CN103354685A - 一种led驱动芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED驱动控制领域，更具体地，涉及一种LED驱动芯片。其包括迟滞式脉冲调频控制模块和切换式调光功能模块，切换式调光功能模块包括分别与迟滞式脉冲调频控制模块连接的数字调光模块和模拟调光模块。本发明将迟滞式脉冲调频控制模块和切换式调光功能模块集成在一个芯片上，迟滞式脉冲调频控制模块采用的迟滞式脉冲调频控制模式，有效提高驱动芯片在轻载时的转换效率，一般能提升效率至90%以上。同时由于需要很小的采样电流，因此芯片外部采样电阻并不会消耗过多的能量，同时如果采用体积小的采样电阻，则可大大节省对芯片外部的电路板空间。而且切换式调光功能模块具备模拟调光功能和数字调光功能，使调光功能多元化。

Description

一种LED驱动芯片

技术领域

本发明涉及LED驱动控制领域，更具体地，涉及一种LED驱动芯片。

背景技术

LED照明是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的第三次革命，在国家新型工业化道路上成为实现节能减排、环境问题、低碳经济及新能源问题等方面最直接最有效的措施之一。目前主要应用在汽车电子、室内照明、室外景观照明等领域。LED照明领域最大的竞争集中在功率型LED上，当前功率型LED正在从单芯片1W、3W和5W向大于10W以上的大功率型LED迈进。实验室中大功率白光LED的效率已经超过200lm/W，量产效率也已达到90lm/W左右，这将进一步加速LED照明产品在通用照明领域的应用。

LED照明产品本身具备节能高效绿色的巨大环保优势，当前技术仍然还有很大的发展空间，同时存在着一些产业发展瓶颈。现阶段LED驱动芯片，普遍存在着以下问题：

1、现有的LED驱动芯片不够稳定，使得驱动电源的关键器件寿命过短，直接影响了系统的整体寿命；

2、虽然现有的LED照明芯片具有很高的转换效率，但LED驱动芯片发热量过大，造成能量的大量损耗，从而导致电源转换效率过低；

3、LED驱动芯片调光功能单一，调光精确度较差，同时存在时间延迟的问题；

4、LED驱动电源外围电路复杂，需要较多的元器件，从而造成制造成本过高，严重阻碍了LED照明产品的产业化推广。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种LED驱动芯片，所述LED驱动芯片能够有效提高系统轻载时的转换效率，具备模拟调光和数字调光功能，调光功能多样化。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种LED驱动芯片，包括迟滞式脉冲调频控制模块和切换式调光功能模块，切换式调光功能模块包括分别与迟滞式脉冲调频控制模块连接的数字调光模块和模拟调光模块。

作为一种优选方案，所述迟滞式脉冲调频控制模块包括内部电流比较器、迟滞比较器、脉冲频率调制控制电路和功率驱动模块；

内部电流比较器的一个信号输入端输入芯片外部采样电阻的采样电流，其另一信号输入端输入基准电压信号，其输出端与迟滞比较器的一个信号输入端连接；

迟滞比较器的另一信号输入端与脉冲频率调制控制电路的输出端连接，其输出端与功率驱动模块的输入端连接；

脉冲频率调制控制电路采样电压信号后输出电压反馈信号至迟滞比较器；

功率驱动模块的输出端与开关功率管连接。

作为一种优选方案，所述数字调光模块包括脉宽调制比较器、用于对芯片外部采样电阻进行电流采样的电流采样模块、与电流采样模块输出端连接的电流-电压转换模块；

脉宽调制比较器的第一信号输入端与电流-电压转换模块的输出端连接，其第二信号输入端接基准电压信号，其第三信号输入端接芯片外部调光端，其输出端与迟滞式脉冲调频控制模块连接。

作为一种优选方案，所述模拟调光模块包括用于与芯片外部调光端连接的运算放大器、输入端与运算放大器连接的占空比产生电路，占空比产生电路的输入端还通过脉宽调制比较器输入反馈信号，占空比产生电路的输出端与迟滞式脉冲调频控制模块连接。

