CN102186276B - 带电流检测的led恒流驱动电路及led背光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电流检测的LED恒流驱动电路及LED背光系统，所述带电流检测的LED恒流驱动电路包括基准电压模块、基准电流产生模块、输出电流控制模块、输出电流及输出端电压检测模块和PWM控制信号产生模块。本发明通过反馈LED灯串中最小电流来调节开关管的控制信号占空比，来达到恒流驱动LED灯串的目的。同时检测LED灯串电流和输出端电压，来判断LED灯串是否出现了开路或者短路的情况，当所有LED灯串都出现问题时，则控制输出电流控制模块关闭电流输出。

Description

带电流检测的LED恒流驱动电路及LED背光系统

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种带电流检测的LED恒流驱动电路及LED背光系统。

背景技术

传统的升压型开关电源LED驱动电路如图1中1001所示。驱动芯片通过反馈电感1003上的电流和反馈输出电压Vout两个环路来调节开关管的PWM占空比，来达到稳定电压的目的。这种电路在驱动LED灯串的时候最大缺点在于，驱动芯片只能保证LED灯串上的电压恒定，无法保证LED灯串上的电流恒定。同时，由于系统中只反馈LED灯串上的电压，无法判断出LED灯串是否出现了开路、短路的情况，因而无法达到系统应用的要求。

中国发明专利申请号为：“02824219.X”，名称为：“具有PWM”输出的LED驱动电路公开了一种利用脉宽调制（PWM）为LED提供功率的驱动电路，该驱动电路利用电流反馈来调节LED阵列的功率，但是该电路仅仅依靠电流反馈来调节控制电流，无法判断LED灯串是否出现了开路或者短路的情况。另外，上述专利，只是简单的使用反馈电流来作调节，其外部没有电感和功率管，不能根据需要计算最小电流并且判断是否灯串出现了问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种带电流检测的LED恒流驱动电路及LED背光系统，通过反馈LED灯串中最小电流来调节开关管的控制信号占空比，来达到恒流驱动LED灯串的目的。同时检测LED灯串电流和输出端电压，来判断LED灯串是否出现了开路或者短路的情况，当所有LED灯串都出现问题时，则不输出电流。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种带电流检测的LED恒流驱动电路，包括基准电压模块、基准电流产生模块、输出电流控制模块、输出电流及输出端电压检测模块和PWM控制信号产生模块；基准电压模块：用于产生一个基准电压，并提供基准电压给其它模块作为参考电压；基准电流产生模块：利用一个外接电阻来设定基准电流值，并提供基准电流给其它模块作为参考电流；输出电流控制模块：放大基准电流，并使用放大器做负反馈稳定电流的输出，输出端用于驱动LED灯串，在没有发生开路或者短路的情况下，电流的输出受到外部灰度信号控制；输出电流及输出端电压检测模块：用于检测各个LED灯串的电流和电压；通过控制信号反馈出LED灯的电流大小，同时把所有通道的电流进行比较，得到最小电流值；通过输出端电压和电流与基准电压、基准电流比较，判断出LED灯串是否是开路或者短路；若所有LED灯串均出现开路或者短路，则控制输出电流控制模块关闭电流输出；PWM控制信号产生模块：判断最小电流值，若最小电流过大，则输出占空比小的时钟信号，反之则输出占空比大的时钟信号；且在打开外接功率管的时候，检测外接电感电流，如果电感电流过大，则关闭外接功率管。

其中，所述基准电流产生模块包括第一电源、第一比较器、第二比较器、第一P沟道MOS管、第一N沟道MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、用于连接标准电压模块的第一标准电压输入端和标准电流输出端，所述第一标准电压输入端与第一比较器的同相输入端连接，第一比较器的反向输入端通过外接电阻接地，第一比较器的反向输入端与外接电阻的连接点与第一N沟道MOS管的漏极连接，第一比较器的输出端与第一N沟道MOS管的栅极连接，第一N沟道MOS管的源极通过第一电阻连接第一电源，第一N沟道MOS管的源极与第一电阻的连接点还与第二比较器的同向输入端连接，第二比较器的反向输入点通过第二电阻连接第一电源，第二比较器的反向输入点与第二电阻的连接点还与第一P沟道MOS管的源极连接，第一P沟道MOS管的栅极与第二比较器的输出端连接，第一P沟道MOS管的漏极通过第三电阻接地，第一P沟道MOS管的漏极与第三电阻的连接点还与标准电流输出端连接。

