CN102802318B - 反激式快速启动led驱动电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反激式快速启动LED驱动电路结构，属于电路结构技术领域。该电路结构包括：电压输入模块、负载输出模块、变压器、反馈控制电路模块和快速启动控制电路模块，其中快速启动控制单元的输出端连接所述的开关的控制端，该开关连接于外置功率管的源极和所述的供电单元的输出端VCC之间，该开关连接外置功率管的源极的一端还连接所述的反馈控制电路模块的输出端。从而实现了快速启动控制单元的源级驱动，并从源级通过开关向控制电路供电，减少了启动电阻，同时也降低了驱动模块的静态电流，降低了功耗；实现200ms以内的快速启动，提高了驱动效率，同时降低了电路结构的实际面积和成本，应用范围也较为广泛。

Description

反激式快速启动LED驱动电路结构

技术领域

本发明涉及电路结构技术领域，特别涉及LED驱动电路结构技术领域，具体是指一种反激式快速启动LED驱动电路结构。

背景技术

目前大功率的LED驱动器通常需要满足以下条件：高功率因数、输出恒流、电气隔离、高效率、快速启动等。为了保证恒定的发光强度，输出恒流是LED驱动器的基本要求；电气隔离出于安全角度考虑必须遵循的规范；驱动电源的效率对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。由于LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热也非常重要，电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升，对延缓LED的光衰有利。快速启动功能可以给用户更好的产品体验，对LED灯具的普及以及对照明领域的推动有积极的意义，也是目前大多数客户提出的产品性能要求之一。

图1是目前的LED驱动电路普遍采用的反激式原边调整LED驱动电路示意图。输入端由AC电压源、桥式整流电路等模块组成。负载输出端包括续流二极管106、输出滤波电容107、LED负载108。输入端和输出端之间由变压器XFMR起电气隔离和能量转换作用，该变压器包含初级线圈103，次级绕组105、副边绕组104。控制电路包括：供电模块以及与之配合的启动电阻101、二极管102、稳压电容113，副边电压反馈端FB以及与之配合的分压电阻111和分压电阻112，恒流控制模块118，关断控制模块116，触发器117，驱动模块115，外置功率管109以及初级侧感应电阻110等。

当芯片开始启动时，经整流后的AC电压100通过启动电阻101对VCC电容113充电，当VCC电压达到芯片内部的启动电压Vst时，芯片启动，开始正常工作。第一个工作周期开始，恒流控制模块产生低电平信号，关断控制模块116产生低电平信号，触发器输出信号PFM为高，驱动模块将功率管109打开。当功率管109打开时，变压器初级电感103电流增加，节点CS处电压增加，当CS电压升高到一定程度时，Vcs电压高于恒流控制模块内部产生的基准电压，产生关断信号，关断功率管109，反激变换器XFMR将能量从初级线圈103反激至次级绕组105、辅助绕组104，然后通过续流二极管106对负载端107、108充电。检测副边绕组电压FB，通过开通控制逻辑模块116产生打开控制信号，控制功率管重新打开，完成一个完整的工作周期。

上述LED驱动电路，存在如下两个缺点：首先，AC线电压100通过启动电阻101对VCC充电，通常驱动电路工作在11V左右，电源线100上的电压通常在200V以上的高压，这样，在启动电阻101上，会有几百伏的压降，功耗较大。其次，传统的RC启动电路R101，C113需要的启动时间较长。

启动时间计算如下：

$V_{\mathrm{dcin}}(1-e^{-\frac{t_{\mathrm{start}}}{R_{101}{C}_{113}}})=V_{\mathrm{st}}$

$t_{\mathrm{start}}=-R_{101}{C}_{113}\ln (1-\frac{V_{\mathrm{DD}\_\mathrm{ON}}}{V_{\mathrm{dcin}}})$

其中，V_dcin为交流输入等效的直流电压，V_st为芯片的启动电压。由于驱动电路要求在全电压范围内（85VAC-265VAC）的启动时间都要小于200mS，假设C113容值为4.7uF，得到所需要的电流为258.5uA，此时的R101电阻值为425KΩ。综上所述，为了保证200ms的启动时间，R101的值至多为425KΩ，在265V交流电压下，该电阻的静态功耗为98.23mw，远大于控制芯片的静态功耗。