作为一种优选方案，还包括欠压保护模块，所述欠压保护模块的一信号输入端接基准电压信号，另一信号输出端接外部电源信号，其输出端与迟滞比较器连接。

作为进一步的优选方案，所述欠压保护模块采用带隙比较器电路，其对外部电源信号进行采样，将采样后的电压与芯片内部基准电压信号进行比较，当高于设定的开启电压时，允许芯片开始工作；当输入电源电压下降时，当低于设定芯片工作下限电压，则关闭芯片。

作为进一步的优选方案，所述基准电压信号通过内部基准电压模块提供，所述内部基准电压模块分别与内部电流比较器的信号输入端、脉宽调制比较器的第二信号输入端以及欠压保护模块的一信号输入端连接。

作为一种优选方案，还包括与迟滞式脉冲调频控制模块连接的过温保护模块。

作为进一步的优选方案，所述过温保护模块包括：第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、三极管Q、可变电阻RS1、电容C、电压比较器、二极管D1；

第一mos管的源极连接电源信号，其漏极分别连接第二mos管和第三mos管的漏极、栅极，其栅极置空；

第二mos管的源极连接第三mos管的源极；

三极管Q的集电极分别连接第一mos管的源极和电源比较器的第一输入端，其基极和发射极分别连接至可变电阻RS1的一端；

可变电阻RS1的另一端分别连接电压比较器的第二输入端、第二mos管的源极以及第四mos管的源极；

电容C与可变电阻RS1并联连接；

第四mos管的漏极连接第三mos管的源极以及过温控制端，其栅极连接工作电压；

电压比较器的输出端连接二极管D1；

二极管D1输出端连接过温控制端输出过温控制信号。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明将迟滞式脉冲调频控制模块和切换式调光功能模块集成在一个芯片上，迟滞式脉冲调频控制模块采用的迟滞式脉冲调频控制模式，其输出电流可透过不同阻值的外接电阻来调整各输出级的电流大小，即其决定驱动芯片开关功率管的导通/断开的频率是根据负载上电流的变化而变化的，当负载电流越大，内部功率管开关频率越小；当负载恒定时，外部储能电感值越大，内部开关频率越小。迟滞式脉冲调频控制模式的最大优势是有效提高驱动芯片在轻载时的转换效率，一般能提升效率至90%以上。同时由于需要很小的采样电流，因此芯片外部采样电阻并不会消耗过多的能量，同时如果采用体积小的采样电阻，则可大大节省对芯片外部的电路板空间。而且切换式调光功能模块具备模拟调光功能和数字调光功能，使调光功能多元化。此LED驱动芯片同时突出具有的可调、稳定且转换效率高的特点，使LED驱动芯片调光功能更全面、系统转换效率更高、系统更稳定，从而简化了LED驱动芯片的设计，使其向更智能、体积更小、功耗更低、成本更便宜的方向发展。

（2）本发明的数字调光模块通过调芯片外部光端与脉宽调制比较器直连，能够消除在调光过程中存在的运放的延迟，提高调光准确度。

（3）本发明的LED驱动芯片在调光功能方面，还可以在内部集成几种亮度调光档，使调光功能更智能而简单。

（4）本发明的LED驱动芯片还集成了欠压保护模块和过温保护模块，增强芯片工作的稳定性，延长芯片的使用寿命。

（5）与传统欠压保护模块相比，本发明的LED驱动芯片内部直接内置内部基准电压模块，该内部基准电压模块为欠压保护模块提高基准电压源，且欠压保护模块直接与迟滞比较器连接，使得本发明无需额外增加基准电压源与比较器，使芯片内部电路结构简单。

附图说明

图1为本发明的LED驱动芯片的整体架构图。

图2为本发明的LED驱动芯片的内部架构图。

图3为本发明中LED驱动芯片的应用方案示意图。

图4为本发明中LED驱动芯片的测试电路原理图。

图5为本发明中数字调光模块的原理图。

图6为本发明中欠压保护模块的原理图。

图7为本发明中过温保护模块的原理图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种LED驱动芯片，包括迟滞式脉冲调频控制模块和切换式调光功能模块，切换式调光功能模块包括分别与迟滞式脉冲调频控制模块连接的数字调光模块和模拟调光模块。

