CN102664524B - 采用数字pwm控制的恒流型dc-dc变换器与恒流型led驱动dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器与恒流型LED驱动DC-DC变换器，其中，采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器包括电连接的功率级与数字PWM控制级，以及分别与所述功率级及数字PWM控制级电连接的恒流控制级。本发明所述采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器与恒流型LED驱动DC-DC变换器，可以克服现有技术中结构复杂、成本高、功耗大与转换效率低等缺陷，以实现结构简单、成本低、功耗小、恒流效果好与转换效率高的优点。

Description

采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器与恒流型LED驱动DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体地，涉及采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器与恒流型LED驱动DC-DC变换器。

背景技术

在集成电路技术领域，数字开关电源具有灵活的可编程性，通过外部数字信号可实现不同的复杂功能，能够消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。因此，数字开关电源技术得到迅速发展。

数字开关电源采用数字脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM，又称脉宽调制)控制技术，现有的采用数字PWM控制的DC-DC变换器如图1所示。在图1中，采用数字PWM控制的DC-DC变换器包括数字PWM控制级，与数字PWM控制级电连接的功率级，以及分别与数字PWM控制级及功率级电连接的负载输出级。

其中，数字PWM控制级，包括用于基于输入的基准电压V1、以及反馈的输出电压V_OUT进行模/数(A/D)转换的A/D转换器，依次与A/D转换器电连接的比例-积分-微分(PID)补偿器及数字PWM调制器，PWM调制器电连接至功率级。功率级，包括电感L1、二极管D1、功率晶体管M1与电容C1，电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN、第二连接端接二极管D1的阳极及功率晶体管M1的漏极，功率晶体管M1的栅极与数字PWM调制器的输出端连接、源极接信号地、漏极作为开关控制端SW，二极管D1的阴极经电容C1接地、并作为输出电压V_OUT的输出端与负载输出级连接。负载输出级，包括负载电阻R_OUT，负载电阻R_OUT连接在输出电压V_OUT的输出端与信号地之间。

可见，在图1所示的采用数字PWM控制的DC-DC变换器中，主要由A/D转换器、PID补偿器和数字PWM调制器三部分构成。其中，A/D转换器将输出电压与基准电压的模拟差值转换为数字信号；PID补偿器对控制环路进行补偿调节；数字PWM调制器产生所需的占空比信号，去驱动功率晶体管M1。

图1所示的现有数字PWM控制技术，需要复杂的控制算法和电路，导致芯片成本往往居高不下；并且，高分辨率的数字PWM调制需要高的工作频率，因此需要消耗更多的功耗，从而降低DC-DC转换器(也称为直流斩波器，用于将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压)的效率。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在结构复杂、成本高、功耗大与转换效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，以实现结构简单、成本低、功耗小、恒流效果好与转换效率高的优点。

同时，本发明的另一目的在于，提出基于上述采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器的恒流型LED驱动DC-DC变换器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，包括电连接的功率级与数字PWM控制级，以及分别与所述功率级及数字PWM控制级电连接的恒流控制级。

进一步地，以上所述的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，还包括LED灯串联级，所述LED灯串联级电连接在功率级与恒流控制级之间。

进一步地，所述数字PWM控制级，包括数字PWM调制器、加/减计数器、第一比较器、以及用于产生时钟信号的振荡器，其中：

所述振荡器的输出端，分别与数字PWM调制器的控制端、以及加/减计数器的控制端连接；第一比较器的同相输入端与恒流控制级电连接，反相输入端为第一基准电压V1输入端，输出端用于输出逻辑电平信号PG、并与加/减计数器的输入端电连接；加/减计数器的输出端，与数字PWM调制器的输入端电连接；数字PWM调制器的输出端，与功率级电连接。

进一步地，所述恒流控制级，包括功率晶体管M2、第二放大器与用于设定输出电流的电流设定电阻R_CS，其中：

所述第二放大器的同相输入端为第二基准电压V2输入端，反相输入端为电压V_CS输入端、与功率晶体管M2的源极连接、并经电流设定电阻R_CS接信号地，输出端与功率晶体管M2的栅极连接；功率晶体管M2的漏极为电压V_FB输出端、与第一比较器的同相输入端电连接、并与LED灯串联级或功率级电连接。

