定的电流。这样即使某些串联的LED短路，将不影响其他LED的正常工作。当输出端短路时，保护电路发出控制信号，通过对场效应管的控制迅速断开输入和输出的连接，实现快速保护功能。

车载LED驱动器的驱动脉冲产生电路产生200kHz-400kHz的同步脉冲信号来驱动主电路的场效应管A、B、C和D(如图2所示)，场效应管A和D的驱动信号是由脉冲产生电路应用电荷泵的原理将场效应管A和D的源极电压提升到合适的范围。通过场效应管A、B、C和D控制脉冲的不同电路可工作于降压、升降压和升压三种工作模式。由于场效应管的输入阻抗很高，因此驱动脉冲产生电路的损耗很小。

反馈保护电路的工作原理是这样的：当LED驱动器输出开路时，由于没有反馈电流信号，LED驱动器输出电压将迅速增加使得稳压管D41击穿，D41击穿后使得D41阳极的电压增加，该电压通过电阻R46形成反馈支路，提供反馈信号，使输出的电压不再增长，即开路时输出电压恒定。同样当输出电压超过某一设定值时，输出电压被钳位到一个固定值。当接入LED灯时，电流采样电阻R1上的电压经过U2组成的同相比例运算电路后，反馈到驱动脉冲产生电路，使输出电流稳定。当输出短路时，反馈电压增加，场效应管A和D迅速关断，实现输出和输入的快速断开，这是BOOST拓扑结构所不能实现的。电路在短路保护后将进入断续工作状态或称为打嗝工作状态，当短路故障排除后，电路能自动进入正常工作状态。输出电流的采集是通过在输出回路串联一个电阻R1获得的，小电阻R1上的电压在额定输出时为0.1V左右，这个0.1V左右电压对LED驱动器的效率影响不大。

为说明本发明所带来的有益效果，进行以下实验：

车载LED驱动器可对应不同的LED灯进行设计，这里以接入2只6W的LED灯为例来设计，LED灯的参数为：额定电流500mA，灯两端电压为11.5-13.5V。汽车电池的电压额定值为12V，即LED驱动器的输入电压为12V。

LED驱动器的额定输出电流设计为500mA，空载的输出设定为36V。输出滤波电路采用电感电容的滤波方式，输出电容选择为50V/330uF的电容。

具体的测试数据为：转换效率95.35％，空载电压限制在36.52V。当输出短路时，驱动器的输入和输出端被断开，实现了对LED驱动器和车载供电系统的保护。试验中将其中一只LED短路，另外一只LED仍然能正常工作，没有出现电流过大烧毁现象。

Claims (5)

1.一种同步升降压型车载大功率LED驱动器，其特征是：由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路连接组成。

2.根据权利要求1所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器，其特征是：所述的主电路由4只场效应管(A～D)、电感(L)、第一电容(C1)、第一电阻(R1)和待驱动的LED组成，输入电压的正极(1)接第一场效应管(A)的漏极，输入电源的负极(2)为系统中的参考地，第一场效应管(A)的源极与电感(L)的一端和第二场效应管(B)的漏极相连，第二场效应管(B)的源极与参考地相连，第三场效应管(C)的漏极与电感(L)的另一端和第四场效应管(D)的源极相连，第三场效应管(C)的源极与参考地相连，第四场效应管(D)的漏极与LED驱动器的输出端(3)和滤波电容的正极相连，并将作为输出连接LED灯的阳极，第一电容(C1)的负极板与参考地相连，第一电阻(R1)的一端与参考地相连，令一端与LED驱动器的输出端(4)。

3.根据权利要求1或2所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器，其特征是：所述的驱动脉冲产生电路由芯片(U1)，6只电阻(R21～R26)，6只电容(C21、C22、C24、C27、C28、C29)和2只二极管(D21、D22)组成；芯片(U1)的1脚为输出指示端，2脚为软启动端通过第二十一电容(C21)连接到参考地，3脚和4脚为电流保护输入端，5脚为误差放大器补偿点通过第二十二电容(C22)与第二十一电阻(R21)的串联后接参考地，6脚为反馈输入引脚，7脚为芯片的地，8脚为启动引脚通过第二十二电阻(R22)和第二十三(R23)将VIN电压分压后提供给7脚，9脚为工作方式选择通过第二十五电阻(R25)和第二十四电阻(R24)将VIN电压分压后提供给9脚，12脚为内部LDO控制端通过去耦第二十四电容(C24)接参考地，电源引脚21脚通过第二十六电阻(R26)接驱动器的输入电源接口(1)，由芯片(U1)内部产生的基准电压由19脚输出，19脚通过接第二十八电容(C28)和第二十九电容(C29)接参考地，13脚和24脚为升压浮动电源分别通过第二十七电容(C27)和第二十六电容(C26)接SW2和SW1脚、并分别通过第二十二二极管(D22)和第二十一二极管(D21)在给第二场效应(B)和第三场效应(C)导通时给第二十七电容(C27)和第二十六电容(C26)充电，第二十七电容(C27)和第二十六电容(C26)上的电荷分别用于驱动第一场效应(A)和第四场效应(D)，16引脚和18脚用来驱动下端的第二场效应管(B)和第三场效应管(C)，BG2、BG1通过接口分别接第二场效应管(B)和第三场效应管(C)的栅极，15引脚和22引脚通过接口分别接第一场效应管(A)和第四场效应管(D)的源极，14引脚和23引脚通过接口分别接第一场效应管(A)和第四场效应管(D)的栅极，芯片(U1)通过LED驱动器的输入直接供电，电源正极接6VCC，负极接6GND。

4.根据权利要求1或2所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器，其特征是：所述的反馈保护电路由运算放大器(U2)，5只电阻(R41、R43～R46)，电位器(R42)，二极管(D41)组成；运算放大器(U2)同相输入端通过电阻(R43)接LED驱动器的输出端(3)，第四十一电阻(R41)接在运放的反相输入端和参考地之间，第四十二电阻(R42和第四十四电阻(R44串联后接在运放的反相输入端和输出之间，运放(U2)和第四十一电阻(R41)、第四十二电阻(R42)、第四十四电阻(R44)组成同相比例运算电路，运放的输出接第四十五电阻(R45)，第四十五电阻(R45)的另一端接稳压管(D41的阳极和第四十六电阻(R46，第四十六电阻(R46通过接口接驱动脉冲产生电路的输入端(5)，第四十一二极管(D41)的阴极接LED驱动器的输出端(3)。

5.根据权利要求3所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器，其特征是：所述的反馈保护电路由运算放大器(U2)，5只电阻(R41、R43～R46)，电位器(R42)，二极管(D41)组成；运算放大器(U2)同相输入端通过电阻(R43)接LED驱动器的输出端(3)，第四十一电阻(R41)接在运放的反相输入端和参考地之间，第四十二电阻(R42和第四十四电阻(R44串联后接在运放的反相输入端和输出之间，运放(U2)和第四十一电阻(R41)、第四十二电阻(R42)、第四十四电阻(R44)组成同相比例运算电路，运放的输出接第四十五电阻(R45)，第四十五电阻(R45)的另一端接稳压管(D41的阳极和第四十六电阻(R46，第四十六电阻(R46通过接口接驱动脉冲产生电路的输入端(5)，第四十一二极管(D41)的阴极接LED驱动器的输出端(3)。

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