CN104166107A - 退磁检测控制模块以及退磁检测系统 - Google Patents

Abstract

一种退磁检测系统，包括退磁检测控制模块；退磁检测控制模块通过峰值电流控制单元的输入端耦接在功率开关管的源极与峰值电流采样单元之间，通过驱动单元的输出端连接功率开关管的栅极；当峰值电流采样单元上的电压到达一基准电压时，通过峰值电流控制单元、开关信号产生单元以及驱动单元关断功率开关管；当功率开关管关断持续一预设时间后，通过逻辑电路以及驱动单元控制功率开关管的栅极对地变为高阻态，并利用功率开关管的寄生电容来检测退磁信号；在功率开关管的栅极电压小于参考电压源时，通过比较器输出退磁检测信号。本发明通过功率开关管寄生的漏栅电容耦合功率开关管的漏极电压来实现退磁检测，退磁检测方式的成本低，外围电路简单。

Description

退磁检测控制模块以及退磁检测系统

技术领域

本发明涉及开关电源中的退磁检测技术领域，尤其涉及一种用在无辅助绕组的栅极驱动LED电源方案中的退磁检测控制模块以及退磁检测系统。

背景技术

LED驱动电源的功能是提供LED灯恒定的输出电流，在临界连续或者断续模式控制的开关电源中，探测电流的退磁点至关重要。现有的退磁点检测方式是增加一路辅助绕组（电感绕组或变压器绕组），通过磁耦合的方式来探测退磁点；当主功率电感中的电流减小到零时，辅助绕组两端的电压变为零，现有的退磁检测通过检测电压的变化来实现退磁检测的功能。

图1是现有的LED驱动电源退磁检测的实现电路图。如图1所示，输入电源S连接到四个二极管（D1-D4）组成的整流桥的两个输入端；输出电容Cout与负载电阻Rload并联后，耦接在整流桥的输出端以及主功率电感Lm之间；输入电容Cin耦接在整流桥的两个输出端上；整流二极管D1一端耦接在输入电容Cin与整流桥的一输出端之间，另一端耦接在主功率电感Lm与功率开关管110的漏极之间；功率开关管110源极通过峰值电流采样电阻Rcs接地。新增的辅助绕组Ls一端耦接在输入电容Cin与整流桥的一输出端之间，并接地，电阻Rd与Ru为辅助绕组Ls的分压电阻，电阻Rd与Ru的公共端接入控制芯片100内部的比较器102的一输入端，比较器102的另一输入端输入为0V电压。当Lm中的电流到达一定值时，Rcs上的电压超过内部基准电压，控制芯片100通过内部的峰值电流控制单元101、开关信号产生单元104和驱动单元105来关断功率开关管110；当Lm中电流变为零时，Rd与Ru的公共端电压降为零，比较器102输出退磁检测信号ZXC至逻辑电路103，控制芯片100通过开关信号产生单元104和驱动单元105打开功率开关管110，从而实现LED驱动电源的退磁检测。

现有的退磁检测电路为了检测过压点，需要增加一个辅助绕组、两个分压电阻，而且控制芯片也要多一个检测脚位，增加了整个LED驱动电源的体积和成本，不适合目前市场LED小体积、低成本的发展趋势。       