其中，所述输出电流控制模块包括用于驱动LED灯串的第二电源、用于连接标准电压模块的第二标准电压输入端子、第三比较器、第四电阻和第二N沟道MOS管，所述第二标准电压输入端子与第三比较器的同向输入端连接，第三比较器的反向输入端通过第四电阻接地，第三比较器的反向输入端与第四电阻的连接点还与第二N沟道MOS管的漏极连接，第四比较器的输出端与第二N沟道MOS管的栅极连接，第二N沟道MOS管的源极用于与LED灯串串联连接第二电源。

其中，所述输出电流控制模块至少为两个，每个输出电流控制模块的输出端连接一个LED灯串。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种LED背光系统，包括带电流检测的LED恒流驱动电路、外接电感，外接功率管和LED灯串，所述带电流检测的LED恒流驱动电路具有外接电感信号采集端，外接功率管控制端和LED灯串控制端，所述带电流检测的LED恒流驱动电路的外接电感信号采集端与外接电感连接，带电流检测的LED恒流驱动电路的外接功率管控制端与外接功率管的受控端相连，带电流检测的LED恒流驱动电路的LED灯串控制端与LED灯串连接；所述带电流检测的LED恒流驱动电路包括基准电压模块、基准电流产生模块、输出电流控制模块、输出电流及输出端电压检测模块和PWM控制信号产生模块；基准电压模块：用于产生一个基准电压，并提供基准电压给其它模块作为参考电压；基准电流产生模块：利用一个外接电阻来设定基准电流值，并提供基准电流给其它模块作为参考电流；输出电流控制模块：放大基准电流，并使用放大器做负反馈稳定电流的输出，输出端用于驱动LED灯串，在没有发生开路或者短路的情况下，电流的输出受到外部灰度信号控制；输出电流及输出端电压检测模块：用于检测各个LED灯串的电流和电压；通过控制信号反馈出LED灯的电流大小，同时把所有通道的电流进行比较，得到最小电流值；通过输出端电压和电流与基准电压、基准电流比较，判断出LED灯串是否是开路或者短路；若所有LED灯串均出现开路或者短路，则控制输出电流控制模块关闭电流输出；PWM控制信号产生模块：判断最小电流值，若最小电流过大，则输出占空比小的时钟信号，反之则输出占空比大的时钟信号；且在打开外接功率管的时候，检测外接电感电流，如果电感电流过大，则关闭外接功率管。

其中，所述基准电流产生模块包括第一电源、第一比较器、第二比较器、第一P沟道MOS管、第一N沟道MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、用于连接标准电压模块的第一标准电压输入端和标准电流输出端，所述第一标准电压输入端与第一比较器的同相输入端连接，第一比较器的反向输入端通过外接电阻接地，第一比较器的反向输入端与外接电阻的连接点与第一N沟道MOS管的漏极连接，第一比较器的输出端与第一N沟道MOS管的栅极连接，第一N沟道MOS管的源极通过第一电阻连接第一电源，第一N沟道MOS管的源极与第一电阻的连接点还与第二比较器的同向输入端连接，第二比较器的反向输入点通过第二电阻连接第一电源，第二比较器的反向输入点与第二电阻的连接点还与第一P沟道MOS管的源极连接，第一P沟道MOS管的栅极与第二比较器的输出端连接，第一P沟道MOS管的漏极通过第三电阻接地，第一P沟道MOS管的漏极与第三电阻的连接点还与标准电流输出端连接。

