CN102196643A - 线性恒流控制器、芯片及驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性恒流控制器，以及包含该控制器的芯片与驱动装置。所述控制器的电源端与参考地之间连接一电容器，用以在掉电状态下为所述控制器供电，所述控制器包括：高压MOS管，其漏极经恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地；误差放大器，其一输入端接收流经所述恒流源负载电流的检测信号，另一输入端接收一调光信号，其输出端连接所述高压MOS管的栅极；以及调光电路，用以根据所述电流检测信号，在上电时产生所述调光信号。本发明以低成本实现了线性恒流开关调光功能的解决机制，能够有效节约能源。

Description

线性恒流控制器、芯片及驱动装置

技术领域

本发明涉及线性恒流控制器电路，具体而言，涉及一种用于驱动恒流源负载的高电压线性恒流控制器，以及包含该控制器的芯片与驱动装置。

背景技术

由于具有光效高、寿命长、无辐射与低功耗等特点，发光二极管(LED)在照明工业中的应用日益广泛。作为恒流源负载中的一种，LED需要与恒压源负载不同的控制器。目前，工业界主要有两大类驱动LED的控制器。一类是开关恒流控制器，主要特点在于需要电感和变压器，在各种条件下效率一般都实现得较高，但同时成本也高。另一类是线性恒流控制器，它不需要电感和变压器，虽然在某些条件下效率很难实现得高，但是成本很低。

参照图1，图1示出了现有技术的线性恒流方案。其中，经整流桥180整流后，由全球照明电网提供的交流110V或交流220V转换为直流输入电压VIN。LED负载190和高压MOS管101以及恒流控制器100串接在一起。恒流控制器100用于实现恒流控制，高压MOS管101承担多余的电压和功率耗散，也就是散热。电阻103、稳压二极管104用以实现电压钳位，向高压MOS管101的栅极提供合适的直流电压。

然而，上述线性恒流方案无法实现开关调光功能。开关调光意味着，通过LED灯具的开和关来实现LED灯的亮度控制。例如，一个完整的三段开关调光过程可设计如下：第一次开灯，LED灯以10W点亮；关掉灯，灯不亮了；在3秒钟以内再次把灯打开，LED灯的亮度变成5W，亮度减少一半，也就节能一半；再关掉灯，灯不亮了；在3秒钟以内又一次把灯打开，LED灯的亮度变成2.5W，这样，亮度只有1/4，就可节能3/4；再关掉灯，灯不亮了；在3秒钟以内再一次把灯打开，LED灯的亮度又变成10W，亮度达到最大。而无论灯亮度处于什么状态，只要关灯时间超过3秒钟，再次开灯后都将回到最大亮度状态，这就是LED灯亮度状态的复位。当然，开关调光不仅可以做成三段，还可以做成其他任意段，比如两段、四段、五段、六段等等，甚至做成无极的调光。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有线性恒流方案无法实现开关调光功能的缺陷，提供一种以低成本实现线性恒流开关调光功能的解决机制，从而有效地节约能源。无疑，这对目前全球能源短缺的现状有着现实的意义。

本发明的上述目的通过提供线性恒流控制器、芯片以及驱动恒流源负载的装置而实现。

根据第一方面，提供一种线性恒流控制器，在其电源端与参考地之间连接一电容器，用以在掉电状态下为所述控制器供电，所述控制器包括：高压MOS管，其漏极经恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地；误差放大器，其一输入端接收流经所述恒流源负载电流的检测信号，另一输入端接收一调光信号，其输出端连接所述高压MOS管的栅极；以及调光电路，用以根据所述电流检测信号，在上电时产生所述调光信号。

在第一方面中，优选的是，所述调光电路包括掉电判断及亮度调整电路，所述掉电判断及亮度调整电路包括：第一比较器，用以将所述电流检测信号与近似为零的参考信号进行比较，并产生第一输出信号；计时器，用以在一预定时间到时，将所述第一输出信号送出；以及亮度状态寄存器及译码器，基于计时器送出的第一输出信号调整亮度状态寄存器，在上电时改变所述调光信号。