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中退磁检测电路存在的问题，提供一种退磁检测控制模块以及退磁检测系统，通过功率开关管寄生的漏栅电容耦合功率开关管的漏极电压来实现退磁检测，克服了传统退磁检测方式的成本高，外围电路复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种退磁检测控制模块，包括：一峰值电流控制单元、一比较器、一逻辑电路、一开关信号产生单元以及一驱动单元；所述峰值电流控制单元的输入端为所述退磁检测控制模块的输入端，耦接在LED开关电源的功率开关管的源极与一外部峰值电流采样单元之间，所述峰值电流控制单元的输出端电学连接至所述开关信号产生单元，所述峰值电流控制单元用于在当所述峰值电流采样单元上的电压到达一基准电压时，关断所述功率开关管；所述比较器的第一输入端电学连接至所述功率开关管的栅极，所述比较器的第二输入端电学连接一参考电压源，所述比较器的输出端电学连接所述逻辑电路，所述比较器用于在所述功率开关管的栅极电压小于所述参考电压源的电压时输出退磁检测信号；所述逻辑电路与所述开关信号产生单元构成回路；所述驱动单元的输入端分别电学连接所述开关信号产生单元以及所述逻辑电路，所述驱动单元的输出端作为所述退磁检测控制模块的输出端电学连接至所述功率开关管的栅极，所述退磁检测信号通过所述逻辑电路、开关信号产生单元以及驱动单元控制所述功率开关管的导通时刻；其中，当所述功率开关管关断持续一预设时间后，通过所述逻辑电路以及驱动单元控制所述功率开关管的栅极对地变为高阻态，并利用所述功率开关管的寄生电容来检测退磁信号。

为实现上述目的，本发明还提供了一种退磁检测系统，包括一主功率电感、一整流单元、一功率开关管以及一峰值电流采样单元，所述功率开关管的漏极分别电学连接所述主功率电感以及所述整流单元，所述功率开关管的源极电学连接所述峰值电流采样单元，所述退磁检测系统进一步包括上述退磁检测控制模块；所述退磁检测控制模块通过所述峰值电流控制单元的输入端耦接在所述功率开关管的源极与所述峰值电流采样单元之间，通过所述驱动单元的输出端电学连接至所述功率开关管的栅极；其中，当所述峰值电流采样单元上的电压到达一基准电压时，所述退磁检测控制模块通过所述峰值电流控制单元、开关信号产生单元以及驱动单元关断所述功率开关管；当所述功率开关管关断持续一预设时间后，所述退磁检测控制模块通过所述逻辑电路以及驱动单元控制所述功率开关管的栅极对地变为高阻态，并利用所述功率开关管的寄生电容来检测退磁信号；在所述功率开关管的栅极电压小于所述参考电压源时，所述退磁检测控制模块通过所述比较器输出退磁检测信号，所述退磁检测信号通过所述逻辑电路、开关信号产生单元以及驱动单元控制所述功率开关管的导通时刻。

本发明的优点在于：通过功率开关管寄生的漏栅电容耦合功率开关管的漏极电压来实现退磁检测，无需增加辅助绕组以及检测脚位，退磁检测方式的成本低，外围电路简单。

附图说明

图1，现有的LED驱动电源退磁检测的实现电路图；

图2，本发明所述的退磁检测系统一实施方式的示意图；

图3，本发明所述驱动单元的工作原理示意图；

图4，本发明所述驱动单元以及钳位电路的一实施例所述实现电路图；

图5，本发明所述逻辑电路的一实施例所述实现电路图；

图6，本发明所述的退磁检测系统的电路关键点的工作波形图。

具体实施方式

本发明通过分析现有的LED驱动电源退磁检测的实现电路发现，在栅极驱动的场合中，当主功率电感中的电流减小到零时，功率开关管的漏极电压会迅速下降。基于上述原理，本发明通过功率开关管寄生的漏栅电容耦合功率开关管的漏极电压来实现退磁检测。下面结合附图对本发明提供的退磁检测控制模块以及退磁检测系统做详细说明。

参考图2，本发明所述的退磁检测系统一实施方式的示意图，其为LED开关电源中常用的栅极驱动的降压型Buck拓扑。所述退磁检测系统包括：一主功率电感Lm、一整流单元、一功率开关管210、一峰值电流采样单元以及一退磁检测控制模块200。

在本实施方式中，所述整流单元采用整流二极管D1，在其它实施方式中，所述整流单元也可采用其它整流方式以实现单向导通。在本实施方式中，所述峰值电流采样单元采用峰值电流采样电阻Rcs以获取功率开关管的源端电压；在其它实施方式中，所述峰值电流采样单元也可采用其它电压采样方式对功率开关管的源端电压进行采样。