其中，所述输出电流控制模块包括用于驱动LED灯串的第二电源、用于连接标准电压模块的第二标准电压输入端子、第三比较器、第四电阻和第二N沟道MOS管，所述第二标准电压输入端子与第三比较器的同向输入端连接，第三比较器的反向输入端通过第四电阻接地，第三比较器的反向输入端与第四电阻的连接点还与第二N沟道MOS管的漏极连接，第四比较器的输出端与第二N沟道MOS管的栅极连接，第二N沟道MOS管的源极用于与LED灯串串联连接第二电源。

其中，所述输出电流控制模块至少为两个，每个输出电流控制模块的输出端连接一个LED灯串。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的升压型开关电源LED驱动电路，驱动芯片只能保证LED灯串上的电压恒定，无法保证LED灯串上的电流恒定的缺陷，本发明通过反馈LED灯串中最小电流来调节开关管的控制信号占空比，来达到恒流驱动LED灯串的目的。同时检测LED灯串电流和输出端电压，来判断LED灯串是否出现了开路或者短路的情况，当所有LED灯串都出现问题时，则控制输出电流控制模块关闭电流输出。

附图说明

图1是现有技术的升压型开关电源LED驱动电路应用电路图；

图2是本发明带电流检测的LED恒流驱动电路应用电路图；

图3是本发明的带电流检测的LED恒流驱动电路结构示意图；

图4是本发明的基准电流产生模块电路图；

图5是本发明的输出电流控制模块电路图；

图6是本发明的输出电流及输出端电压检测模块电路图；

图7是本发明的PWM控制信号产生模块电路图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图2，本发明的驱动电路应用电路图中，驱动电路2002通过反馈LED串中最小电流并结合电感电流值两个环路来调节开关管的控制信号占空比。来达到送出恒定的LED串电流。同时检测LED串电流和输出端电压，来判断LED灯串是否出现了开路或者短路的情况。当所有LED灯串都出现的问题，则不输出电流。

请参阅图3，本发明的带电流检测的LED恒流驱动电路，包括基准电压模块（未示出）、基准电流产生模块1、输出电流控制模块2、输出电流及输出端电压检测模块3和PWM控制信号产生模块4；基准电压模块：用于产生一个基准电压，并提供基准电压给其它模块作为参考电压；基准电流产生模块1：利用一个外接电阻来设定基准电流值，并提供基准电流给其它模块作为参考电流；输出电流控制模块2：放大基准电流，并使用放大器做负反馈稳定电流的输出，输出端用于驱动LED灯串，在没有发生开路或者短路的情况下，电流的输出受到外部灰度信号控制；输出电流及输出端电压检测模块3：用于检测各个LED灯串的电流和电压；通过控制信号反馈出LED灯的电流大小，同时把所有通道的电流进行比较，得到最小电流值；通过输出端电压和电流与基准电压、基准电流比较，判断出LED灯串是否是开路或者短路；若所有LED灯串均出现开路或者短路，则控制输出电流控制模块关闭电流输出；PWM控制信号产生模块4：判断最小电流值，若最小电流过大，则输出占空比小的时钟信号，反之则输出占空比大的时钟信号；且在打开外接功率管的时候，检测外接电感电流，如果电感电流过大，则关闭外接功率管。

本发明的带电流检测的LED恒流驱动电路，一般包括若干电流输出控制模块2，默认为八个。基准电流模块为输出电流控制模块与输出电流及输出端电压检测电路提供电流基准。输出电流控制模块外接LED灯串。输出电流及输出端电压检测电路通过检测LED灯串的电流以及电压来计算出最小电流送给PWM控制信号模块，同时检测出各个LED串是否开路，短路的情况。在无开路、短路的情况下，把外部送入的灰度信号送入各个输出电流控制模块控制LED灯电流的通断。因此，电路设计能够根据用户给定的电流需求与及灰度，配合外部器件，产生一个比较恒定的LED灯电流，并且能够检测出各个LED灯串开路、短路情况，同时关闭该串的电流。

