CN102957136A - 具有冲击电流保护的负载驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露了一种具有冲击电流保护的负载驱动电路，包含一转换电路、一转换控制器、一负载驱动调整器以及一冲击电流保护电路。转换电路系用以耦接一输入电源并于一输出端提供一驱动电源以驱动一负载，其中转换电路具有一输出电容，耦接于输出端。转换控制器根据负载的一电流或一电压控制转换电路所提供的驱动电源的大小。负载驱动调整器与负载串联于转换电路的输出端以调控负载的电性状态。冲击电流保护电路耦接负载驱动调整器与负载的连接点及输出电容，以提供一单向电荷导通路径至输出电容。

Description

具有冲击电流保护的负载驱动电路
技术领域
本发明系关于一种具有冲击电流保护的负载驱动电路，尤指一种以电容作为冲击电流保护的负载驱动电路。
背景技术
请参见图1，为传统的发光二极管驱动电路的电路示意图。发光二极管驱动电路包含了一转换控制器100、一升压转换电路160、一输出电容C、一发光二极管模块150、一最低电压选择电路140以及一电流平衡电路145。升压转换电路160为一直流转直流升压转换电路，包含一电感L、一切换开关SW以及一整流组件D，电感L一端耦接一输入电源Vin，另一端耦接切换开关SW的一端；而切换开关SW的另一端接地。整流组件D的正端耦接电感L及切换开关SW的连接点，负端耦接输出电容C。输出电容C接收升压转换电路160所传送的电力以产生一驱动电源Vout，以驱动发光二极管模块150发光。
电流平衡电路145耦接发光二极管模块150中的每个发光二极管串150的负端，使每一发光二极管串的电流一致，如此可使每一发光二极管串发光一致。最低电压选择电路140耦接发光二极管模块150中的每个发光二极管串的负端，用以检测并判断这些负端中电压最低者，并据此输出一电压反馈信号VFB。转换控制器100根据电压反馈信号VFB产生一切换信号Sc，以控制切换开关SW的切换。
转换控制器100具有驱动管脚及接地管脚，因此集成电路中会设计一些静电防护路径，将静电的能量通过这两管脚导出以避免损伤转换控制器100。但这样的电路架构中的电流平衡电路145并未有驱动管脚(VDD pin)，故并无对VDD路径的静电防护的功能。因此，当静电通过电流平衡电路145与发光二极管模块150的连接点导入电流平衡电路145，很容易就造成电路的损伤而无法发挥功能。
请参见图2，为传统具有静电防护的发光二极管驱动电路的电路示意图。相较图1所示的电路，图2的电路增加了TVS静电防护电路155，耦接接地电位及电流平衡电路145与发光二极管模块150的连接点。TVS静电防护电路155为瞬态电压抑制器(TransientVoltage Suppressor，TVS)所组成，瞬态电压抑制器最显著的特点一是反应迅速，使瞬时脉冲在没有对线路或组件造成损伤之前就被有效地遏制，二关断是电压比较低，更适用于低电压的回路环境。如此，当静电产生时，不论是正的静电电压或者是负的静电电压，均可通过TVS静电防护电路155中的瞬态电压抑制器导通至接地电位，而达到电路的静电防护作用。
然而，瞬态电压抑制器的成本高，对于整体电路的成本会大幅提高。而且瞬态电压抑制器的崩溃电压的误差大，应用在上述电路时，需选择的崩溃电压要高出驱动电源Vout的电压一段距离，以避免在驱动电源Vout的正常操作电压范围时，瞬态电压抑制器却导通而影响电路的正常运作。而此举可能造成瞬态电压抑制器的实际崩溃电压与电流平衡电路145的耐压接近，使得发生静电放电时，电流平衡电路145也短暂超过耐压而影响电流平衡电路145的使用寿命。所以在实际的电路应用上，大部分仍选择不使用静电防护电路而使的实际使用时，产品的可靠度低，且也无法通过相关的静电测试规范。
发明内容
鉴于现有技术中的发光二极管驱动电路使用瞬态电压抑制器作为静电防护电路造成的整体电路成本的大幅增加且仍无法完全避免静电放电对电路寿命的影响，而若未加瞬态电压抑制器，则电路的静电防护功能不佳，使得产品的可靠度下降。本发明通过增加一静电防护电路于转换电路的电容及未有静电防护的芯片电路的管脚之间，通过电容的储能功能来达到芯片电路的静电防护效果，并同时避免对电路使用寿命的影响。