迟滞式脉冲调频控制模块采用的是迟滞式脉冲PFM控制方式，其对开关功率管导通时和断开时都进行采样，PFM（Pulse frequency modulation)调制是利用脉冲的有无进行控制，其脉冲宽度是恒定的。

具体地，如图1所示，迟滞式脉冲调频控制模块包括内部电流比较器、迟滞比较器、脉冲频率调制控制电路和功率驱动模块；

内部电流比较器的一个信号输入端输入芯片外部采样电阻的采样电流，其另一信号输入端输入基准电压信号，其输出端与迟滞比较器的一个信号输入端连接；

迟滞比较器的另一信号输入端与脉冲频率调制控制电路的输出端连接，其输出端与功率驱动模块的输入端连接；

脉冲频率调制控制电路采样电压信号后输出电压反馈信号至迟滞比较器；

功率驱动模块的输出端与开关功率管连接。

迟滞式脉冲调频控制模块的工作原理为：

如图1所示，本发明的LED驱动芯片与外部电路连接，LED驱动芯片、电感L和采样电阻RS组成CCM（Continuous Conduction Mode，电流连续模式）模式的Buck型LED恒流转换器。芯片对芯片外部采样电阻RS上的电流进行采样，反馈到内部电流比较器中，通过与内部基准电压信号进行比较产生迟滞比较器的一个信号，迟滞比较器的另一个信号由脉冲频率调制控制电路产生,通过迟滞比较器产生驱动开关功率管的使能信号，进而控制开关功率管的导通或断开的频率，使电感L电流一直维持在连续导通的状态之下，进而控制电感的充放电实现LED驱动芯片的恒流输出。如，当芯片的电源信号VIN有电压输入时，迟滞比较器输出高电位，开关功率管导通电流通过采样电阻RS，LED灯电感L和功率管流向地端。此时采样电阻RS两端产生电压差V_RS，当V_RS上升到一定值后，迟滞比较器输出低电位，开关功率管断开。电流回路为采样电阻RS，LED灯、电感L和续流二极管D，当V_RS下降到一定值后，开关功率管再次打开。

如图2是LED驱动芯片内部架构图，其中VIN是芯片的电源端口，提供整个芯片的电源。DIM是芯片外部调光端，用于芯片的PWM调光信号输入，控制LED驱动芯片的输出电流，实现LED驱动电源的调光功能。V_OUT是LED电流检测端口，它与VIN之间的电压差既是电流检测电阻两端的电压，用于检测并控制输出的LED电流。SW是芯片内部功率管的漏端，内部开关功率管的开关是根据对输出电流的大小的采样来调整。

如图3是本发明LED驱动芯片的应用方案示意图，图中的RS是用来检测通过LED灯电流的采样电阻，输出电流就是由此电流检测电阻上的电压来决定的。而芯片内部有两个参考电压:V_H和V_L。芯片的基本工作原理是：当电源接通后，如果电阻RS两端电压低于芯片内部参考电压V_H，则芯片内部开关功率管打开，电感L电流也随之增加，电阻RS两端电压也跟着增加。当采样电阻RS两端电压增加到等于V_H时，芯片内部开关功率管关闭，电感L中储存的能量释放，其电流通过二极管D放电，同时电流开始下降，因此采样电阻RS两端电压也随之下降。当电压下降到芯片内部参考电压V_L时，芯片内部开关功率管重新打开开始工作并重复以上的动作。

如图4是芯片测试电路原理图，由图可知，芯片外围部件少，可极大地减少整个LED驱动电源的电路板面积，使芯片外部调光端DIM的处理十分灵活。既可直接悬空，使该LED驱动芯片输出标准电流，也可外面挂载一个单片机，输出PWM调光信号，控制LED驱动芯片的输出电流，实现LED驱动电源的调光功能。