进一步地，所述LED灯串联级，包括串联的第一发光二极管D2与第二发光二极管D3，其中：

所述第一发光二极管D2的阳极与功率级电连接，阴极与第二发光二极管D3的阳极电连接；第二发光二极管D3的阴极，与功率晶体管M2的漏极电连接。

进一步地，所述功率级，包括电感L1、二极管D1、功率晶体管M1与电容C1，其中：

所述电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN、第二连接端接二极管D1的阳极及功率晶体管M1的漏极，功率晶体管M1的栅极与数字PWM调制器的输出端连接、源极接信号地、漏极作为开关控制端SW，二极管D1的阴极经电容C1接地、并作为输出电压V_OUT的输出端与第一发光二极管D2的阳极电连接。

同时，本发明采用的另一技术方案是：基于以上所述的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器的恒流型LED驱动DC-DC变换器，包括DC-DC变换级，以及与所述DC-DC变换级电连接的LED灯串联级。

进一步地，所述DC-DC变换级，包括电感L1、二极管D1、采用数字PWM控制的大功率高亮度升压型LED驱动芯片A与电容C1，其中：

所述电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN，第二连接端接二极管D1的阳极及驱动芯片A的开关控制端SW；二极管D1的阴极经电容C1接地，并作为输出电压V_OUT的输出端与LED灯串联级电连接；驱动芯片A的V_IN端与电感L1的第一连接端电连接，DIM端为调光控制端口，GND端接信号地，V_FB端与LED灯串联级电连接。

进一步地，所述LED灯串联级，包括串联的第一发光二极管D2与第二发光二极管D3，其中：

所述第一发光二极管D2的阳极与二极管D1的阴极电连接，阴极与第二发光二极管D3的阳极电连接；第二发光二极管D3的阴极，与驱动芯片A的V_FB端电连接。

本发明各实施例的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器与恒流型LED驱动DC-DC变换器，由于采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器包括电连接的功率级与数字PWM控制级，以及分别与功率级及数字PWM控制级电连接的恒流控制级；可以通过恒流控制级对V_FB纹波电压的良好抑制作用，使得LED灯串联级的纹波电流很小，恒流效果好；并且，采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器的电路结构简单，芯片面积小，可以有效降低成本；从而可以克服现有技术中结构复杂、成本高、功耗大与转换效率低的缺陷，以实现结构简单、成本低、功耗小、恒流效果好与转换效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有的采用数字PWM控制的DC-DC变换器的工作原理示意图；

图2为本发明采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器的工作原理示意图；

图3为基于图2的恒流型LED驱动DC-DC变换器的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

采用数字PWM控制的DC-DC变换器实施例

根据本发明实施例，提供了采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器。如图2所示，本实施例电连接的功率级与数字PWM控制级，分别与所述功率级及数字PWM控制级电连接的恒流控制级，以及电连接在功率级与恒流控制级之间的LED灯串联级。

其中，上述数字PWM控制级，包括数字PWM调制器、加/减计数器、第一比较器、以及用于产生时钟信号的振荡器；振荡器的输出端，分别与数字PWM调制器的控制端、以及加/减计数器的控制端连接；第一比较器的同相输入端与恒流控制级电连接，反相输入端为第一基准电压V1输入端，输出端用于输出逻辑电平信号PG、并与加/减计数器的输入端电连接；加/减计数器的输出端，与数字PWM调制器的输入端电连接；数字PWM调制器的输出端，与功率级电连接。

上述恒流控制级，包括功率晶体管M2、第二放大器与用于设定输出电流的电流设定电阻R_CS；第二放大器的同相输入端为第二基准电压V2输入端，反相输入端为电压V_CS输入端、与功率晶体管M2的源极连接、并经电流设定电阻R_CS接信号地，输出端与功率晶体管M2的栅极连接；功率晶体管M2的漏极为电压V_FB输出端、与第一比较器的同相输入端电连接、并与LED灯串联级或功率级电连接。

上述LED灯串联级，包括串联的第一发光二极管D2与第二发光二极管D3；第一发光二极管D2的阳极与功率级电连接，阴极与第二发光二极管D3的阳极电连接；第二发光二极管D3的阴极，与功率晶体管M2的漏极电连接。