为达上述目的，本发明提供了一种具有冲击电流保护的负载驱动电路，包含一转换电路、一转换控制器、一负载调整器以及一冲击电流保护电路。转换电路系用以耦接一输入电源并于一输出端提供一驱动电源以驱动一负载，其中转换电路具有一输出电容，耦接于输出端。转换控制器根据负载的一电流或一电压控制转换电路所提供的驱动电源的大小。负载调整器与负载串联于转换电路的输出端以调控负载的电性状态。冲击电流保护电路耦接负载调整器与负载的连接点及输出电容，以提供一单向电荷导通路径至输出电容。
本发明也提供了另一种具有冲击电流保护的负载驱动电路，包含一转换电路、一转换控制器、一负载调整器以及一冲击电流保护电路。转换电路系用以耦接一输入电源并于一输出端提供一驱动电源以驱动一负载，其中转换电路具有一输出电容，耦接于输出端。转换控制器根据代表驱动电源的电压的一电压反馈信号控制转换电路所提供的驱动电源的大小。负载驱动调整器与负载串联于转换电路的输出端以调控负载的电性状态。冲击电流保护电路耦接负载驱动调整器与负载的连接点及输出电容，以提供一单向电荷导通路径至输出电容。
以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的权利要求范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与图示加以阐述。
附图说明
图1为传统的发光二极管驱动电路的电路示意图。
图2为传统具有静电防护的发光二极管驱动电路的电路示意图。
图3为根据本发明的一第一较佳实施例的具有冲击电流保护的负载驱动电路的电路示意图。
图4为根据本发明的一第二较佳实施例的具有冲击电流保护的负载驱动电路的电路示意图。
主要组件符号说明：
现有技术：
转换控制器100
最低电压选择电路140
电流平衡电路145
发光二极管模块150
TVS静电防护电路155
升压转换电路160
输出电容C
电感L
切换开关SW
整流组件D
输入电源Vin
驱动电源Vout，
电压反馈信号VFB
切换信号Sc
本发明：
转换控制器200、300
最低电压选择电路240
负载调整器245、345
负载250、350
冲击电流保护电路255、355
转换电路260、360
输入电源Vin
驱动电源Vout
输出电容C
电压反馈信号VFB
寄生二极管Db
第一输入/输出端PIN1
第二输入/输出端PIN2
反馈控制端FB
接地端GD
电流检测电阻Ri
电流检测信号IFB
电压检测电路VD
具体实施方式
请参见图3，为根据本发明的一第一较佳实施例的具有冲击电流保护的负载驱动电路的电路示意图。负载驱动电路包含一转换电路260、一转换控制器200、一负载调整器245以及一冲击电流保护电路255。转换电路260耦接一输入电源Vin并于一输出端提供一驱动电源Vout以驱动一负载250，其中转换电路260具有一输出电容C，耦接于转换电路260的输出端，以稳定转换电路260的输出。转换电路260可以是一般常见的直流转直流转换电路，例如：升压转换电路(Boost Converter)、降压转换电路(Buck Converter)、反激式转换电路(Flyback Converter)、正激式转换电路(Forward Converter)、LLC谐振式转换电路等。转换控制器200根据负载250的电压产生切换信号Sc控制转换电路260所提供的驱动电源Vout的大小。负载调整器245与负载串联于转换电路260的输出端及接地电位之间，以调控负载250的电性状态。冲击电流保护电路255耦接负载调整器245与负载250的连接点及输出电容C，以提供一单向电荷导通路径至输出电容C。
负载250为一发光二极管模块，包含至少一发光二极管串，在本实施例中以两发光二极管串为例说明。发光二极管串的正端耦接转换电路260的输出端以接收驱动电源Vout的电力，负端耦接负载调整器245。本实施例的负载调整器245调节各发光二极管串的电流，使各串电流一致。一最低电压选择电路240应用于此电路中，耦接各发光二极管串的负端，选择负端的中最低电压作为一电压反馈信号VFB输出。转换控制器200根据电压反馈信号VFB控制转换电路260，使各发光二极管串中的负端维持在一预定电压，以使发光二极管的驱动可以维持在较高的转换效率下操作。当然，转换控制器200也可以根据任一发光二极管串的电流检测信号，来进行上述的反馈控制而使该发光二极管串的电流流经预定的电流值，并瞬态负载调整器245使所有的发光二极管串的电流均落在预定的电流值上。