迟滞式脉冲频率调变控制模式决定驱动电路开关功率管的导通/断开的频率是根据负载上电流的变化而变化的。即负载电流越大，内部功率管开关频率越小。当负载恒定时，外部储能电感值越大，内部开关频率越小。迟滞式脉冲频率调变控制模式的最大优势是有效提高驱动芯片在轻载时的转换效率。同时由于需要很小的采样电流，因此芯片外部采样电阻并不会消耗过多的能量，同时如果采用体积小的采样电阻，则可大大节省对芯片外部的电路板空间。

具体地，如图5所示，数字调光模块包括脉宽调制比较器、用于对芯片外部采样电阻进行电流采样的电流采样模块、与电流采样模块输出端连接的电流-电压转换模块；

脉宽调制比较器的第一信号输入端与电流-电压转换模块的输出端连接，其第二信号输入端接基准电压信号VREF，其第三信号输入端接芯片外部调光端DIM，其输出端与迟滞式脉冲调频控制模块连接，进而与功率驱动模块连接。

其工作原理如下：

电流采样模块对芯片外部采样电阻RS上所留过的电流进行采样，并通过电流-电压转换模块，将采样的电流信号转换成采样电压信号，该信号与脉宽调制比较器直接相连。同时芯片外部调光端DIM和芯片内部基准电压信号VREF也直接与脉宽调制比较器相连。芯片外部调光端DIM引脚接收到PWM调光信号和芯片内部基准电压信号VREF通过脉宽调制比较器进行比较，驱动芯片的输出电流与该芯片DIM端输入的PWM信号的占空比成正比关系，产生对芯片内部驱动芯片的使能信号，实现PWM调光功能；脉宽调制比较器的输出端一方面控制芯片内部功率驱动模块，同时将反馈迟滞控制信号与电流-电压转换模块相连。

PWM调光是一种利用简单的数字脉冲信号，通过产生的比较信号控制芯片内部驱动电路，进而反复开关驱动芯片中开关功率管的导通和断开而进行的调光技术。其中LED驱动芯片内部利用一个模拟反相器，并用内部一上拉电阻使其平时输出信号强制为高电位，切换式调光功能模块给出一个高电平的标识信号，使得所述LED芯片内部数字逻辑模块不受调光电路模块的控制；当所述引脚DIM悬空或高于基准电压VREF信号时，脉宽调制比较器的基准电压VREF由基准电压决定，此时通过LED的电流为标准值电流。

具体地，模拟调光模块包括用于与芯片外部调光端连接的运算放大器、输入端与运算放大器连接的占空比产生电路，占空比产生电路的输入端还通过脉宽调制比较器输入反馈信号，占空比产生电路的输出端与迟滞式脉冲调频控制模块连接。当芯片外部调光端DIM接收到模拟调光信号，通过单位增益的运算放大器，产生基准电压，该基准电压信号同反馈信号通过占空比产生电路控制芯片内部驱动电路，进行模拟调光控制。

具体地，为了保证芯片工作的稳定性，本发明还在芯片内集成了欠压保护模块和过温保护模块。具体如下：

欠压保护模块的一信号输入端接基准电压信号，另一信号输出端接外部电源信号，其输出端与迟滞比较器连接。欠压保护模块电路的设计由图6所示,直接采用带隙比较器电路，其对外部电源信号进行采样，将采样后的电压与芯片内部基准电压信号进行比较，当高于设定的开启电压时，允许芯片开始工作；当输入电源电压下降时，当低于设定芯片工作下限电压，则关闭芯片。传统的欠压保护电路需要基准电压源和比较器电路，这样会增加整个驱动电路的复杂度同时增加了芯片内部的功耗，同时影响驱动芯片的响应速度。本发明采用带隙比较器电路作为压保护电路，解决了电路复杂和响应速度慢的问题，不需要提供额外的基准电压源和比较器电路。

