CN102427638B - 一种恒流led驱动电路、led驱动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流LED驱动电路，包括：选择器、误差放大器、振荡器、斜率补偿模块、比较器、触发器和驱动器。本发明中由于选择器的输出电压VSN的平均值等于基准电压VREF，因此，在NMOS功率管导通时，第一电阻上的采样电压VCS等于选择器的输出电压VSN，这样，在LED驱动电路的整个工作期间，保证了输入电压、输出电压以及外围电感大小变化对LED平均电流没有影响，方便设定输出电流。

Description

一种恒流LED驱动电路、LED驱动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及LED驱动技术，尤其涉及恒流LED驱动技术。

背景技术

图1为传统的恒流LED驱动电路及其外接LED电路，包括振荡器101、,RS触发器102、比较器103、驱动器104、NMOS功率管105、电阻106、电感107，第一二极管108以及LED灯串109。其中，振荡器101的输出接RS触发器102的S端，比较器的负输入端输入基准电压VREF，比较器的正输入端接电阻106的一端及NMOS功率管105的源端；电阻106的另一端接地，比较器103的输出接RS触发器102的R端，RS触发器102的输出端Q接驱动器104的输入，驱动器104的输出接NMOS功率管105的栅端，NMOS功率管105的漏端接电感107的一端和第一二极管108的正极，电感107的另一端接LED灯串109的负端，LED灯串109的正端接108的负端，并且输入电源电压VIN。

负载LED灯串上的平均电流定义为输出电流平均值IAVG。参考图1及图2，其工作原理是：恒流LED驱动电路工作正常时，振荡器101输出的振荡器信号CLK对RS触发器102进行触发，RS触发器S端置位，RS触发器输出端Q为高电平，驱动器输出NMOS功率管的栅极控制信号GATE为高电平，NMOS功率管开通，电感电流上升，采样电阻106上的电压VCS上升，当电压达到基准电压VREF时，比较器的输出COMP_OUT变为高电平，RS触发器R端复位，Q为低电平，驱动器输出NMOS功率管的栅极控制信号GATE为低电平，NMOS功率管关断，这时，电感电流通过第一二极管108续流，逐渐减小，直到下一个时钟到来，周期性重复。

图1所示的恒流LED驱动电路及其外接LED电路的拓扑结构输出平均电流的计算公式如下：

$\mathrm{IAVG}=\mathrm{IMAX}-\frac{\mathrm{VIN}-\mathrm{VOUT}}{L}*\frac{\mathrm{VOUT}}{\mathrm{VIN}}$

其中，IMAX为电感电流峰值、VIN为电源电压、VOUT为负载LED灯串的压降，即输出电压、L为电感值。

从公式中可以看出，VIN，VOUT以及L变化，都会引起输出平均电流IAVG的变化。

进一步，通过图3所示为电感电流的波形，IMAX为电感电流峰值，IAVG1和IAVG2为使用不同电感值时LED驱动电路的输出平均电流大小。可以看到，电感的变化引起电感电流平均值发生变化。

在LED驱动的实际应用中，在输入电压VIN，输出电压VOUT发生波动时，期望平均电流IAVG恒定，防止负载LED灯串闪烁，同时平均电流IAVG恒定也有利于设定负载LED灯串的工作电流。

而图1所示的恒流LED驱动电路及其外接LED电路的拓扑结构的弊端在于：将基准电压VREF与采样电阻106上的电压VCS做比较，采样电阻106上的电压VCS最高不超过基准电压VREF，从而使得负载LED灯串的输出电流的峰值电流是恒定值，但是对输出电流的平均电流未进行控制，所以在输入电压VIN，输出电压（负载LED的压降）以及电感值大小变化时，输出电流的平均值IAVG会发生变化。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种恒流LED驱动电路，该LED驱动电路通过模拟输出电流的平均电流，使得该电路在驱动LED灯串时，即使输入电压，输出电压及电感大小发生变化，输出电流的平均电流变化不大。

同时，本发明还提供了一种LED驱动装置和该LED驱动装置的控制方法。

一种恒流LED驱动电路，包括：

选择器，所述选择器通过电压采样端输入第一电阻上的采样电压VCS和基准电压VREF，所述第一电阻上的采样电压VCS通过NMOS功率管的栅极控制信号GATE控制，基准电压VREF通过NMOS功率管的栅极控制信号的反向信号GATE_N控制，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，选择器的输出信号VSN为第一电阻上的采样电压VCS，当NMOS功率管关断时，选择器的输出信号VSN为基准电压VREF；

误差放大器，所述的误差放大器对选择器的输出信号VSN与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出信号VSN的平均值等于基准电压VREF，进而使得，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，第一电阻上的采样电压VCS的平均值等于基准电压VREF，误差放大器的输出提供给比较器；