负载调整器245可以是电流镜或具有电流反馈控制以调整等效电阻值的电路架构，藉此以调整负载250的流经电流大小。一般而言，负载调整器245具有对应各发光二极管串的晶体管，例如：双载子接面晶体管(BJT)、金氧半场效晶体管(MOSFET)等，以提供对应的电流控制端，在此以金氧半场效晶体管为例说明。金氧半场效晶体管的第一端(漏极)耦接负载250中对应的发光二极管串，第二端(源极)耦接地，而控制端(栅极)则根据一控制信号调整流经的电流大小。
冲击电流保护电路255包含两个PN接面二极管，其正端分别耦接对应至的负载250与负载调整器245的连接点，即上述的电流控制端，负端均耦接到转换电路260的输出电容C，以提供由电流控制端到输出电容C的单向电荷导通路径。因此，当静电或其他因素造成的正电压的冲击电流，瞬态电流控制端打入负载调整器245时，冲击电流保护电路255的PN接面二极管被导通，以将能量(电荷)传送至输出电容C中储存，故冲击电流所造成的电压可被箝制在略高驱动电源Vout的电压。而由于输出电容C必须提供输出电源Vout的稳定作用，故其电容值也足以承受这样的冲击电流。若当负电压的冲击电流瞬态电流控制端打入负载调整器245时，则冲击电流保护电路255的PN接面二极管会因负偏压而关断。而由于金氧半场效晶体管中寄生二极管Db的负端耦接电流控制端而正端耦接地，故此时会因正偏压而导通，使冲击电流的能量被导引至接地电位而避免损伤负载调整器245的内部电路。另外，由于金氧半场效晶体管中的栅极的耐压能力较弱，而若冲击电流可能回流经至栅极时，亦可能造成晶体管的损坏。因此，也可以在栅极与漏极以及栅极与源极之间增加二极管作为内部的静电防护电路，使冲击电流瞬态电流控制端或接地电位导引出去。
请参见图4，为根据本发明的一第二较佳实施例的具有冲击电流保护的负载驱动电路的电路示意图。负载驱动电路包含一转换电路360、一转换控制器300、一负载调整器345以及一冲击电流保护电路355。转换电路360耦接一输入电源Vin并于一输出端提供一驱动电源Vout以驱动负载350，其中转换电路360具有一输出电容C，耦接于转换电路360的输出端，以稳定转换电路360的输出。一电压检测电路VD耦接转换电路360的输出端，以根据驱动电源Vout的电压产生一电压反馈信号VFB。转换控制器300根据电压反馈信号VFB产生切换信号Sc以控制转换电路360所提供的驱动电源Vout的大小。负载调整器345与负载串联于转换电路360的输出端及接地电位之间，以调控负载350的电性状态。冲击电流保护电路355耦接负载调整器345与负载350的连接点及输出电容C，以提供一单向电荷导通路径至输出电容C。
负载调整器345为常见的线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)，利用一电流检测电阻Ri检测流经的电流大小来调整其中的金氧半场效晶体管的等效电阻值，使流经负载350的电流稳定于预定电流值。负载调整器345有一第一输入/输出端PIN1、一第二输入/输出端PIN2、一反馈控制端FB以及一接地端GD。第一输入/输出端PIN1耦接转换电路360的输出端，而第二输入/输出端PIN2耦接电流检测电阻Ri的一端，而电流检测电阻Ri的另一端耦接负载350的正端及接地端GD。冲击电流保护电路355包含一齐纳二极管，其负端耦接输出电容C，而正端耦接第二输入/输出端PIN2。线性稳压器内含一误差放大器，瞬态反馈控制端FB接收电流检测电阻Ri所产生的电流检测信号IFB，以据此调整金氧半场效晶体管的等效电阻值，而达到稳定电流的作用。
当静电或其他因素造成的正电压的冲击电流瞬态负载调整器345的接地端GD或反馈控制端FB打入时，将使内部的金氧半场效晶体管的寄生二极管Db导通，而将能量导引至输出电容C。当负电压的冲击电流瞬态负载调整器345的接地端GD或反馈控制端FB打入时，则冲击电流保护电路355的齐纳二极管会因超过崩溃电压而导通，使冲击电流的能量也可被导引至输出电容C。齐纳二极管的崩溃电压可以根据负载350的发光二极管模块发光的阈电压而定，以避免影响负载驱动电路的正常操作。
如上实施例所示，不论负载调整器连接接地电位或输出电源，其与负载连接的连接点均可通过二极管耦接至转换电路的输出电容以提供单向的电荷导通路径；而且本发明可以同时利用金氧半场效晶体管中的寄生二极管来提供另一方面的电荷导通路径。而本发明所使用PN接面二极管与齐纳二极管相较于瞬态电压抑制器，可以更精准的将冲击电流造成的电压箝制在预定的电压上，避免使用瞬态电压抑制器时可能过高的电压减少负载调整器的使用寿命的问题。而且PN接面二极管的反应速度更快于瞬态电压抑制器的反应速度，故可提供更快速的保护作用。另外，在电路成本增加上也低于瞬态电压抑制器的成本增加，不会使整体电路的成本明显提高。