请参阅图4，本发明的基准电流产生模块电路图中，设计电路的目的是为LED灯电流以及检测电路提供一个可靠的参考电流基准。该基准由外置电阻决定，用户可以根据需求要设定。图3所示，vref为一个不随温度改变的电压基准101。通过运算放大器102与NMOS管103，C点的电压与vref相等，从而使的外接电阻的电流为vref/R,其中R为外置电阻的电阻值。由此产生基准电流。R1的电流与R0相等。由于运算放大器104与PMOS管105，A点与B点的电压相等。R1与R2的电流值比例等于其电阻值比的反比。这样就可以设置较小的R2与较大的R1，来放大电流基准送出。R3的电流值与R2相等，送出电流基准Iref。

其中 $I_{\mathrm{REF}}=\frac{\mathrm{Vref}}{R0}\×\frac{R1}{R2}.$

请参阅图5，本发明的输出电流控制模块电路图中，该电路外接LED灯串，为LED灯提供电流漏。在设计电路的时候，可以根据需求设计多份，来满足外接多个LED灯串的目的。该电路的输入端为基准电流201，通过运算放大器202与NMOS管203，使得基准电流201的电压等于外置电阻R0上的电压。

因此，输出电流为 $I_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{Vref}}{R0}\×\frac{R1}{R2}\×\frac{R3}{R4}.$

请参阅图6，本发明的输出电流及输出端电压检测模块电路图中，该电路分别检测各个LED灯串的电流与及输出端的电压。默认外接八串LED灯。图6为八路LED灯串输出电流及输出端检测电路。其中301为各自的LED灯串开路短路检测电路。302为LED灯串电流与及输出端电压检测电路，简称电流电压检测电路，ISEN<0>外接第0个LED灯串。303为八路LED灯控制器，它会综合八路LED灯的状态，对整体的八路LED灯进行控制。304为最小电流选择器，它将八路电流做比较，选择出最小电流Imin送出。

1.开路短路检测电路301中，在EN信号=0时，芯片使能。CTRL2为灰度控制控制信号309，当CTRL2=0时，Vol_comp<0>=1(描述第0个LED灯串，其他灯串相同)，送入电流电压检测电路302中，同时p1为0，不送出此电流Isenout<0>。电流电压检测电路302中Isen_in选中VDD，op_out=1；Vsen_out为低电平；输出管关闭，LED灯熄灭。CK<0>=1。由此，该通道处于灰度控制关断状态

2.开路短路检测电路302中，当CTRL2=1时，当Vsen_vol大于Vref时，比较器306输出高电平，c1为0，Vol_comp<0>=1,情况与上述类似，不送出此通道的电流，输出管关闭，LED灯熄灭。由此，输出端过压，该通道处于短路状态，状态被锁存器308锁存，c1一直保持0，EN信号重启芯片。

3.开路短路检测电路302中，在CTRL2=1时,当Vsen_vol大于Vref时，比较器306输出低电平，c1=1（Vsen_vol小于Vref），Vol_comp<0>=0，信号送入电流电压检测电路302中，打开输出管，LED灯亮，Isen_in采样电流进行监测，Vsen_vol采样电压进行监测（在CK=0的情况下,在CK=1时，不采样电压）。此时，会有以下几种情况产生：

1)当Isen_vol大于Iref，比较器305输出高电平，op_out=1，c2=0，P1=0,开路短路检测电路302送出此通道电流Isenout<0>到最小电流选择器204中,CK<0>=1。由此，输出端电流大，不过压，正常状态

2)当Isen_vol小于Iref，比较器305输出低电平，op_out=0，则由控制信号ctrl1决定，控制信号310为过压保护信号，当图1中的Vout的电压过高时，输出高电平。电压正常，则输出低电平。如果ctrl1=0,c2=0,p1=1,开路短路检测电路302送出此通道电流Isenout<0>到最小电流选择器304中，CK<0>=0,送入八路通道控制器303中，八个通道中只要其中一个通道处于此种情况，CK=0。由此，输出端电流小，不过压，但是Vout也不过压，正常状态；反之，ctrl1=1，c2=1，p1=1，开路短路检测电路302不送出此通道电流Isenout<0>,CK<0>=1。由此，输出端电流小，电压不高同时Vout过压，该通道处于开路状态,状态被锁存住，不送出电流。