终上所述，如图1所示的现有技术的LED驱动电路在驱动效率和启动时间上难以达到一个较好的折中方案。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种工作在临界导通模式下，有效缩短启动时间，减少电路消耗，提高驱动效率，且电路结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛的反激式快速启动LED驱动电路结构。

为了实现上述的目的，本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构具有如下构成：

该电路结构包括电压输入模块、负载输出模块、变压器、反馈控制电路模块和快速启动控制电路模块。其中，所述的变压器包括初级绕组203，次级绕组205和副边绕组204；所述的电压输入模块连接于所述的变压器的初级绕组203的异名端；所述的负载输出模块连接于所述的变压器的次级绕组205；所述的反馈控制电路模块分别连接所述的副边绕组204与所述的快速启动控制电路模块；所述的快速启动控制电路模块包括供电单元214、快速启动控制单元215、启动电阻201、二极管202、VCC稳压电容213、开关216和外置功率管209；所述的快速启动控制单元215的输入端分别连接所述的供电单元214的输出端VCC和所述的外置功率管209的栅极，所述的快速启动控制单元215的输出端连接所述的开关216的控制端，所述的开关216连接于所述的外置功率管209的源极和所述的供电单元214的输出端VCC之间，该开关216连接外置功率管209的源极的一端还连接所述的反馈控制电路模块的输出端；所述外置功率管209的漏极接所述的初级绕组203的同名端；所述的启动电阻201连接于所述的电压输入模块和所述的外置功率管209的栅极之间，所述的二极管202的阳极连接所述的副边绕组204的同名端，所述的二极管202的阴极连接所述的供电单元214的输出端VCC，且该二极管202的阴极还通过所述的VCC稳压电容213接地。

该反激式快速启动LED驱动电路结构中，所述的快速启动控制单元215包括第一比较器301、第二比较器302和RS触发器303，所述的第一比较器301的反相输出端连接所述的外置功率管209的栅极；所述的第一比较器301和第二比较器302的正相输入端均连接所述的供电单元214的输出端VCC；所述的第二比较器302的反相输出端连接预设的基准电压信号；所述的第一比较器301和第二比较器302的输出端均连接所述的RS触发器303的输入端，所述的RS触发器303的脉冲信号输出端连接所述的开关216的控制端。

该反激式快速启动LED驱动电路结构中，所述的反馈控制电路模块包括初级侧感应电阻210、第一分压电阻211、第二分压电阻212、恒流控制单元221、关断比较器222、次级电感电流检测ZCD单元219、第二触发器220、驱动单元217以及内置功率管218；所述的副边绕组204的同名端通过所述的第一分压电阻211和第二分压电阻212连接所述的初级侧感应电阻210的一端；该初级侧感应电阻210的另一端分别连接所述的内置功率管218的源极，所述的恒流控制单元221的输入端以及关断比较器222的正相输入端；所述的恒流控制单元221的输出端以及关断比较器222的反相输入端；该关断比较器222的输出端连接所述的第二触发器220的输入端；所述的次级电感电流检测ZCD单元219的输入端连接于所述的第一分压电阻211和第二分压电阻212之间，该次级电感电流检测ZCD单元219的输出端也连接于所述的第二触发器220的输入端；该第二触发器220的输出端通过所述的驱动单元217连接所述的内置功率管218的栅极；该内置功率管218的漏极连接于所述的开关216连接外置功率管209的源极的一端。

该反激式快速启动LED驱动电路结构中，所述的电压输入模块包括交流电压源和桥式整流电路223，所述的交流电压源通过所述的桥式整流电路223产生交流线电压200；该交流线电压200连接于所述的变压器的初级绕组203的异名端，并通过所述的启动电阻201连接所述的外置功率管209的栅极。