上述功率级，包括电感L1、二极管D1、功率晶体管M1与电容C1；电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN、第二连接端接二极管D1的阳极及功率晶体管M1的漏极，功率晶体管M1的栅极与数字PWM调制器的输出端连接、源极接信号地、漏极作为开关控制端SW，二极管D1的阴极经电容C1接地、并作为输出电压V_OUT的输出端与第一发光二极管D2的阳极电连接。

上述实施例的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，可以用于稳定DC-DC变换器的输出电压，该采用数字PWM控制的DC-DC变换器采用数字PWM控制的DC-DC变换器的工作原理如下：

参见图2，第二放大器将第二发光二极管D3阴极的电压V_FB与第一基准电压V1相比较，输出逻辑电平信号PG；加/减计数器是加法/减法计数器，输出n位的二进制数字信号，当逻辑电平信号PG为高电平信号时，加/减计数器工作在减法计数器的状态，每经过一个时钟周期，输出的n位数字信号减1；当逻辑电平信号PG为低电平信号时，加/减计数器工作在加法计数器状态，每经过一个时钟周期，输出的n位数字信号加1。数字PWM调制器产生PWM占空比信号，用于驱动功率晶体管M1；数字PWM调制器输出的占空比大小由加/减计数器输出的n位数字信号大小决定，n位数字信号每增大1，占空比就增大一个固定的时间步长ΔT；n位数字信号每减少1，占空比就减少一个固定的时间步长ΔT。通过设定数字信号的位数和时间步长ΔT，就可以设定数字PWM调制器所能输出的最大占空比大小。

利用上述实施例的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，对DC-DC变换器的输出电压进行稳压的原理如下：

当DC-DC变换器的输出电压V_OUT过低，导致电压V_FB低于第一基准电压V1时，第一比较器输出的逻辑电平信号PG为低电平信号，加/减计数器工作在加法计数器状态，输出的n位数字信号不断增大，使得数字PWM调制器输出的占空比信号也相应的不断增大，导致DC-DC变换器的输出V_OUT增大；

当DC-DC变换器的输出电压V_OUT过高，导致电压V_FB高于基准电压V1时，比较器输出的逻辑电平信号PG为高高电平，加/减计数器工作在减法计数器状态，输出的n位数字信号不断减小，使得数字PWM调制器输出的占空比信号也相应的不断减小，导致DC-DC变换器的输出V_OUT减小；

最终，电压V_FB稳定在接近第一基准电压V1的状态，而DC-DC变换器的输出电压V_OUT稳定在自动适应LED灯串联级中串联LED灯(即发光二极管)个数的自适应电压上，该自适应电压等于电压V_FB加上LED灯串联级中所有串联LED灯(即发光二极管)的正向导通电压之和。

恒流型LED驱动DC-DC变换器实施例

根据本发明实施例，提供了基于以上采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器实施例的恒流型LED驱动DC-DC变换器。如图3所示，本实施例包括DC-DC变换级，以及与DC-DC变换级电连接的LED灯串联级。

其中，上述DC-DC变换级，包括电感L1、二极管D1、采用数字PWM控制的大功率高亮度升压型LED驱动芯片A(Chip A)与电容C1；电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN，第二连接端接二极管D1的阳极及驱动芯片A的开关控制端SW；二极管D1的阴极经电容C1接地，并作为输出电压V_OUT的输出端与LED灯串联级电连接；驱动芯片A的V_IN端与电感L1的第一连接端电连接，DIM端为调光控制端口，GND端接信号地，V_FB端与LED灯串联级电连接。

上述LED灯串联级，包括串联的第一发光二极管D2与第二发光二极管D3；第一发光二极管D2的阳极与二极管D1的阴极电连接，阴极与第二发光二极管D3的阳极电连接；第二发光二极管D3的阴极，与驱动芯片A的V_FB端电连接。

上述实施例的恒流型LED驱动DC-DC变换器，基于以上采用数字PWM控制的DC-DC变换器实施例的数字PWM控制方法，恒流效果好，并且芯片面积小，可以有效的降低成本。

综上所述，本发明各实施例的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器与恒流型LED驱动DC-DC变换器，基于数字PWM控制方法，实现电路非常简单，芯片面积非常小，可以有效的降低成本；虽然电压V_FB的纹波电压比普通模拟PWM控制的DC-DC变换器要大一些，但是由于恒流控制部分对电压V_FB纹波电压的良好抑制作用，使得LED灯(即发光二极管)的纹波电流非常小，恒流效果非常好。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，其特征在于，包括电连接的功率级与数字PWM控制级，以及分别与所述功率级及数字PWM控制级电连接的恒流控制级；