4.从以上三项可以看到，当八个通道都同时出现下列情况一种或者一种以上，CK=1(CK<0～7>=1),即不检测电压：

1）当PWM控制信号CTRL2为0;

2)当Vsen_vol大于Vref时，c1为0；

3）当Isen_vol大于Iref，op_out=1；

4）当Isen_vol小于Iref同时过压保护ctrl1输出为1

5）当最小电流比基准低的时候，CK=1（图中未标出）

请参阅图7，本发明的PWM控制信号产生模块电路图中，CLK1和CLK2为两个占空比不同的时钟。当Imin408信号比电流基准信号Ivref高的时候，比较器输出高电平，选择器401占空比比较大的时钟送出给与门402，反之，则送占空比比较小的时钟。也就是说，八路电流中的最小电流比基准大，则说明电流比较大，在这种情况下，需要打开图2中功率管101的时间长，让电容给LED灯串供电。反之则，需要电源给LED灯串供电在时钟为高电平的情况下，比较器403有效。如果图2中的采样电感电流大小的A点比基准电压405大，则说明电感电流过大。LDR=0，关闭外部的功率管101。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种带电流检测的LED恒流驱动电路，其特征在于：包括基准电压模块、基准电流产生模块、输出电流控制模块、输出电流及输出端电压检测模块和PWM控制信号产生模块；

基准电压模块：用于产生一个基准电压，并提供基准电压给其它模块作为参考电压；

基准电流产生模块：利用一个外接电阻来设定基准电流值，并提供基准电流给其它模块作为参考电流；

输出电流控制模块：放大基准电流，并使用放大器做负反馈稳定电流的输出，输出端用于驱动LED灯串，在没有发生开路或者短路的情况下，电流的输出受到外部灰度信号控制；

输出电流及输出端电压检测模块：用于检测各个LED灯串的电流和电压；通过控制信号反馈出LED灯的电流大小，同时把所有通道的电流进行比较，得到最小电流值；通过输出端电压和电流与基准电压、基准电流比较，判断出LED灯串是否是开路或者短路；若所有LED灯串均出现开路或者短路，则控制输出电流控制模块关闭电流输出；

PWM控制信号产生模块：判断最小电流值，若最小电流过大，则输出占空比小的时钟信号，反之则输出占空比大的时钟信号；且在打开外接功率管的时候，检测外接电感电流，如果电感电流过大，则关闭外接功率管；

所述基准电流产生模块包括第一电源、第一比较器、第二比较器、第一P沟道MOS管、第一N沟道MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、用于连接标准电压模块的第一标准电压输入端和标准电流输出端，所述第一标准电压输入端与第一比较器的同相输入端连接，第一比较器的反向输入端通过外接电阻接地，第一比较器的反向输入端与外接电阻的连接点与第一N沟道MOS管的漏极连接，第一比较器的输出端与第一N沟道MOS管的栅极连接，第一N沟道MOS管的源极通过第一电阻连接第一电源，第一N沟道MOS管的源极与第一电阻的连接点还与第二比较器的同向输入端连接，第二比较器的反向输入点通过第二电阻连接第一电源，第二比较器的反向输入点与第二电阻的连接点还与第一P沟道MOS管的源极连接，第一P沟道MOS管的栅极与第二比较器的输出端连接，第一P沟道MOS管的漏极通过第三电阻接地，第一P沟道MOS管的漏极与第三电阻的连接点还与标准电流输出端连接。

2.根据权利要求1所述的带电流检测的LED恒流驱动电路，其特征在于：所述输出电流控制模块包括用于驱动LED灯串的第二电源、用于连接标准电压模块的第二标准电压输入端子、第三比较器、第四电阻和第二N沟道MOS管，所述第二标准电压输入端子与第三比较器的同向输入端连接，第三比较器的反向输入端通过第四电阻接地，第三比较器的反向输入端与第四电阻的连接点还与第二N沟道MOS管的漏极连接，第三比较器的输出端与第二N沟道MOS管的栅极连接，第二N沟道MOS管的源极用于与LED灯串串联连接第二电源。