如图6所示，VSSA为地端电压，VDDA为工作电压,RH为消磁电阻，采样电压VRES达到一定电压后，三极管Q1、Q2、Q3、Q4开始工作，其中Q3和Q4导通，为Q5提供基极电流并使其导通，同时与M2形成通路，输出为高电位；当采样电压VRES没有达到开启电压时，输出为低电位，此时实现了欠压保护的作用。

其中，流过三极管Q3的电流为：

             I_C=I_Sexp(V_BE/V_T)

通过镜像电流源Q1、Q2的电流，其中N为Q3、Q4发射极的面积：

$I_{C1}=I_{C2}=V_T\frac{\ln N}{R4}$

Q3、Q4基极电压为：

$\mathrm{VRES}=\frac{R2}{R_H+R_1+R_2}*\mathrm{VDDA}=V_{\mathrm{BE}}+2\frac{V_T\ln N}{R_4}*R_3$

推导得：

$\mathrm{VDDA}=(V_{\mathrm{BE}}+2\frac{V_T\ln N}{R_4}*R_3)*\frac{R_H+R_1+R_2}{R2}$

由此式可得驱动电路内部欠压保护的电压阀值。

具体地，过温保护模块与迟滞式脉冲调频控制模块连接。其中过温保护电路利用PN结的电压随温度降低这一特性原理，把这个负温度系数电压转换成一个负温度系数电流，然后利用电阻生成一个负温度系数采样电压，与芯片内部的参考电压比较，当芯片温度没有超出正常温度140℃(典型值)时，对外界采样电压大于驱动芯片内部参考电压,内部电压比较器输出为高电平；而当芯片温度超出设计保护温度时，采样电压小于参考电压，迟滞比较器输出翻转变为低电平。模块电路原理如图7所示：过温保护模块包括第一mos管M1、第二mos管M2、第三mos管M3、第四mos管M4、三极管Q、可变电阻RS1、电容C、电压比较器、二极管D1；

第一mos管M1的源极连接电源信号，其漏极分别连接第二mos管M2和第三mos管M3的漏极、栅极，其栅极置空；

第二mos管M2的源极连接第三mos管M3的源极；

三极管Q的集电极分别连接第一mos管M1的源极和电源比较器的第一输入端，其基极和发射极分别连接至可变电阻RS1的一端；

可变电阻RS1的另一端分别连接电压比较器的第二输入端、第二mos管M2的源极以及第四mos管M4的源极；

电容C与可变电阻RS1并联连接；

第四mos管M4的漏极连接第三mos管M3的源极以及过温控制端VOTP，其栅极连接工作电压；

电压比较器的输出端连接二极管D1；

二极管D1输出端连接过温控制端VOTP。

其中，三极管Q的基极与其射极间之间的电压为：

              V_BE=V_BE0+K_NT

其中，V_BE0为PN结温度为0时的电压，K_N为PN结的温度系数2处的电压为：

                 V_R=I₂R

             I₂=K_N'TS₀

其中，S₀为电流镜像比。根据以上论述可得，V1=V2是过温保护的临界点。因此得：

V_BE0+K_NT=K_N'TS₀R

即过温保护温度临界点为：

$T=\frac{V_{\mathrm{BE}0}}{{K_N}^{\′}{S}_{0}R-K_N}$

当芯片内温度高于T时，芯片停止工作。

芯片停止工作之后，M4开启，此时，芯片的临界温度T′满足：

           V₁=(I₂+I₃)*R

            I₃=K_N'T'S₁

其中S₁为M3的电流镜像比。

芯片开启温度临界点为：

V_BE0+K_NT'=K_N'TR(S₀+S₁)

$T^{\′}=\frac{V_{\mathrm{BE}0}}{{K_N}^{\′}R(S_0+S_1)-K_N}$

当芯片内部温度降到T′，芯片功率管恢复工作。

如图7所示，利用三极管Q的基极和发射极结电压作为温度测量量，当芯片内部温度升高时，PN结电压1处电压越来越小，2处电压越来越大，当V2>V1时，电压比较器发生反转，连接至迟滞比较器的过温控制端VOTP将断开驱动电路，随着驱动电路停止工作，芯片内部温度会降低，由于PN结的特性，1处电压逐渐上升，当V1>V2时，芯片功率管将开始工作。

