CN103929865B - Apfc恒流控制器集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种APFC恒流控制器集成电路，包括预处理电路、积分放大器以及APFC逻辑控制电路，所述预处理电路接收来自外部DC/DC功率转换级的电流反馈信号；所述DC/DC功率转换级将全波整流后的交流输入电压转换成直流输出电流，提供给恒流源负载；所述积分放大器包括误差放大器、积分电阻以及积分电容，其中，误差放大器，其第一输入端经积分电阻接收由所述预处理电路处理后的电流反馈信号，第二输入端接收一参考信号，其输出端产生经放大的误差信号；积分电容，其一端连接误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接误差放大器的输出端；并且，所述APFC逻辑控制电路与误差放大器的输出端连接，用于对DC/DC功率转换级产生驱动信号，以进行PFC及恒流控制。本发明有效提高了LED照明灯具的防潮湿性能。

Description

APFC恒流控制器集成电路

技术领域

本发明涉及APFC恒流控制器，具体而言，涉及一种用于驱动恒流源负载的APFC恒流控制器集成电路，包含该控制器集成电路的驱动装置，以及包含所述驱动装置的照明灯具。

背景技术

作为新一代的照明光源，发光二极管(LED)逐渐得到广泛应用。目前，用作LED主力驱动电源的开关电源，已经历了两个发展阶段。第一阶段，市场上出现多款专业的LED恒流开关电源控制器，逐渐成熟的驱动集成电路大大促进了LED照明市场的启动和成长。这一阶段是LED照明的初级阶段，基本面对中低端照明市场。随着LED照明灯具往高端照明市场的渗透，对驱动电源提出了更高的要求，比如要求功率因数(PF)大于0.9、总谐波(THD)小于20％，总之LED照明需要更加节能，更加绿色。随后，市场上出现有源功率因数校正APFC(Active Power Factor Correction)LED恒流驱动芯片，一级电路同时实现PFC和恒流控制，从此LED驱动芯片进入第二阶段。

APFC是抑制LED照明灯具谐波电流、提高功率因数的有效方法。图1示出了现有的单级APFC恒流LED驱动电路，该图可概括目前业界流行的单级隔离或非隔离PFC恒流LED驱动电路。如图1所示，交流输入电压经整流桥110全波整流后，再经DC/DC功率转换级130转换成直流输出电流，提供给LED负载。根据电流反馈信号FB，APFC恒流控制器120产生驱动信号DRV，用以控制DC/DC功率转换级130，使其输入电流与输入电压均为全波整流波形且相位相同，由此实现PFC功能；并且，保持平均输出电流稳定，由此实现恒流功能。

图1中，DC/DC功率转换级130包括高压功率开关管、电感或者隔离变压器、储能电容、续流二极管、电流采样电阻等元件。该转换级130可具有多达7个端口，以适用不同的拓扑结构，包括隔离应用和非隔离应用的拓扑、浮地应用和非浮地应用的拓扑。

图2示出了图1中APFC恒流控制器120的电路结构。其中，电流反馈信号FB来自DC/DC功率转换级130，预处理电路121对该信号进行必要的整形、滤波或者加权处理之后，将其送到误差放大器122的负输入端；这一FBPP信号与固定参考电压REF的误差经误差放大器122放大之后，送到电容125；经电容125滤波后的COMP信号再送到APFC逻辑控制电路123，以产生DRV信号，用于调节DC/DC功率转换级130输入输出功率的大小，由此得到稳定的输出。

图2中，电容125用于实现环路频率补偿，稳定负反馈环路。同时，由于输入全波整流波形为100/120Hz的周期信号，为使驱动电路能稳定工作，就要求反馈控制环路的单位增益带宽必须在10Hz以下，从而导致电容125的容值比较大，一般在1uF上下。自有源功率因数校正技术诞生起，至目前最新的单级APFC恒流LED驱动技术出现为止，电容125通常置于集成电路的外部。原因在于，电容125的容值较大，若在集成电路内部实现该电容几乎不可能，成本会相当高；而将该电容置于集成电路外部，则可根据需要改变容值大小，方便应用，并大大简化集成电路内部设计。因此，将频率补偿电容置于集成电路的外部，在微电子工业界是非常广泛的做法。