还包括LED灯串联级，所述LED灯串联级电连接在功率级与恒流控制级之间；

包括DC-DC变换级，以及与所述DC-DC变换级电连接的LED灯串联级；

所述数字PWM控制级，包括数字PWM调制器、加/减计数器、第一比较器、以及用于产生时钟信号的振荡器，其中：

所述振荡器的输出端，分别与数字PWM调制器的控制端、以及加/减计数器的控制端连接；第一比较器的同相输入端与恒流控制级电连接，反相输入端为第一基准电压V1输入端，输出端用于输出逻辑电平信号PG、并与加/减计数器的输入端电连接；加/减计数器的输出端，与数字PWM调制器的输入端电连接；数字PWM调制器的输出端，与功率级电连接；

所述恒流控制级，包括功率晶体管M2、第二放大器与用于设定输出电流的电流设定电阻R_CS，其中：

所述第二放大器的同相输入端为第二基准电压V2输入端，反相输入端为电压V_CS输入端、与功率晶体管M2的源极连接、并经电流设定电阻R_CS接信号地，输出端与功率晶体管M2的栅极连接；功率晶体管M2的漏极为电压V_FB输出端、与第一比较器的同相输入端电连接、并与LED灯串联级或功率级电连接；

第二放大器将第二发光二极管D3阴极的电压V_FB与第一基准电压V1相比较，输出逻辑电平信号PG；加/减计数器是加法/减法计数器，输出n位的二进制数字信号，当逻辑电平信号PG为高电平信号时，加/减计数器工作在减法计数器的状态，每经过一个时钟周期，输出的n位数字信号减1；当逻辑电平信号PG为低电平信号时，加/减计数器工作在加法计数器状态，每经过一个时钟周期，输出的n位数字信号加1；数字PWM调制器产生PWM占空比信号，用于驱动功率晶体管M1；数字PWM调制器输出的占空比大小由加/减计数器输出的n位数字信号大小决定，n位数字信号每增大1，占空比就增大一个固定的时间步长ΔT；n位数字信号每减少1，占空比就减少一个固定的时间步长ΔT；通过设定数字信号的位数和时间步长ΔT，就能够设定数字PWM调制器所能输出的最大占空比大小。

2.根据权利要求1所述的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，其特征在于，所述LED灯串联级，包括串联的第一发光二极管D2与第二发光二极管D3，其中：

所述第一发光二极管D2的阳极与功率级电连接，阴极与第二发光二极管D3的阳极电连接；第二发光二极管D3的阴极，与功率晶体管M2的漏极电连接。

3.根据权利要求1所述的采用数字PWM控制的恒流型DC-DC变换器，其特征在于，所述功率级，包括电感L1、二极管D1、功率晶体管M1与电容C1，其中：

所述电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN、第二连接端接二极管D1的阳极及功率晶体管M1的漏极，功率晶体管M1的栅极与数字PWM调制器的输出端连接、源极接信号地、漏极作为开关控制端SW，二极管D1的阴极经电容C1接地、并作为输出电压V_OUT的输出端与第一发光二极管D2的阳极电连接。

4.根据权利要求1所述的恒流型LED驱动DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换级，包括电感L1、二极管D1、采用数字PWM控制的大功率高亮度升压型LED驱动芯片A与电容C1，其中：

所述电感L1的第一连接端接直流输入电压V_IN，第二连接端接二极管D1的阳极及驱动芯片A的开关控制端SW；二极管D1的阴极经电容C1接地，并作为输出电压V_OUT的输出端与LED灯串联级电连接；驱动芯片A的V_IN端与电感L1的第一连接端电连接，DIM端为调光控制端口，GND端接信号地，V_FB端与LED灯串联级电连接。

5.根据权利要求4所述的恒流型LED驱动DC-DC变换器，其特征在于，所述LED灯串联级，包括串联的第一发光二极管D2与第二发光二极管D3，其中：

所述第一发光二极管D2的阳极与二极管D1的阴极电连接，阴极与第二发光二极管D3的阳极电连接；第二发光二极管D3的阴极，与驱动芯片A的V_FB端电连接。