优选的是，所述预定时间至少为10毫秒。

优选的是，所述调光电路还包括复位电路，所述复位电路包括：与所述控制器电源端连接的第一电阻；与所述第一电阻串联连接的第二电阻，所述第一、第二电阻与所述电容器并联；以及第二比较器，用以将在所述第二电阻上产生的分压与一复位阈值进行比较，并产生第二输出信号，基于所述第二输出信号，所述亮度状态寄存器及译码器复位。

优选的是，所述掉电判断及亮度调整电路还包括：第三比较器，用以将在所述第二电阻上产生的分压与一掉电阈值进行比较，并产生第三输出信号；以及或门，其一输入端接收所述第三输出信号，另一输入端接收所述计时器送出的第一输出信号，其输出端连接至所述亮度状态寄存器及译码器，提供信号以调整亮度状态寄存器。

优选的是，所述调光信号采用直流信号或PWM信号。

优选的是，所述高压MOS管的漏极击穿电压大于输入电压源的最大电压值。

优选的是，所述恒流源负载为LED负载。

根据第二方面，提供一种芯片，所述芯片包括上述第一方面中的控制器。

根据第三方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，包括线性恒流控制器和一电容器，所述电容器连接在所述控制器的电源端与参考地之间，用以在掉电状态下为所述控制器供电，所述控制器包括：高压MOS管，其漏极经所述恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地；误差放大器，其一输入端接收流经所述恒流源负载电流的检测信号，另一输入端接收一调光信号，其输出端连接所述高压MOS管的栅极；以及调光电路，用以根据所述电流检测信号，在上电时产生所述调光信号。

本发明的线性恒流控制器中，由于不需要使用特殊的调光器件来实现开关调光功能，并且将高压MOS管集成在控制器内部，从而以极低的成本达到了高效节能的效果。

附图说明

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中：

图1为现有技术的线性恒流方案示意图；

图2为本发明一实施例的线性恒流控制器的电路结构示意图；

图3为本发明另一实施例的线性恒流控制器的电路结构示意图；

图4为本发明两段调光的信号波形示意图。

具体实施方式

实现线性恒流开关调光功能的关键在于，对LED负载停止供电之后，在例如3秒以内的掉电状态下，控制器要能够识别这个掉电动作，并且能够调整和‘记住’负载的亮度状态。在掉电状态持续时间不超过3秒，重新上电的情况下，控制器应使LED负载以新的亮度状态点亮。而在掉电状态持续3秒以上的情况下，控制器应能够复位。

因此，第一需要的就是提供临时电源，用于在掉电状态下为控制器供电，以实现‘记忆’的功能。本发明巧妙地使用电容器来充当临时电源。解决了临时电源的问题之后，面临的是一系列逻辑操作如何实现，例如，如何判断LED负载是否处于掉电状态，如何调整亮度状态，如何知道掉电时间是否超过例如3秒，等等。

参照图2，图2为本发明一实施例的线性恒流控制器的电路结构示意图。其中，整流桥180、LED负载190以及电阻103与图1类似。与图1所示现有线性恒流方案不同的是，在控制器200的电源端VCC与参考地之间，设置一电容器204，替换了图1中的稳压二极管104。而位于控制器200内部的VCC钳位电路205，作用与稳压二极管相同，即，限制VCC的最高电压，从而避免控制器200遭受过高电压的损害。电容器204用作临时电源，在掉电状态下给控制器200供电。一般情况下，电容器205的容量较大，例如可在1uF以上，就能够在掉电状态下为控制器200提供几秒以上的能量。

如图2所示，控制器200包括高压MOS管201、误差放大器214以及调光电路220。这里，将高压MOS管201置于控制器200的内部，是出于降低成本的考虑。控制器200可集成于一个芯片上。

高压MOS管201的漏极通过LED负载190连接到输入电压源VIN，它的源极通过检测电阻202连接到参考地，栅极与误差放大器214的输出端连接。优选地，高压MOS管201的漏极击穿电压大于输入电压源VIN的最大电压值。将检测电阻202置于控制器200的外部，使得输出电流通过该电阻可编程。当然，也可将该电阻置于控制器200的内部，只不过实现不了输出电流的可编程。