但是，随着LED照明的快速普及，灯具开始工作在潮湿、多尘的环境下，比如露天、澡堂、家庭的厨房和卫生间等环境。这样，暴露在外的电容125可能导致LED亮度偏低、或者偏高，甚至出现灯不能启动、或者电流过大烧灯的情况。这是由于潮湿导致的漏电，例如，电容125所连接的节点COMP就对漏电非常敏感。在正常情况下，当驱动电路进入稳定的工作后，电容125两端的电压会稳定在某一个值，误差放大器122的输出电流等于零，其正负输入端电压相等，即，V(REF)＝V(FBPP)，这是保证输出电流恒定的关键。然而，在节点COMP出现漏电的情况下，如漏电流出节点COMP，则相当于在电容125旁并联一电阻126(参照图3)；漏电越严重，相当于并联一阻值越小的电阻126。由于电阻126的存在，误差放大器122的输出电流不再等于零，而是等于V(COMP)/R126。为输出该电流，误差放大器122的正负输入端电压不再相等，而存在一差值：

Δ(V)＝V(REF)-V(FBPP)＝V(COMP)/(R₁₂₆*Gm) (1)

其中，Gm是误差放大器122的跨导。从公式(1)可以看出，如漏电漏出越严重，等效电阻R₁₂₆越小，Δ(V)就越大；由于V(REF)为固定的参考电压，所以V(FBPP)会变得越小，也就是FB会变得越小，最终致使输出电流变小，LED灯亮度降低。在漏电更严重时，漏电流甚至会超过误差放大器的最大输出电流(通常只有10uA到50uA)，以致LED灯无法正常启动，或者完全不亮。

目前，在LED照明工业界，基本采用表面贴装技术SMT，电容125大多采用0805封装尺寸。在PCB上，0805封装的电容125两极的焊盘距离只有0.9mm。这么小的距离，在潮湿的环境下，出现几十uA的漏电流是完全可能的。

更严重的情形是，如漏电流入节点COMP，则导致与漏电漏出相反的结果，LED亮度变大，乃至出现烧灯的现象。若存在PCB布线缺陷，使节点COMP太靠近比其电压高的附近PCB连线，则很有可能出现上述情形。

由上述分析可知，在潮湿、多尘的环境下，现有的有源功率因数校正(APFC)技术无法保证LED灯具安全正常地工作。

发明内容

针对现有APFC方案的上述缺陷，本发明的目的在于，在制造成本基本不增加的情况下，解决LED照明灯具的防潮湿问题。

本发明的基本思想是，从全面考察现有APFC方案中各个部分对漏电的敏感度入手，找出对潮湿敏感的节点，再相应设计解决方案。为此，需要对图1驱动电路中的全部关键节点进行逐一审视：

1.整流桥110之前连接的是交流电网的火线和零线，这两根线完全可以承受一个毫安以下的漏电，而不会有任何安全问题，这样的节点称为强势节点；

2.整流桥110之后的两个节点HVP和HVN，与上述火线零线一样，也是低阻抗(100欧姆以下)、大电流(100mA以上)的强势节点，一个毫安以下的漏电不会导致任何问题；

3.连接LED负载140的两个节点OUTP和OUTN，也是低阻抗(100欧姆以下)、大电流(100mA以上)的强势节点。它们虽不如以上四个节点强势，但毫安以下的漏电不会导致明显问题；

4.节点DRV，从APFC恒流控制器120输出连接到DC/DC功率转换级130。DRV节点通常是快速的PWM脉冲信号，也属于低阻抗(100欧姆以下)、大电流(100mA以上)的强势节点，不受毫安以下漏电电流的影响；

5.FB节点，从DC/DC功率转换级130反馈到APFC恒流控制器120的连接点。绝大部分情况下，该节点也是低阻抗(100欧姆以下)、大电流(100mA以上)的强势节点，毫安以下的漏电电流不会造成明显影响；