如上所述，本发明完全符合专利三要件：新颖性、创造性和产业上的利用性。本发明在上文中已以较佳实施例揭露，然熟习本项技术者应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以本发明权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路包含：
一转换电路，用以耦接一输入电源并于一输出端提供一驱动电源以驱动一负载，其中所述的转换电路具有一输出电容，耦接于所述的输出端；
一转换控制器，根据所述的负载的一电流或一电压，控制所述的转换电路所提供的所述的驱动电源的大小；
一负载驱动调整器，与所述的负载串联于所述的转换电路的所述的输出端以调控所述的负载的电性状态；以及
一冲击电流保护电路，耦接所述的负载驱动调整器与所述的负载的连接点及所述的输出电容，以提供一单向电荷导通路径至所述的输出电容。
2.如权利要求1所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的负载驱动调整器包含至少一晶体管以调整所述的负载的所述的电流大小。
3.如权利要求1或2所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的负载为一发光二极管模块。
4.如权利要求2所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，每一所述的晶体管有一寄生二极管，所述的寄生二极管的负端耦接所述的负载驱动调整器与所述的负载的所述的连接点。
5.如权利要求2所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的晶体管为一金氧半场效晶体管，每一所述的金氧半场效晶体管具有一第一端、一第二端及一控制端，而所述的第一端与所述的控制端及所述的第二端与所述的控制端间具有静电防护电路。
6.如权利要求1或2所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的冲击电流保护电路具有至少一二极管，每一所述的二极管的正端耦接对应耦接所述的负载驱动调整器与所述的负载的连接点，每一二极管的负端耦接所述的输出电容。
7.如权利要求1或2所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的负载驱动调整器为一线性稳压器，所述的线性稳压器的一第一输入/输出端及一第二输入/输出端的其中之一耦接所述的负载，一反馈控制端接收代表所述的负载的所述的电流的一电流检测信号，所述的线性稳压器根据所述的电流检测信号以稳定流经所述的负载的所述的电流。
8.一种具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路包含：
一转换电路，用以耦接一输入电源并于一输出端提供一驱动电源以驱动一负载，其中所述的转换电路具有一输出电容，耦接于所述的输出端；
一转换控制器，根据代表所述的驱动电源的电压的一电压反馈信号控制所述的转换电路所提供的所述的驱动电源的大小；
一负载驱动调整器，与所述的负载串联于所述的转换电路的所述的输出端以调控所述的负载的电性状态；以及
一冲击电流保护电路，耦接所述的负载驱动调整器与所述的负载的连接点及所述的输出电容，以提供一单向电荷导通路径至所述的输出电容。
9.如权利要求8所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的冲击电流保护电路具有至少一二极管，每一所述的二极管的正端对应耦接所述的负载驱动调整器与所述的负载的连接点，每一所述的二极管的负端耦接所述的输出电容。
10.如权利要求8所述的具有冲击电流保护的负载驱动电路，其特征在于，所述的负载驱动调整器为一线性稳压器，所述的线性稳压器的一第一输入/输出端及一第二输入/输出端的其中之一耦接所述的负载，一反馈控制端接收代表所述的负载的所述的电流的一电流检测信号，所述的线性稳压器根据所述的电流检测信号以稳定流经所述的负载的所述的电流。
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