LED负载190的电流经高压MOS管201流过检测电阻202，所产生的检测信号V(CS)被送到误差放大器214的负端。这样，误差放大器214、高压MOS管201和检测电阻202就形成一个负反馈环路。电流检测信号V(CS)同时被送到调光电路220，最终，由调光电路220产生的调光信号DIMOUT被送到误差放大器214的正端。

负反馈控制使得误差放大器214的正负输入电压相等，也就是

V(DIMOUT)＝V(CS)＝I_LED*R₂₀₂    (1)

故而

I_LED＝V(DIMOUT)/R₂₀₂    (2)

因此，通过改变调光信号DIMOUT的电压就可以改变LED电流，也就能够调整LED负载190的亮度。

调光电路220中，掉电判断及亮度调整电路240用来判断LED负载190是否处于掉电状态，并在恢复上电时改变调光信号DIMOUT的电压。掉电判断及亮度调整电路240包括比较器213、计时器212和亮度状态寄存器及译码器211。

关掉电源后，LED负载190的电流很快就下降到零，灯不亮了。所以，通过检测LED负载190的电流就能够确定它是否处于掉电状态。比较器213将电流检测信号V(CS)与参考信号VREF1进行比较。VREF1远远小于V(DIMOUT)，近似为零，以确保LED负载190的电流降到很小方使比较器213的输出状态变为高。比较器213的输出为高将启动计时器212。在计时器212按一预定时间计时满时，如果比较器213输出一直为高(即，LED负载190的电流持续很小)，则计时器212输出一高逻辑电平，该高逻辑电平传送到亮度状态寄存器及译码器211的SET端。

优选地，计时器212的上述预定时间可设为至少10毫秒。这是因为，全球照明电网提供的50Hz、60Hz交流电，经过全桥整流后，频率分别变为100Hz和120Hz，而100Hz频率对应的周期就是10毫秒。这意味着，每过10毫秒，电网电压就会经过零，该零电压有可能导致LED负载的电流为零，只是由于其频率高达100Hz，人眼不易觉察到LED负载亮度的变化。将计时器212的预定时间设为10毫秒以上，就是为了避免上述误判断。

亮度状态寄存器及译码器211会将SET端接收的高逻辑电平视作一次掉电动作，并调整亮度状态寄存器。亮度状态寄存器以一定的编码形式存储LED负载的亮度信息，例如，以00代表100％亮度，01代表50％亮度等。SET端用于调整寄存器信息，RST端用于复位寄存器。译码器将存于寄存器中的编码信息翻译出来，并将相应的调光信号DIMOUT输出到误差放大器214，例如，将00译码为DIMOUT＝0.5V，01译码为DIMOUT＝0.25V，前者的亮度为100％，后者的亮度为50％。

如果在最大掉电时间(例如3秒)之内再次上电，亮度状态寄存器及译码器211将输出新的DIMOUT电压给误差放大器214，LED负载190就以新的输出电流点亮，亮度随之改变。

调光电路220中，复位电路230用于在掉电超过最大掉电时间时，使亮度状态寄存器及译码器211清零复位。复位电路230包括电阻206、电阻207和比较器209。其中，电阻207连接到控制器200的电源端VCC，电阻206与电阻207串联连接，电阻206、207与电容器204并联。

掉电后，随着掉电时间的延长，电容器204上的电压VCC会逐渐下降，电阻207和电阻206对VCC分压。比较器209将在电阻206上产生的分压与参考信号VREF2进行比较，VREF2表示复位阈值。当电压VCC降得足够低，使得电阻206上的分压小于复位阈值，比较器209就输出高逻辑电平到亮度状态寄存器及译码器211的RST端，去清零复位亮度状态寄存器。参考信号VREF2的高低与电容器204的容值大小将决定最大掉电时间的长短。

参照图3，图3为本发明另一实施例的线性恒流控制器的电路结构示意图。该实施例中，除在掉电判断及亮度调整电路241中增设一比较器208与一或门210以外，其余部分与图2所示实施例类似。