6.GNDIC节点，属于APFC恒流控制器120的参考地节点，同样为低阻抗(100欧姆以下)、大电流(100mA以上)的强势节点，不受毫安以下漏电电流的影响。

上述1-6中的节点均对潮湿不敏感。

最后，电容125连接的节点COMP，属于高阻抗(5兆欧姆以上)、小电流(100uA以下)的弱势节点。该节点容易受到漏电电流的影响。

基于以上分析可知，在图1的驱动电路中，唯一对潮湿敏感的部分，就是电容125连接的节点COMP。

解决方案随之变得清晰。考虑到集成电路的防潮湿性能极佳，只要能够将电容125置于APFC恒流控制器120的内部，将节点COMP藏在集成电路中，就可以较好地解决防潮问题。

根据本发明的第一方面，提供一种APFC恒流控制器集成电路，包括预处理电路、积分放大器以及APFC逻辑控制电路，所述预处理电路接收来自外部DC/DC功率转换级的电流反馈信号；所述DC/DC功率转换级将全波整流后的交流输入电压转换成直流输出电流，提供给恒流源负载；所述积分放大器包括误差放大器、积分电阻以及积分电容，其中，误差放大器，其第一输入端经积分电阻接收由所述预处理电路处理后的电流反馈信号，第二输入端接收一参考信号，其输出端产生经放大的误差信号；积分电容，其一端连接误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接误差放大器的输出端；并且，所述APFC逻辑控制电路与误差放大器的输出端连接，用于对DC/DC功率转换级产生驱动信号，以进行PFC及恒流控制。

在第一方面中，优选的是，所述积分电阻的阻值大于10兆欧姆，所述积分电容的容值小于10纳法；并且所述阻值与所述容值的乘积大于0.1。

优选的是，所述积分电阻采用多晶硅电阻。

优选的是，所述积分电容采用PMOS管的栅电容。

优选的是，所述误差放大器采用MOS管作为输入级。

根据第二方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，包括APFC恒流控制器集成电路和DC/DC功率转换级，所述DC/DC功率转换级将全波整流后的交流输入电压转换成直流输出电流，提供给所述恒流源负载；所述控制器集成电路包括预处理电路、积分放大器以及APFC逻辑控制电路，其中，所述预处理电路接收来自DC/DC功率转换级的电流反馈信号，所述积分放大器包括误差放大器、积分电阻以及积分电容；其中，误差放大器，其第一输入端经积分电阻接收由所述预处理电路处理后的电流反馈信号，第二输入端接收一参考信号，其输出端产生经放大的误差信号；积分电容，其一端连接误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接误差放大器的输出端，并且，所述APFC逻辑控制电路与误差放大器的输出端连接，用于对所述DC/DC功率转换级产生驱动信号，以进行PFC及恒流控制。

在第二方面中，优选的是，所述积分电阻的阻值大于10兆欧姆，所述积分电容的容值小于10纳法；并且所述阻值与所述容值的乘积大于0.1。

优选的是，所述积分电阻采用多晶硅电阻。

优选的是，所述积分电容采用PMOS管的栅电容。

优选的是，所述误差放大器采用MOS管作为输入级。

根据第三方面，提供一种照明灯具，其特征在于，包括上述第二方面中所述的装置以及LED负载。

附图说明

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中：

图1示出了现有的单级APFC恒流LED驱动电路；

图2示出了图1中APFC恒流控制器120的电路结构；

图3示出了在图2中节点COMP出现漏电情况下的电路工作原理；

图4示出了本发明一实施例的APFC恒流控制器集成电路的结构；

图5示出了本发明另一实施例的APFC恒流控制器集成电路的结构；

图6示出了应用本发明APFC恒流控制器集成电路的驱动电路；

图7示出了APFC逻辑控制电路的构成。

具体实施方式

如前文所述，为了保证驱动电路能够稳定工作，APFC技术要求反馈控制环路的单位增益带宽须在10Hz以下，这就使得频率补偿电容的容值较大，一般在1uF上下。本领域技术人员了解，直接将1uF电容集成到芯片内部是不现实的。依据现代微电子半导体工艺水平，仅1uF电容就需要100mm²以上的硅片面积，这相当于当代最先进计算机CPU的硅片面积。由于代价太大，因此不可能这么实现。