滤波电容，所述滤波电容连接在误差放大器的输出端与地之间，对误差放大器的输出进行滤波；

振荡器，所述振荡器产生一振荡信号CLK输出给触发器的一个输入端。产生一斜波电压输出给斜率补偿模块；

斜率补偿模块，所述斜率补偿模块根据振荡器输出的斜波电压对第一电阻上的采样电压VCS进行斜率补偿后输入到比较器；

比较器，所述比较器将斜率补偿模块的输出与所述误差放大器输出进行比较，比较器的输出提供给触发器的另一个输入端；

触发器，所述触发器在振荡器输出的振荡信号CLK和比较器输出的触发控制下，输出触发信号；

驱动器，所述驱动器对触发信号进行信号驱动增强后，产生NMOS功率管的栅极控制信号并通过LED驱动电路的栅端输出。

一种恒流LED驱动装置，包括：

选择器，所述选择器通过电压采样端输入第一电阻采样电压VCS和基准电压VREF，所述第一电阻上的采样电压VCS通过NMOS功率管的栅极控制信号GATE控制，基准电压VREF通过NMOS功率管的栅极控制信号的反向信号GATE_N控制，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，选择器的输出信号VSN为第一电阻上的采样电压VCS，当NMOS功率管关断时，选择器的输出信号VSN为基准电压VREF；

误差放大器，所述的误差放大器对选择器的输出信号VSN与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出信号VSN的平均值等于基准电压VREF，进而使得，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，第一电阻上的采样电压VCS的平均值等于基准电压VREF，误差放大器的输出提供给比较器；

滤波电容，所述滤波电容连接在误差放大器的输出端与地之间，对误差放大器的输出进行滤波；

振荡器，所述振荡器产生一振荡信号CLK输出给触发器的一个输入端。产生一斜波电压输出给斜率补偿模块；

斜率补偿模块，所述斜率补偿模块根据振荡器输出的斜波电压对第一电阻上的采样电压VCS进行斜率补偿后输入到比较器；

比较器，所述比较器将斜率补偿模块的输出与所述误差放大器输出进行比较，比较器的输出提供给触发器的另一个输入端；

触发器，所述触发器在振荡器输出的振荡信号CLK和比较器输出的触发控制下，输出触发信号；

驱动器，所述驱动器对触发信号进行信号驱动增强后，产生NMOS功率管的栅极控制信号；

NMOS功率管，NMOS功率管的栅极接收所述栅极控制信号，所述NMOS功率管的源端经过第一电阻连接接地端GND，NMOS功率管的漏极连接第一电感的一端，并且与第一二极管的正端相连；

第一电感、第一二极管及LED负载，所述的第一电感的另一端与LED负载的负端相连，所述的LED负载的正端与所述的第一二极管的负端相连，并且输入直流输入电压VIN。

上述LED驱动装置的控制方法，包括如下步骤：

（1）LED驱动装置稳定后，振荡器输出的振荡信号CLK为高电平脉冲；

（2）触发器输出的触发信号为高电平，触发信号经驱动器驱动增强后，使NMOS功率管开通；

（3）直流输入电压VIN通过LED负载、第一电感、NMOS功率管、第一电阻到地产生通路，电感上的电流增加，同时第一电阻采样NMOS功率管上流过的电流并转换为第一电阻上的采样电压VCS；

（4）第一电阻上的采样电压VCS与振荡器输出的斜坡信号经斜率补偿模块进行叠加；

（5）斜率补偿模块的输出与误差放大器的输出信号进行比较；

（6）所述的误差放大器将对选择器的输出电压VSN的值与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出电压VSN的平均值等于基准电压VREF；

（7）NMOS功率管导通期间，电感上的电流持续增大，直到斜率补偿模块的输出电压VS1达到误差放大器的输出ERR_OUT，比较器输出高电平脉冲COMP_OUT，触发器输出低电平脉冲，触发器的输出经驱动器，使NMOS功率管截止；

（8）直流输入电压VIN通过LED负载、第一电感、第一二极管产生通路，电感电流下降，当NMOS功率管关断时，选择器的输出电压信号VSN等于基准电压VREF；

（9）等待下一个振荡信号CLK到来，在下个周期重复步骤（1）～（8）。

本发明中，由于选择器的输出电压VSN的平均值等于基准电压VREF，因此，在NMOS功率管导通时，第一电阻上的采样电压VCS等于选择器的输出电压VSN，这样，在LED驱动电路的整个工作期间，保证了输入电压、输出电压以及外围电感大小变化对LED平均电流没有影响，方便设定输出电流。