比较器208与电阻206、207配合使用，提供判断掉电状态的另外一种方式。掉电后，VCC逐渐下降，它在电阻206上的分压被送到比较器208，与参考信号VREF3进行比较，VREF3表示掉电阈值。当电压VCC下降到一定程度，例如下降1V左右，使得电阻206上的分压小于掉电阈值，比较器208就输出高逻辑电平到或门210的一输入端。或门210的另一输入端则接收由计时器212送出的信号，其输出端连接亮度状态寄存器及译码器211的SET端。亮度状态寄存器及译码器211仍将SET端接收的高逻辑电平视作一次掉电动作，并相应调整亮度状态寄存器。

该实施例中，可同时通过检测电压VCC，或通过检测LED负载电流来判断掉电状态。显然，提供这两种呈或的关系的掉电状态判断方式，可进一步提高控制器电路的稳定性、可靠性。

参照图4，图4以两段调光为例示出了本发明的部分信号波形。其一示出调光信号DIMOUT采用直流信号或PWM信号的情形，分别对应模拟调光方式与PWM调光方式，前者通过改变直流电压大小来改变LED电流，后者通过改变脉冲占空比来改变LED平均电流；其二示出以3秒为例的最大掉电时间；其三示出VCC复位阈值，当VCC低于此阈值时，控制器将被复位。

在前文的描述中，最大掉电时间为3秒只是一个举例，可根据实际需要将最大掉电时间设为其他数字，如0.5秒到5秒之间的任意数字。而且，本发明并不局限于驱动LED负载，而是可用于驱动任何一种恒流源负载。这对于本领域技术人员而言是易于理解的。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种线性恒流控制器，在其电源端与参考地之间连接一电容器，用以在掉电状态下为所述控制器供电，所述控制器包括：

高压MOS管，其漏极经恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地；

误差放大器，其一输入端接收流经所述恒流源负载电流的检测信号，另一输入端接收一调光信号，其输出端连接所述高压MOS管的栅极；以及

调光电路，用以根据所述电流检测信号，在上电时产生所述调光信号。

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述调光电路包括掉电判断及亮度调整电路，所述掉电判断及亮度调整电路包括：

第一比较器，用以将所述电流检测信号与近似为零的参考信号进行比较，并产生第一输出信号；

计时器，用以在一预定时间到时，将所述第一输出信号送出；以及

亮度状态寄存器及译码器，基于计时器送出的第一输出信号调整亮度状态寄存器，在上电时改变所述调光信号。

3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述预定时间至少为10毫秒。

4.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述调光电路还包括复位电路，所述复位电路包括：

与所述控制器电源端连接的第一电阻；

与所述第一电阻串联连接的第二电阻，所述第一、第二电阻与所述电容器并联；以及

第二比较器，用以将在所述第二电阻上产生的分压与一复位阈值进行比较，并产生第二输出信号，

基于所述第二输出信号，所述亮度状态寄存器及译码器复位。

5.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述掉电判断及亮度调整电路还包括：

第三比较器，用以将在所述第二电阻上产生的分压与一掉电阈值进行比较，并产生第三输出信号；以及

或门，其一输入端接收所述第三输出信号，另一输入端接收所述计时器送出的第一输出信号，其输出端连接至所述亮度状态寄存器及译码器，提供信号以调整亮度状态寄存器。

6.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述调光信号采用直流信号或PWM信号。

7.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述高压MOS管的漏极击穿电压大于输入电压源的最大电压值。

8.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述恒流源负载为LED负载。

9.一种芯片，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的控制器。

10.一种驱动恒流源负载的装置，包括线性恒流控制器和一电容器，所述电容器连接在所述控制器的电源端与参考地之间，用以在掉电状态下为所述控制器供电，所述控制器包括：

高压MOS管，其漏极经所述恒流源负载连接至输入电压源，其源极经一检测电阻连接至参考地；

误差放大器，其一输入端接收流经所述恒流源负载电流的检测信号，另一输入端接收一调光信号，其输出端连接所述高压MOS管的栅极；以及

调光电路，用以根据所述电流检测信号，在上电时产生所述调光信号。

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