该反激式快速启动LED驱动电路结构中，所述的负载输出模块包括续流二极管206、输出滤波电容207和LED负载208；所述的次级绕组205的同名端连接于所述的二极管206的阳极，所述的二极管206的阴极通过所述的LED负载208连接所述的次级绕组205的异名端；所述的输出滤波电容207跨接于所述的二极管206的阴极和所述的次级绕组205的异名端之间。

采用了该发明的反激式快速启动LED驱动电路结构，其中快速启动控制单元的输出端连接所述的开关的控制端，该开关连接于外置功率管的源极和所述的供电单元的输出端VCC之间，该开关连接外置功率管的源极的一端还连接所述的反馈控制电路模块的输出端。从而实现了快速启动控制单元的源级驱动，并从源级通过开关向控制电路供电，减少了启动电阻，同时也降低了驱动模块的静态电流，降低了功耗；实现200ms以内的快速启动，提高了驱动效率，同时降低了电路结构的实际面积和成本，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中的LED驱动电路普遍采用的反激式原边调整LED驱动电路示意图。

图2为本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构的示意图。

图3为本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构中的快速启动控制单元的电路结构示意图。

图4为本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构在启动过程中快速启动控制单元的各端点电压波形图。

图5为本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构的主要控制逻辑以及输出波形图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术页面，特举以下实施例详细说明。

请参阅图2所示，为本发明为本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构的示意图。

在一种实施方式中，该电路结构包括电压输入模块、负载输出模块、变压器、反馈控制电路模块和快速启动控制电路模块。

如图2所示，其中，所述的变压器包括初级绕组203，次级绕组205和副边绕组204。所述的电压输入模块连接于所述的变压器的初级绕组203的异名端。所述的负载输出模块连接于所述的变压器的次级绕组205。所述的反馈控制电路模块分别连接所述的副边绕组204与所述的快速启动控制电路模块。所述的快速启动控制电路模块包括供电单元214、快速启动控制单元215、启动电阻201、二极管202、VCC稳压电容213、开关216和外置功率管209；所述的快速启动控制单元215的输入端分别连接所述的供电单元214的输出端VCC和所述的外置功率管209的栅极，所述的快速启动控制单元215的输出端连接所述的开关216的控制端，所述的开关216连接于所述的外置功率管209的源极和所述的供电单元214的输出端VCC之间，该开关216连接外置功率管209的源极的一端还连接所述的反馈控制电路模块的输出端；所述外置功率管209的漏极接所述的初级绕组203的同名端；所述的启动电阻201连接于所述的电压输入模块和所述的外置功率管209的栅极之间，所述的二极管202的阳极连接所述的副边绕组204的同名端，所述的二极管202的阴极连接所述的供电单元214的输出端VCC，且该二极管202的阴极还通过所述的VCC稳压电容213接地。

在一种较优选的实施方式中，如图3所示，所述的快速启动控制单元215包括第一比较器301、第二比较器302和RS触发器303，所述的第一比较器301的反相输出端连接所述的外置功率管209的栅极；所述的第一比较器301和第二比较器302的正相输入端均连接所述的供电单元214的输出端VCC；所述的第二比较器302的反相输出端连接预设的基准电压信号；所述的第一比较器301和第二比较器302的输出端均连接所述的RS触发器303的输入端，所述的RS触发器303的脉冲信号输出端连接所述的开关216的控制端。

在进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述的反馈控制电路模块包括初级侧感应电阻210、第一分压电阻211、第二分压电阻212、恒流控制单元221、关断比较器222、次级电感电流检测ZCD单元219、第二触发器220、驱动单元217以及内置功率管218；所述的副边绕组204的同名端通过所述的第一分压电阻211和第二分压电阻212连接所述的初级侧感应电阻210的一端；该初级侧感应电阻210的另一端分别连接所述的内置功率管218的源极，所述的恒流控制单元221的输入端以及关断比较器222的正相输入端；所述的恒流控制单元221的输出端以及关断比较器222的反相输入端；该关断比较器222的输出端连接所述的第二触发器220的输入端；所述的次级电感电流检测ZCD单元219的输入端连接于所述的第一分压电阻211和第二分压电阻212之间，该次级电感电流检测ZCD单元219的输出端也连接于所述的第二触发器220的输入端；该第二触发器220的输出端通过所述的驱动单元217连接所述的内置功率管218的栅极；该内置功率管218的漏极连接于所述的开关216连接外置功率管209的源极的一端。