3.根据权利要求1或2所述的带电流检测的LED恒流驱动电路，其特征在于：所述输出电流控制模块至少为两个，每个输出电流控制模块的输出端连接一个LED灯串。

4.一种LED背光系统，其特征在于：包括带电流检测的LED恒流驱动电路、外接电感，外接功率管和LED灯串，所述带电流检测的LED恒流驱动电路具有外接电感信号采集端，外接功率管控制端和LED灯串控制端，所述带电流检测的LED恒流驱动电路的外接电感信号采集端与外接电感连接，带电流检测的LED恒流驱动电路的外接功率管控制端与外接功率管的受控端相连，带电流检测的LED恒流驱动电路的LED灯串控制端与LED灯串连接；

所述带电流检测的LED恒流驱动电路包括基准电压模块、基准电流产生模块、输出电流控制模块、输出电流及输出端电压检测模块和PWM控制信号产生模块；

基准电压模块：用于产生一个基准电压，并提供基准电压给其它模块作为参考电压；

基准电流产生模块：利用一个外接电阻来设定基准电流值，并提供基准电流给其它模块作为参考电流；

输出电流控制模块：放大基准电流，并使用放大器做负反馈稳定电流的输出，输出端用于驱动LED灯串，在没有发生开路或者短路的情况下，电流的输出受到外部灰度信号控制；

输出电流及输出端电压检测模块：用于检测各个LED灯串的电流和电压；通过控制信号反馈出LED灯的电流大小，同时把所有通道的电流进行比较，得到最小电流值；通过输出端电压和电流与基准电压、基准电流比较，判断出LED灯串是否是开路或者短路；若所有LED灯串均出现开路或者短路，则控制输出电流控制模块关闭电流输出；

PWM控制信号产生模块：判断最小电流值，若最小电流过大，则输出占空比小的时钟信号，反之则输出占空比大的时钟信号；且在打开外接功率管的时候，检测外接电感电流，如果电感电流过大，则关闭外接功率管；

所述基准电流产生模块包括第一电源、第一比较器、第二比较器、第一P沟道MOS管、第一N沟道MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、用于连接标准电压模块的第一标准电压输入端和标准电流输出端，所述第一标准电压输入端与第一比较器的同相输入端连接，第一比较器的反向输入端通过外接电阻接地，第一比较器的反向输入端与外接电阻的连接点与第一N沟道MOS管的漏极连接，第一比较器的输出端与第一N沟道MOS管的栅极连接，第一N沟道MOS管的源极通过第一电阻连接第一电源，第一N沟道MOS管的源极与第一电阻的连接点还与第二比较器的同向输入端连接，第二比较器的反向输入点通过第二电阻连接第一电源，第二比较器的反向输入点与第二电阻的连接点还与第一P沟道MOS管的源极连接，第一P沟道MOS管的栅极与第二比较器的输出端连接，第一P沟道MOS管的漏极通过第三电阻接地，第一P沟道MOS管的漏极与第三电阻的连接点还与标准电流输出端连接。

5.根据权利要求4所述的LED背光系统，其特征在于：所述输出电流控制模块包括用于驱动LED灯串的第二电源、用于连接标准电压模块的第二标准电压输入端子、第三比较器、第四电阻和第二N沟道MOS管，所述第二标准电压输入端子与第三比较器的同向输入端连接，第三比较器的反向输入端通过第四电阻接地，第三比较器的反向输入端与第四电阻的连接点还与第二N沟道MOS管的漏极连接，第三比较器的输出端与第二N沟道MOS管的栅极连接，第二N沟道MOS管的源极用于与LED灯串串联连接第二电源。

6.根据权利要求4所述的LED背光系统，其特征在于：所述输出电流控制模块至少为两个，每个输出电流控制模块的输出端连接一个LED灯串。

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