在前述的方案中，所涉及的基准电压信号通过内部基准电压模块提供，内部基准电压模块分别与内部电流比较器的信号输入端、脉宽调制比较器的第二信号输入端以及欠压保护模块的一信号输入端连接。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种LED驱动芯片，其特征在于，包括迟滞式脉冲调频控制模块和切换式调光功能模块，切换式调光功能模块包括分别与迟滞式脉冲调频控制模块连接的数字调光模块和模拟调光模块。

2.根据权利要求1所述的LED驱动芯片，其特征在于，所述迟滞式脉冲调频控制模块包括内部电流比较器、迟滞比较器、脉冲频率调制控制电路和功率驱动模块；

内部电流比较器的一个信号输入端输入芯片外部采样电阻的采样电流，其另一信号输入端输入基准电压信号，其输出端与迟滞比较器的一个信号输入端连接；

迟滞比较器的另一信号输入端与脉冲频率调制控制电路的输出端连接，其输出端与功率驱动模块的输入端连接；

脉冲频率调制控制电路采样电压信号后输出电压反馈信号至迟滞比较器；

功率驱动模块的输出端与开关功率管连接。

3.根据权利要求1所述的LED驱动芯片，其特征在于，所述数字调光模块包括脉宽调制比较器、用于对芯片外部采样电阻进行电流采样的电流采样模块、与电流采样模块输出端连接的电流-电压转换模块；

脉宽调制比较器的第一信号输入端与电流-电压转换模块的输出端连接，其第二信号输入端接基准电压信号，其第三信号输入端接芯片外部调光端，其输出端与迟滞式脉冲调频控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的LED驱动芯片，其特征在于，所述模拟调光模块包括用于与芯片外部调光端连接的运算放大器、输入端与运算放大器连接的占空比产生电路，占空比产生电路的输入端还通过脉宽调制比较器输入反馈信号，占空比产生电路的输出端与迟滞式脉冲调频控制模块连接。

5.根据权利要求2所述的LED驱动芯片，其特征在于，还包括欠压保护模块，所述欠压保护模块的一信号输入端接基准电压信号，另一信号输出端接外部电源信号，其输出端与迟滞比较器连接。

6.根据权利要求5所述的LED驱动芯片，其特征在于，所述欠压保护模块采用带隙比较器电路，其对外部电源信号进行采样，将采样后的电压与芯片内部基准电压信号进行比较，当高于设定的开启电压时，允许芯片开始工作；当输入电源电压下降时，当低于设定芯片工作下限电压，则关闭芯片。

7.根据权利要求2或3或5或6所述的LED驱动芯片，其特征在于，所述基准电压信号通过内部基准电压模块提供，所述内部基准电压模块分别与内部电流比较器的信号输入端、脉宽调制比较器的第二信号输入端以及欠压保护模的一信号输入端连接。

8.根据权利要求1至6任一项所述的LED驱动芯片，其特征在于，还包括与迟滞式脉冲调频控制模块连接的过温保护模块。

9.根据权利要求8所述的LED驱动芯片，其特征在于，所述过温保护模块包括：第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、三极管Q、可变电阻RS1、电容C、电压比较器、二极管D1；

第一mos管的源极连接电源信号，其漏极分别连接第二mos管和第三mos管的漏极、栅极，其栅极置空；

第二mos管的源极连接第三mos管的源极；

三极管Q的集电极分别连接第一mos管的源极和电源比较器的第一输入端，其基极和发射极分别连接至可变电阻RS1的一端；

可变电阻RS1的另一端分别连接电压比较器的第二输入端、第二mos管的源极以及第四mos管的源极；

电容C与可变电阻RS1并联连接；

第四mos管的漏极连接第三mos管的源极以及过温控制端，其栅极连接工作电压；

电压比较器的输出端连接二极管D1；

二极管D1输出端连接过温控制端。

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