在更优选的实施方式中，如图2所示，所述的电压输入模块包括交流电压源和桥式整流电路223，所述的交流电压源通过所述的桥式整流电路223产生交流线电压200；该交流线电压200连接于所述的变压器的初级绕组203的异名端，并通过所述的启动电阻201连接所述的外置功率管209的栅极。且所述的负载输出模块包括续流二极管206、输出滤波电容207和LED负载208；所述的次级绕组205的同名端连接于所述的二极管206的阳极，所述的二极管206的阴极通过所述的LED负载208连接所述的次级绕组205的异名端；所述的输出滤波电容207跨接于所述的二极管206的阴极和所述的次级绕组205的异名端之间。

在实际应用中，本发明的LED驱动电路的输入端由AC电压源、桥式整流电路223、整流后的AC线电压200等组成。负载输出端包括续流二极管206、输出滤波电容207、LED负载208。输入端和输出端之间由变压器XFMR起电气隔离和能量转换作用。该变压器包含初级线圈203，次级绕组205、副边绕组204。控制电路包括：供电单元214以及与之配合的快速启动控制单元215、启动电阻201、二极管202、VCC稳压电容213，OUT至VCC端开关216，副边电压反馈端FB以及与之配合的分压电阻211和分压电阻212，恒流控制单元221，关断比较器222、次级电感电流检测ZCD单元219，触发器220，驱动单元217，外置功率管209以及初级侧感应电阻210等。

外置功率管209的漏极接变压器初级线圈的同名端，栅极接启动电阻201的负端即START端，源级接驱动芯片的OUT端。

所述快速启动控制单元，由VCC、START脚控制，电路结构图如图3所示，比较器301和比较器302检测VCC电压，通过RS触发器303输出控制脉冲Pulse，控制图2的OUT脚对VCC进行充电。若是在启动过程中，则快速启动单元输出持续为高，使OUT端对VCC持续充电，使之到达启动电压V_start；若系统已经启动，则检测VCC脚电压，直到VCC电压低于V_uvlo电压时，再重新对VCC脚进行充电，重新完成一个启动过程。通过控制开关216的打开与关断，实现OUT脚对VCC脚的快速充电。

所述内置驱动MOS管218，栅极接驱动单元217，由驱动单元217产生的PFM控制信号控制内置MOS管的打开与关断，进而控制外置功率管的打开与关断。

所述恒流启动电阻201的正端接AC电压200，负端为控制芯片的START脚，接外置驱动管209的栅极为外置功率管提供一个合适的开启电压，同时START电压还有钳位功能，防止芯片START脚和OUT脚超出击穿电压，避免芯片烧毁。

分压电阻211正端连接辅助绕组204的正端，分压电阻211和分压电阻212采样辅助绕组电压值，检测输出端电压V_out，得到反馈电压FB：

V_FB=（V_out+V_diode）×N×R212/(R211+R212)。

所述ZCD单元采样FB电压，检测次级绕组对负载放电结束时刻，产生脉冲使能信号，使电路工作在临界导通（CRM）模式，控制新一个周期的开始。临界导通模式介于连续导通模式（CCM）和断续导通模式（DCM）之间，不但可以消除连续导通模式下的高压快恢复二极管的反向恢复损耗，而且还可以实现开关管零电流开通，同时使得相应的变压器电流应力减小。在临界导通控制模式下，VCC由副边绕组对VCC进行周期性的充电，同时快速启动单元也实时检测VCC电压，若VCC欠压，重复启动过程。

所述恒流控制单元221通过采样CS端采样电阻210的电压值，估算负载端输出电流值，根据恒流控制逻辑，得到期望的CS端电压基准值，通过比较器222跟CS端电压比较，产生关断信号，通过触发器220、驱动单元217，控制关断内置MOS管218进而关断外置功率管209。