主功率电感Lm一端通过并联输出电容Cout与负载电阻Rload耦接在四个二极管（D1-D4）组成的整流桥的一输出端；主功率电感Lm另一端通过串接的整流二极管D1以及输入电容Cin耦接在整流桥的另一输出端。输入电源S连接到整流桥的两个输入端。功率开关管210的漏极分别电学连接主功率电感Lm的一端以及整流二极管D1的阳极，所述功率开关管210的源极通过峰值电流采样电阻Rcs接地。

所述退磁检测控制模块200包括：一峰值电流控制单元201、一比较器202、一逻辑电路203、一开关信号产生单元204以及一驱动单元205；其中，所述退磁检测控制模块200上的各组件可以集成在一块控制芯片上实现。

所述峰值电流控制单元201的输入端为所述退磁检测控制模块200的输入端，耦接在LED开关电源的功率开关管210的源极与峰值电流采样单元Rcs之间，所述峰值电流控制单元201的输出端电学连接至所述开关信号产生单元204。所述峰值电流控制单元201用于在当所述峰值电流采样单元Rcs上的电压到达一基准电压时，关断所述功率开关管210。所述基准电压可以为控制芯片内部基准电压。

所述比较器202的第一输入端电学连接至所述功率开关管210的栅极，所述比较器202的第二输入端电学连接一参考电压源Vb，所述比较器202的输出端电学连接所述逻辑电路203，所述比较器202用于在所述功率开关管210的栅极电压小于所述参考电压源Vb的电压时输出退磁检测信号ZXC至所述逻辑电路203。

所述逻辑电路203与所述开关信号产生单元204构成回路，从而通过所述逻辑电路203将所述比较器202输出的退磁检测信号ZXC传送至所述开关信号产生单元204，并接收所述开关信号产生单元204输出的开关管控制信号Gate_ON。所述逻辑电路203同时电学连接所述驱动单元205，以根据所述开关信号产生单元204输出的开关管控制信号Gate_ON以及所述比较器202的输出的退磁检测信号ZXC生成控制信号ON_HR输出至所述驱动单元205，以控制功率开关管210栅极高阻态。

所述驱动单元205的输入端分别电学连接所述开关信号产生单元204以及逻辑电路203，所述驱动单元205的输出端作为所述退磁检测控制模块200的输出端电学连接至所述功率开关管210的栅极。所述退磁检测信号ZXC通过所述逻辑电路203、开关信号产生单元204以及驱动单元205控制所述功率开关管210的导通时刻。其中，当所述功率开关管210关断持续一预设时间Tb后，通过所述逻辑电路203以及驱动单元205控制所述功率开关管210的栅极对地变为高阻态，并利用所述功率开关管210的寄生电容来检测退磁信号。

参考图3，本发明所述驱动单元的工作原理示意图。其中，开关S2串接低阻抗电阻R1，开关S3串接高阻抗电阻R2。在Gate_ON信号为‘1’时，开关S1导通，开关S2、S3关断，功率开关管210的栅极接高电位，功率开关管210导通；当Gate_ON信号为‘0’时，开关S1关断，开关S2、S3导通，功率开关管210关断；Gate_ON信号变为‘0’延时一段时间（记为Tb）后，开关S2关断，此时只有开关S3处于导通状态，由于电阻R2为高阻抗，故功率开关管210的栅极为高阻态，为退磁检测状态。