附图说明

图1为传统的LED驱动电路及其外接LED电路构成的LED驱动装置的示意图；

图2为传统的LED驱动电路及其外接LED电路构成的LED驱动装置的时序示意图；

图3为传统的LED驱动电路及其外接LED电路构成的LED驱动装置的电感电流波形图；

图4为本发明提出的恒流LED驱动电路及其外接LED电路构成的LED驱动装置的示意图；

图5为本发明提出的恒流LED驱动电路及其外接LED电路构成的LED驱动装置的时序示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容进一步说明。

图4为本发明提出的恒流LED驱动电路及其外接LED电路构成的LED驱动装置示意图，包括：

选择器310，所述选择器310通过电压采样端CS输入第一电阻采样电压VCS和基准电压VREF，所述第一电阻采样电压VCS通过NMOS功率管的栅极控制信号GATE控制，基准电压VREF通过NMOS功率管的栅极控制信号的反向信号GATE_N控制，当NMOS功率管导通时，NMOS功率管的栅极控制信号GATE为高电平，选择器310的输出信号VSN为第一电阻采样电压VCS，当NMOS功率管关断时，选择器310的输出信号VSN为基准电压VREF；

误差放大器311，所述的误差放大器311对选择器310的输出信号VSN与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器310的输出信号VSN的平均值等于基准电压VREF，进而使得，在NMOS功率管导通时，第一电阻上的采样电压VCS等于选择器的输出电压VSN，误差放大器311的输出提供给比较器303，；

滤波电容312，所述滤波电容连接在误差放大器311的输出端与地之间，对误差放大器的输出进行滤波；

振荡器301，所述振荡器301产生一振荡信号CLK输出给触发器302的一个输入端。产生一斜波电压输出给斜率补偿模块313；

斜率补偿模块313，所述斜率补偿模块313根据振荡器301输出的斜波电压对第一电阻上的采样电压VCS进行斜率补偿后输入到比较器303；

比较器303，所述比较器303将斜率补偿模块313的输出与所述误差放大器311输出进行比较，比较器的输出提供给触发器302的另一个输入端；

触发器302，所述触发器302在振荡器301输出的振荡信号CLK和比较器的输出的触发控制下，输出触发信号；

驱动器304，所述驱动器304对触发信号进行信号驱动增强后，产生NMOS功率管的栅极控制信号，并通过LED驱动电路的栅端GATE输出。

NMOS功率管305，NMOS功率管305的栅极接收所述栅极控制信号；所述NMOS功率管305的源端经过第一电阻306连接接地端GND，NMOS功率管305的漏极连接第一电感307的一端，并且与第一二极管308的正端相连；

第一电感307，第一二极管308及LED负载309，所述的第一电感307的另一端与LED负载309的负端相连，所述的LED负载的正端与所述的第一二极管的负端相连，并且输入直流输入电压VIN。

图5为本发明提出的LED驱动电路时序示意图，LED驱动电路稳定工作后，当振荡器输出的振荡信号CLK为高电平脉冲时，触发器输出的触发信号为高电平，触发信号经驱动器驱动增强后，使NMOS功率管开通，直流输入电压VIN通过LED负载、第一电感、NMOS功率管、第一电阻到地产生通路，电感上的电流增加，同时第一电阻采样NMOS功率管上流过的电流并转换为第一电阻上的采样电压VCS，第一电阻上的采样电压VCS与振荡器输出的斜坡信号经斜率补偿模块进行叠加，斜率补偿模块的输出与误差放大器的输出信号进行比较，所述的误差放大器将对选择器的输出电压VSN的值与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出电压VSN的平均值等于基准电压VREF，NMOS功率管导通期间，电感上的电流持续增大，直到斜率补偿模块的输出电压VS1达到误差放大器的输出ERR_OUT,比较器输出高电平脉冲COMP_OUT，触发器输出低电平脉冲，触发器的输出经驱动器，使NMOS功率管截止，直流输入电压VIN通过LED负载、第一电感、第一二极管及直流输入电压VIN产生通路，电感电流下降，当NMOS功率管关断时，GATE_N为高电平，选择器的输出电压信号VSN等于基准电压VREF。等待在下一个振荡信号CLK到来，在下个周期重复上述动作。

本发明中，由于选择器的输出电压VSN的平均值等于基准电压VREF，因此，在NMOS功率管导通时，第一电阻上的采样电压VCS等于选择器的输出电压VSN，这样，在LED驱动电路的整个工作期间，保证了输入电压、输出电压以及外围电感大小变化对LED平均电流，即不会有影响。

本发明公开了一种恒流LED驱动电路及其控制方法，并且参照附图描述了本发明的具体实施方式和效果。应该理解到的是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括但不限于对选择器的组成方式的修改、对电路的局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改等，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.恒流LED驱动电路，其特征在于包括：