快速启动控制单元的各端点电压波形图如图4所示。从上至下依次为START、VCC、Switch端的电压信号波形。当本发明的电路结构开始启动时，随着Vac电压逐渐升高，通过START引脚上方的电阻对芯片内部充电，逐步提高START点的电压。当START电压升高到功率管209的阈值时，功率管209打开，此时，快速启动控制单元输出信号初始状态为高，通过OUT脚使外置功率管209对VCC充电，使芯片达到启动电压开始正常工作。在芯片启动之后，快速启动单元215控制开关216关断，OUT脚停止对VCC端供电，由辅助绕组204通过二极管202对VCC供电；在系统工作过程中，当辅助绕组供电不足时，开关216在检测到VCC电压下降时会重新将开关216打开，功率管206源级对VCC再次充电。

本发明的反激式快速启动LED驱动电路结构开始正常工作时，第一个工作周期开始，快速启动控制单元产生的输出信号Switch信号为低，断开OUT脚至VCC脚之间的通路；恒流控制单元产生低电平信号，ZCD单元产生高电平信号，触发器输出信号PFM为高，驱动单元将功率管209打开。当功率管209打开时，变压器初级电感203电流增加，节点CS处电压Vcs增加，当Vcs电压高于恒流控制单元内部产生的基准电压CS_ref时，产生关断信号，PFM信号为低电平；此时，功率管209被关断，反激变换器XFMR将能量从初级线圈203反激至次级绕组205、辅助绕组204，然后通过续流二极管206对负载端供电。

临界连续导电模式(CRM)不但可以消除连续导通模式下的高压快恢复二极管的反向恢复损耗，而且还可以实现开关管零电流开通，同时使得相应的变压器电流应力减小。在临界导通模式下，此时功率管导通时间和关断时间比值T_on∶T_off＝V_ac/(V_out+V_diode)×N₂。

其中，V_ac为整流后输入线200的电压，V_out为输出负载LED电压、N₂为初级线圈和次级线圈的匝数比。

为了使系统工作在临界连续导通模式下，通过检测副边绕组电压FB，当FB端电压过零时，控制ZCD单元产生打开控制信号，使功率管重新打开，完成一个完整的工作周期。

图5为以上所述的主要控制逻辑以及输出波形图，从上至下依次为PFM电压信号、初级电感电流值Ip、次级电感电流值Is、FB端采样电压信号。

本发明的快速启动LED驱动电路采用源级驱动，当电路开始启动时，快速启动单元215通过检测VCC和START电压，产生逻辑控制信号。在芯片启动之前，通过OUT脚使外置功率管209对VCC充电，使芯片能够快速启动；在芯片启动之后，快速启动单元215控制开关216关断，OUT脚停止对VCC端供电，由辅助绕组204通过二极管202对VCC供电；在系统工作过程中，当辅助绕组供电不足时，开关216在检测到VCC电压下降时会重新将开关216打开，功率管206源级对VCC再次充电。

与图1所示的现有技术相比相比，本发明提供了一种高效率LED驱动方法，采用源级驱动，从功率开关管的源级经由开关对供电单元供电，可以在200ms以内（85V交流电压下）将芯片启动；省略了启动电阻，降低了功耗，降低了驱动单元的静态电流，提高了效率；减小了VCC稳压电容213的值，增大了电容的取值范围，增大了设计灵活性，降低了系统的面积和成本。

采用了该发明的反激式快速启动LED驱动电路结构，其中快速启动控制单元的输出端连接所述的开关的控制端，该开关连接于外置功率管的源极和所述的供电单元的输出端VCC之间，该开关连接外置功率管的源极的一端还连接所述的反馈控制电路模块的输出端。从而实现了快速启动控制单元的源级驱动，并从源级通过开关向控制电路供电，减少了启动电阻，同时也降低了驱动模块的静态电流，降低了功耗；实现200ms以内的快速启动，提高了驱动效率，同时降低了电路结构的实际面积和成本，应用范围也较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (3)

1.一种反激式快速启动LED驱动电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括：电压输入模块、负载输出模块、变压器、反馈控制电路模块和快速启动控制电路模块，其中，