结合参考图2、图3，本实施方式所述的退磁检测系统的工作原理具体为：当所述功率开关管210导通时，所述主功率电感Lm的电流开始随时间线性上升，功率开关管210的漏极电流随时间线性上升，故峰值电流采样电阻Rcs上的电压也随时间线性上升。当峰值电流采样电阻Rcs上的电压到达芯片内部基准电压时，所述退磁检测控制模块200通过所述峰值电流控制单元201、开关信号产生单元204和驱动单元205关断功率开关管210；此时所述整流二极管D1导通，主功率电感Lm的电流开始随时间线性下降；此时功率开关管210的栅极对地为低电阻，强接地。当持续一段时间（记为Tb）后，退磁检测控制模块200通过逻辑电路203，驱动单元205的作用使功率开关管210的栅极对地变为高阻态，弱接地，为退磁检测状态。当主功率电感Lm的电流继续降低，并降为零时，功率开关管210的漏极电压开始下降；因其栅极阻态为高阻态，通过功率开关管210的漏极和栅级之间寄生电容Cgd的耦合，其栅极电压开始随漏极电压下降而下降。当功率开关管210的栅极电压下降到参考电压源Vb的电压，比较器202输出退磁信号ZXC，此时功率开关管210的栅极对地变为低阻态；退磁信号ZXC通过逻辑电路203、开关信号产生单元204和驱动单元205，控制所述功率开关管210的导通时刻。图2中的Gate_ON信号为‘1’时，代表功率开关管210导通，Gate_ON信号为‘0’时，代表功率开关管210关断。

继续参考图2，作为优选的实施方式，本发明所述退磁检测控制模块200进一步包括一钳位电路206，所述钳位电路206的输入端电学连接至所述开关信号产生单元204，所述钳位电路206的输出端电学连接至所述功率开关管210的栅极，所述钳位电路206用于防止所述功率开关管210关断且栅极对地为高阻态时的误导通。

参考图4，本发明所述驱动单元以及钳位电路的一实施例所述实现电路图。在本实施例中，所述驱动单元205进一步包括：一或非门42、一第一NMOS管MN1、一电平位移电路44以及一PMOS管MP1。所述或非门42的两输入端分别通过一反相器（如图4所示41、43）电学连接至所述开关信号产生单元204以及所述逻辑电路203，所述或非门42的输出端通过一反相器45电学连接至所述第一NMOS管MN1的栅极。所述第一NMOS管MN1的源极接地，漏极电学连接至所述功率开关管210的栅极。所述电平位移电路44的输入端分别电学连接至所述开关信号产生单元204以及电源电压端（如图4所示VDD、VCC），所述电平位移电路44的输出端通过一反相器47电学连接至所述PMOS管MP1的栅极；电平位移电路作用是把低电压的逻辑信号转换为高电压的逻辑信号。所述PMOS管MP1的源极电学连接至电源电压端（如图4所示VCC），所述PMOS管MP1的漏极至所述功率开关管210的栅极。在本实施例中，所述钳位电路206进一步包括一第二NMOS管MN2，所述第二NMOS管MN2的栅极为所述钳位电路206的输入端，所述第二NMOS管MN2的漏极为所述钳位电路206的输出端；所述第二NMOS管MN2的源极通过一钳位二极管D2接地，所述第二NMOS管MN2的栅极通过反相器43电学连接至所述开关信号产生单元204，所述第二NMOS管MN2的漏极电学连接至所述功率开关管210的栅极。

以下结合图4 给出所述驱动单元以及钳位电路的实现方式，其中Gate_ON信号为开关信号产生单元204输出的开关管控制信号，DRAIN信号表示功率开关管210的漏极电压，GATE信号表示功率开关管210的栅极电压，ON_HR为逻辑电路203输出的功率开关管210栅极高阻态控制信号。当Gate_ON为‘0’时，所述钳位电路206的第二NMOS管MN2导通。当ON_HR为‘1’或者Gate_ON为‘1’时，所述驱动单元205的第一NMOS管MN1关断。当Gate_ON为‘0’时，所述驱动单元205的PMOS管MP1关断；此时，如果ON_HR也为‘0’，则第一NMOS管MN1导通，功率开关管210的栅极（GATE端）对地为低阻态，也即功率开关管210为强关断状态；如果ON_HR为‘1’，则第一NMOS管MN1关断，此时只有第二NMOS管MN2导通，功率开关管210为弱关断状态。