选择器，所述选择器通过电压采样端输入第一电阻上的采样电压VCS和基准电压VREF，所述第一电阻上的采样电压VCS通过NMOS功率管的栅极控制信号GATE控制，基准电压VREF通过NMOS功率管的栅极控制信号的反向信号GATE_N控制，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，选择器的输出信号VSN为第一电阻上的采样电压VCS，当NMOS功率管关断时，选择器的输出信号VSN为基准电压VREF；

误差放大器，所述的误差放大器对选择器的输出信号VSN与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出信号VSN的平均值等于基准电压VREF，进而使得，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，第一电阻上的采样电压VCS的平均值等于基准电压VREF，误差放大器的输出提供给比较器；

滤波电容，所述滤波电容连接在误差放大器的输出端与地之间，对误差放大器的输出进行滤波；

振荡器，所述振荡器产生一振荡信号CLK输出给触发器的一个输入端，产生一斜波电压输出给斜率补偿模块；

斜率补偿模块，所述斜率补偿模块根据振荡器输出的斜波电压对第一电阻上的采样电压VCS进行斜率补偿后输入到比较器；

比较器，所述比较器将斜率补偿模块的输出与所述误差放大器输出进行比较，比较器的输出提供给触发器的另一个输入端；

触发器，所述触发器在振荡器输出的振荡信号CLK和比较器输出的触发控制下，输出触发信号；

驱动器，所述驱动器对触发信号进行信号驱动增强后，产生NMOS功率管的栅极控制信号并通过LED驱动电路的栅端输出。

2.恒流LED驱动装置，其特征在于包括：

选择器，所述选择器通过电压采样端输入第一电阻采样电压VCS和基准电压VREF，所述第一电阻上的采样电压VCS通过NMOS功率管的栅极控制信号GATE控制，基准电压VREF通过NMOS功率管的栅极控制信号的反向信号GATE_N控制，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，选择器的输出信号VSN为第一电阻上的采样电压VCS，当NMOS功率管关断时，选择器的输出信号VSN为基准电压VREF；

误差放大器，所述的误差放大器对选择器的输出信号VSN与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出信号VSN的平均值等于基准电压VREF，进而使得，当NMOS功率管的栅极控制信号GATE有效时，第一电阻上的采样电压VCS的平均值等于基准电压VREF，误差放大器的输出提供给比较器；

滤波电容，所述滤波电容连接在误差放大器的输出端与地之间，对误差放大器的输出进行滤波；

振荡器，所述振荡器产生一振荡信号CLK输出给触发器的一个输入端，产生一斜波电压输出给斜率补偿模块；

斜率补偿模块，所述斜率补偿模块根据振荡器输出的斜波电压对第一电阻上的采样电压VCS进行斜率补偿后输入到比较器；

比较器，所述比较器将斜率补偿模块的输出与所述误差放大器输出进行比较，比较器的输出提供给触发器的另一个输入端；

触发器，所述触发器在振荡器输出的振荡信号CLK和比较器输出的触发控制下，输出触发信号；

驱动器，所述驱动器对触发信号进行信号驱动增强后，产生NMOS功率管的栅极控制信号；

NMOS功率管，NMOS功率管的栅极接收所述栅极控制信号，所述NMOS功率管的源端经过第一电阻连接接地端GND，NMOS功率管的漏极连接第一电感的一端，并且与第一二极管的正端相连；

第一电感、第一二极管及LED负载，所述的第一电感的另一端与LED负载的负端相连，所述的LED负载的正端与所述的第一二极管的负端相连，并且输入直流输入电压VIN。

3.如权利要求2所述恒流LED驱动装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）LED驱动装置稳定后，振荡器输出的振荡信号CLK为高电平脉冲；

（2）触发器输出的触发信号为高电平，触发信号经驱动器驱动增强后，使NMOS功率管开通；

（3）直流输入电压VIN通过LED负载、第一电感、NMOS功率管、第一电阻到地产生通路，电感上的电流增加，同时第一电阻采样NMOS功率管上流过的电流并转换为第一电阻上的采样电压VCS；

（4）第一电阻上的采样电压VCS与振荡器输出的斜坡信号经斜率补偿模块进行叠加；

（5）斜率补偿模块的输出与误差放大器的输出信号进行比较；

（6）所述的误差放大器将对选择器的输出电压VSN的值与基准电压VREF进行误差放大，使得选择器的输出电压VSN的平均值等于基准电压VREF；

（7）NMOS功率管导通期间，电感上的电流持续增大，直到斜率补偿模块的输出电压VS1达到误差放大器的输出ERR_OUT，比较器输出高电平脉冲COMP_OUT，触发器输出低电平脉冲，触发器的输出经驱动器，使NMOS功率管截止；

（8）直流输入电压VIN通过LED负载、第一电感、第一二极管产生通路，电感电流下降，当NMOS功率管关断时，选择器的输出电压信号VSN等于基准电压VREF；

（9）等待下一个振荡信号CLK到来，在下个周期重复步骤（1）～（8）。

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