所述的变压器包括初级绕组(203)，次级绕组(205)和副边绕组(204)；

所述的电压输入模块连接于所述的变压器的初级绕组(203)的异名端；

所述的负载输出模块连接于所述的变压器的次级绕组(205)；

所述的反馈控制电路模块分别连接所述的副边绕组(204)与所述的快速启动控制电路模块；

所述的快速启动控制电路模块包括供电单元(214)、快速启动控制单元(215)、启动电阻(201)、二极管(202)、VCC稳压电容(213)、开关(216)和外置功率管(209)；所述的快速启动控制单元(215)的输入端分别连接所述的供电单元(214)的输出端VCC和所述的外置功率管(209)的栅极，所述的快速启动控制单元(215)的输出端连接所述的开关(216)的控制端，所述的开关(216)连接于所述的外置功率管(209)的源极和所述的供电单元(214)的输出端VCC之间，该开关(216)连接外置功率管(209)的源极的一端还连接所述的反馈控制电路模块的输出端；所述外置功率管(209)的漏极接所述的初级绕组(203)的同名端；所述的启动电阻(201)连接于所述的电压输入模块和所述的外置功率管(209)的栅极之间，所述的二极管(202)的阳极连接所述的副边绕组(204)的同名端，所述的二极管(202)的阴极连接所述的供电单元(214)的输出端VCC，且该二极管(202)的阴极还通过所述的VCC稳压电容(213)接地；

所述的快速启动控制单元(215)包括第一比较器(301)、第二比较器(302)和RS触发器(303)，所述的第一比较器(301)的反相输出端连接所述的外置功率管(209)的栅极；所述的第一比较器(301)和第二比较器(302)的正相输入端均连接所述的供电单元(214)的输出端VCC；所述的第二比较器(302)的反相输出端连接预设的基准电压信号；所述的第一比较器(301)和第二比较器(302)的输出端均连接所述的RS触发器(303)的输入端，所述的RS触发器(303)的脉冲信号输出端连接所述的开关(216)的控制端；

所述的反馈控制电路模块包括初级侧感应电阻(210)、第一分压电阻(211)、第二分压电阻(212)、恒流控制单元(221)、关断比较器(222)、次级电感电流检测ZCD单元(219)、第二触发器(220)、驱动单元(217)以及内置功率管(218)；所述的副边绕组(204)的同名端通过所述的第一分压电阻(211)和第二分压电阻(212)连接所述的初级侧感应电阻(210)的一端；该初级侧感应电阻(210)的另一端分别连接所述的内置功率管(218)的源极，所述的恒流控制单元(221)的输入端连接关断比较器(222)的正相输入端；所述的恒流控制单元(221)的输出端连接关断比较器(222)的反相输入端；该关断比较器(222)的输出端连接所述的第二触发器(220)的R输入端；所述的次级电感电流检测ZCD单元(219)的输入端连接于所述的第一分压电阻(211)和第二分压电阻(212)之间，该次级电感电流检测ZCD单元(219)的输出端也连接于所述的第二触发器(220)的S输入端；该第二触发器(220)的输出端通过所述的驱动单元(217)连接所述的内置功率管(218)的栅极；该内置功率管(218)的漏极连接于所述的开关(216)连接外置功率管(209)的源极的一端。

2.根据权利要求1所述的反激式快速启动LED驱动电路结构，其特征在于，所述的电压输入模块包括交流电压源和桥式整流电路(223)，所述的交流电压源通过所述的桥式整流电路(223)产生交流线电压(200)；该交流线电压(200)连接于所述的变压器的初级绕组(203)的异名端，并通过所述的启动电阻(201)连接所述的外置功率管(209)的栅极。

3.根据权利要求1所述的反激式快速启动LED驱动电路结构，其特征在于，所述的负载输出模块包括续流二极管(206)、输出滤波电容(207)和LED负载(208)；所述的次级绕组(205)的同名端连接于所述的二极管(206)的阳极，所述的二极管(206)的阴极通过所述的LED负载(208)连接所述的次级绕组(205)的异名端；所述的输出滤波电容(207)跨接于所述的二极管(206)的阴极和所述的次级绕组(205)的异名端之间。