参考图5，本发明所述逻辑电路的一实施例所述实现电路图。在本实施例中，所述逻辑电路203进一步包括：一下降沿延时单元51、一RS触发器、一或非门52。所述下降沿延时单元51的输入端电学连接至所述开关信号产生单元204，输出端电学连接至所述或非门52的一输入端。所述RS触发器的一输入端电学连接至所述开关信号产生单元204，所述RS触发器的另一输入端电学连接至所述比较器202的输出端，所述RS触发器的输出端接所述或非门52的另一输入端；其中，所述RS触发器由两个或非门53、54组成。所述或非门52的输出端电学连接至所述驱动单元205。其中，所示逻辑电路203的输入信号为开关信号产生单元204输出的开关管控制信号Gate_ON、所述比较器202的输出的退磁检测信号ZXC，输出信号为功率开关管210栅极高阻态控制信号ON_HR。

参考图6，本发明所述的退磁检测系统的电路关键点的工作波形图，其中，Gate_ON信号为开关信号产生单元204输出的开关管控制信号，DRAIN信号表示功率开关管210的漏极电压，GATE信号表示功率开关管210的栅极电压，ON_HR为逻辑电路203输出的功率开关管210栅极高阻态控制信号，ZXC信号为比较器202输出的退磁检测信号。当Gate_ON信号为‘1’时，功率开关管210导通，DRAIN信号为低电平；当Gate_ON信号为‘0’时，功率开关管210关断，DRAIN信号变为高电平；经过一段时间Tb延时之后，功率开关管210从强关断状态变为弱关断状态，进入退磁检测状态。退磁结束之后，功率开关管210漏极电压开始下降，功率开关管210的栅极GATE信号通过电压耦合漏极DRAIN信号；当GATE信号低于一定电平Vb时，比较器202输出ZXC信号，功率开关管210从弱关断状态变为强关断状态。也即，本发明通过功率开关管210寄生的漏栅电容耦合功率开关管210的漏极电压来实现退磁检测，无需增加辅助绕组，退磁检测方式的成本低，外围电路简单。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种退磁检测控制模块，其特征在于，包括：一峰值电流控制单元、一比较器、一逻辑电路、一开关信号产生单元以及一驱动单元； 

所述峰值电流控制单元的输入端为所述退磁检测控制模块的输入端，耦接在LED开关电源的功率开关管的源极与一外部峰值电流采样单元之间，所述峰值电流控制单元的输出端电学连接至所述开关信号产生单元，所述峰值电流控制单元用于在当所述峰值电流采样单元上的电压到达一基准电压时，关断所述功率开关管； 

所述比较器的第一输入端电学连接至所述功率开关管的栅极，所述比较器的第二输入端电学连接一参考电压源，所述比较器的输出端电学连接所述逻辑电路，所述比较器用于在所述功率开关管的栅极电压小于所述参考电压源的电压时输出退磁检测信号； 

所述逻辑电路与所述开关信号产生单元构成回路； 

所述驱动单元的输入端分别电学连接所述开关信号产生单元以及所述逻辑电路，所述驱动单元的输出端作为所述退磁检测控制模块的输出端电学连接至所述功率开关管的栅极，所述退磁检测信号通过所述逻辑电路、开关信号产生单元以及驱动单元控制所述功率开关管的导通时刻； 

其中，当所述功率开关管关断持续一预设时间后，通过所述逻辑电路以及驱动单元控制所述功率开关管的栅极对地变为高阻态，并利用所述功率开关管的寄生电容来检测退磁信号。

2.根据权利要求1所述的退磁检测控制模块，其特征在于，所述驱动单元进一步包括：一或非门、一第一NMOS管、一电平位移电路以及一PMOS管； 所述或非门的两输入端分别通过一反相器电学连接至所述开关信号产生单元以及所述逻辑电路，所述或非门的输出端通过一反相器电学连接至所述第一NMOS管的栅极； 所述第一NMOS管的源极接地，漏极电学连接至所述功率开关管的栅极； 所述电平位移电路的输入端分别电学连接至所述开关信号产生单元以及电源电压端，所述电平位移电路的输出端通过一反相器电学连接至所述PMOS管的栅极； 所述PMOS管的源极电学连接至电源电压端，所述PMOS管的漏极至所述功率开关管的栅极。