参照图4，图4示出了本发明一实施例的APFC恒流控制器集成电路的结构。该实施例中，预处理电路121、APFC逻辑控制电路123仍保持图2中相应电路的结构与功能。与图2所示现有控制器不同的是，在APFC恒流控制器220的集成电路内部，将一电阻226、一电容227与误差放大器222组成积分放大器，来实现单位增益带宽在10Hz以下的频率补偿要求。其中，误差放大器222的负输入端经积分电阻226接收由预处理电路121处理后的电流反馈信号FBPP，其正输入端接收一参考信号REF，其输出端产生经放大的误差信号；积分电容227的一端连接误差放大器222负输入端与积分电阻226之间的节点INT，另一端连接误差放大器222的输出端。

这里，误差放大器222优选采用MOS工艺设计制造的跨导误差放大器。积分电阻226的阻值需要很大，例如，可选择大于10兆欧姆(Mohm)。而积分电容227的容值需要很小，例如小于10纳法(nF)。

由上述三个元件组成的积分放大器实现了两个功能，一是实现电流反馈信号FBPP与参考电压REF的误差放大作用，使得FBPP在一个周期内的积分平均值等于参考电压REF，如公式2，其中T表示一个信号周期，比如10毫秒(表示100Hz的全波整流信号频率)。这样，保证输出电流在一个周期内的平均值不变，实现了稳定的输出。

$V\left(\mathrm{REF}\right)=\mathrm{AVG}\left[V\left(\mathrm{FBPP}\right)\right]=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}V\left(\mathrm{FBPP}\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

二是压低反馈环路的单位增益带宽，保证反馈环路能稳定工作。如前文所提及，所述单位增益带宽需要比输入信号的频率小10倍以上，也就是说，对于100Hz的全波整流信号频率，有源功率因数校正(APFC)的负反馈环路增益带宽必须小于10Hz。即，要求积分时间常数τ(受积分电阻226、积分电容227影响)大于0.1秒，它们之间的关系如公式3所示。例如，在C₂₂₇取值1nF的情况下，R₂₂₆的最小阻值就是100兆欧姆。

τ＝R₂₂₆C₂₂₇＞0.1 (3)

就上例而言，以现代微电子半导体工艺，制造100兆欧姆的电阻没有问题，面积也不会太大。并且，1纳法电容所需要的硅片面积也不会大于0.5mm²，因此，该方案完全可行。

为了更好地控制成本，一方面，可在半导体制造工艺提供的电阻类型中，优先选择具有最大方块电阻值的电阻类型，来制造积分电阻226。另一方面，也可在半导体制造工艺提供的电容类型中，优先选择具有最大单位面积电容值的电容类型，来制造积分电容227。只要选择好电阻、电容类型，再根据公式3确定最佳的电阻阻值和电容容值，就能够很好地控制成本。

根据现代半导体MOS工艺，有两种电阻适合用做积分电阻226，一种是多晶硅电阻，一种是N井(N-WELL)电阻，这两种电阻的方块阻值都可以达到1kohm/□以上。

现代半导体MOS工艺所能提供的最大电容密度的电容是，PMOS管或者NMOS管的栅电容。其他电容的电容密度要小一个数量级。因此，PMOS管或者NMOS管的栅电容较适合做积分电容227。考虑到工艺中NMOS管的源极和漏极都直接做在晶圆的P型衬底上，一般来说，PMOS管是适合做积分电容227的最佳选择。

进一步，需要指出的是，积分电阻226和积分电容227的工作电流非常小，不超过10nA，如此小的工作电流，能够容忍的漏电流不允许超过10pA，而现代微电子半导体PN结工艺的漏电流也就在这个数量级范围内。所以，这既是对芯片设计，又是对半导体工艺制造的挑战。

如图4所示，节点FBPP、INT和COMP与积分电阻226、积分电容227相连接。其中，节点FBPP和节点COMP的工作电流都大于20uA，对现代半导体MOS工艺来讲，这就算是强势的节点，几十nA的漏电流不会导致任何问题。但是，节点INT属于弱势节点，难以承受10pA以上的漏电流。

为保证节点INT的漏电远小于10pA，本发明对图4所示控制器集成电路做了进一步改进，改进后的集成电路如图5所示。其中，积分电阻226采用多晶硅电阻，而不采用N井(N-WELL)电阻，因为N井与CMOS工艺的P型衬底构成PN结。用做积分电容227的PMOS管的栅极接到节点INT，而不是其源极和漏极接到节点INT。此外，跨导误差放大器222采用MOS管作为输入级，而不用Bipolar输入级。这样，使得节点INT不与任何PN结相连，以最大程度地减少节点INT的漏电。

可以看出，相对于现有的APFC方案，本发明除了有效提升LED照明灯具的防潮湿性能之外，还在芯片集成度、外围应用简化及抗噪声能力方面均有所增强，对于LED照明的广泛普及具有重要的意义。

参照图6，图6示出了应用本发明APFC恒流控制器集成电路的驱动电路。作为示例，这是最简单的单级非隔离APFC恒流LED驱动电路。其中，例如，APFC恒流控制器220中的预处理电路121，其内部可最大程度地简化为一根导线，当然，预处理电路121也可采用较复杂的其他形式拓扑结构。又如，DC/DC功率转换级230可采用非隔离浮地拓扑结构，内部含有最基本的功率元件，如高压功率管231、电流采样电阻232、续流二极管233、电感234、储能电容235。本领域技术人员了解，DC/DC功率转换级230还可采用其他形式，例如隔离功率转换级。

恒流控制器220中的APFC逻辑控制电路123，其示例构成如图7所示。该电路采用固定开关导通时间的工作原理，这也是目前APFC电路广泛采用的工作原理。PWM比较器132的正输入端接收误差放大器222的输出信号COMP，负输入端连接锯齿波发生器131的输出端。由于信号COMP为非常缓慢的直流信号，所以，PWM比较器132输出信号的占空比几乎不变，称做固定ON时间。该开关导通脉冲经驱动器133输出至外部高压功率管231的栅极。

在前文的描述中，虽然本发明是以驱动LED负载为例，但是，本领域技术人员易于理解的是，本发明可用于驱动任何一种恒流源负载。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种APFC恒流控制器集成电路，包括预处理电路、积分放大器以及APFC逻辑控制电路，所述预处理电路接收来自外部DC/DC功率转换级的电流反馈信号，并对所述电流反馈信号进行整形、滤波或者加权处理；所述DC/DC功率转换级将全波整流后的交流输入电压转换成直流输出电流，提供给恒流源负载；所述积分放大器包括误差放大器、积分电阻以及积分电容，其中，

误差放大器，其第一输入端经积分电阻接收由所述预处理电路处理后的电流反馈信号，第二输入端接收一参考信号，其输出端产生经放大的误差信号，

积分电容，其一端连接误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接误差放大器的输出端，

所述积分电阻采用多晶硅电阻，所述积分电容采用PMOS管的栅电容，所述误差放大器采用MOS管作为输入级；

并且，所述APFC逻辑控制电路与误差放大器的输出端连接，用于对DC/DC功率转换级产生驱动信号，以进行PFC及恒流控制。

2.如权利要求1所述的控制器集成电路，其特征在于，所述积分电阻的阻值大于10兆欧姆，所述积分电容的容值小于10纳法；并且所述阻值与所述容值的乘积大于0.1。

3.一种驱动恒流源负载的装置，包括APFC恒流控制器集成电路和DC/DC功率转换级，所述DC/DC功率转换级将全波整流后的交流输入电压转换成直流输出电流，提供给所述恒流源负载；所述控制器集成电路包括预处理电路、积分放大器以及APFC逻辑控制电路，其中，所述预处理电路接收来自DC/DC功率转换级的电流反馈信号，并对所述电流反馈信号进行整形、滤波或者加权处理；所述积分放大器包括误差放大器、积分电阻以及积分电容，

误差放大器，其第一输入端经积分电阻接收由所述预处理电路处理后的电流反馈信号，第二输入端接收一参考信号，其输出端产生经放大的误差信号，

积分电容，其一端连接误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接误差放大器的输出端，

所述积分电阻采用多晶硅电阻，所述积分电容采用PMOS管的栅电容，所述误差放大器采用MOS管作为输入级；

并且，所述APFC逻辑控制电路与误差放大器的输出端连接，用于对所述DC/DC功率转换级产生驱动信号，以进行PFC及恒流控制。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述积分电阻的阻值大于10兆欧姆，所述积分电容的容值小于10纳法；并且所述阻值与所述容值的乘积大于0.1。

5.一种照明灯具，其特征在于，包括权利要求3或4所述的装置以及LED负载。