3.根据权利要求1所述的退磁检测控制模块，其特征在于，所述逻辑电路进一步包括：一下降沿延时单元、一RS触发器、一或非门； 所述下降沿延时单元的输入端电学连接至所述开关信号产生单元，输出端电学连接至所述或非门的一输入端； 所述RS触发器的一输入端电学连接至所述开关信号产生单元，所述RS触发器的另一输入端电学连接至所述比较器的输出端，所述RS触发器的输出端接所述或非门的另一输入端； 所述或非门的输出端电学连接至所述驱动单元。

4.根据权利要求1所述的退磁检测控制模块，其特征在于，所述退磁检测控制模块进一步包括一钳位电路，所述钳位电路的输入端电学连接至所述开关信号产生单元，所述钳位电路的输出端电学连接至所述功率开关管的栅极，所述钳位电路用于防止所述功率开关管关断且栅极对地为高阻态时的误导通。

5.根据权利要求4所述的退磁检测控制模块，其特征在于，所述钳位电路进一步包括一第二NMOS管，所述第二NMOS管的栅极为所述钳位电路的输入端，所述第二NMOS管的漏极为所述钳位电路的输出端；所述第二NMOS管的源极通过一钳位二极管接地，所述第二NMOS管的栅极通过一反相器电学连接至所述开关信号产生单元，所述第二NMOS管的漏极电学连接至所述功率开关管的栅极。

6.一种退磁检测系统，包括一主功率电感、一整流单元、一功率开关管以及一峰值电流采样单元，所述功率开关管的漏极分别电学连接所述主功率电感以及所述整流单元，所述功率开关管的源极电学连接所述峰值电流采样单元，其特征在于，进一步包括权利要求1所述的退磁检测控制模块； 

所述退磁检测控制模块通过所述峰值电流控制单元的输入端耦接在所述功率开关管的源极与所述峰值电流采样单元之间，通过所述驱动单元的输出端电学连接至所述功率开关管的栅极； 

其中，当所述峰值电流采样单元上的电压到达一基准电压时，所述退磁检测控制模块通过所述峰值电流控制单元、开关信号产生单元以及驱动单元关断所述功率开关管；当所述功率开关管关断持续一预设时间后，所述退磁检测控制模块通过所述逻辑电路以及驱动单元控制所述功率开关管的栅极对地变为高阻态，并利用所述功率开关管的寄生电容来检测退磁信号；在所述功率开关管的栅极电压小于所述参考电压源时，所述退磁检测控制模块通过所述比较器输出退磁检测信号，所述退磁检测信号通过所述逻辑电路、开关信号产生单元以及驱动单元控制所述功率开关管的导通时刻。

7.根据权利要求6所述的退磁检测系统，其特征在于，所述驱动单元进一步包括：一或非门、一第一NMOS管、一电平位移电路以及一PMOS管； 所述或非门的两输入端分别通过一反相器电学连接至所述开关信号产生单元以及所述逻辑电路，所述或非门的输出端通过一反相器电学连接至所述第一NMOS管的栅极； 所述第一NMOS管的源极接地，漏极电学连接至所述功率开关管的栅极； 所述电平位移电路的输入端分别电学连接至所述开关信号产生单元以及电源电压端，所述电平位移电路的输出端通过一反相器电学连接至所述PMOS管的栅极； 所述PMOS管的源极电学连接至电源电压端，所述PMOS管的漏极至所述功率开关管的栅极。

8.根据权利要求6所述的退磁检测系统，其特征在于，所述逻辑电路进一步包括：一下降沿延时单元、一RS触发器、一或非门； 所述下降沿延时单元的输入端电学连接至所述开关信号产生单元，输出端电学连接至所述或非门的一输入端； 所述RS触发器的一输入端电学连接至所述开关信号产生单元，所述RS触发器的另一输入端电学连接至所述比较器的输出端，所述RS触发器的输出端接所述或非门的另一输入端； 所述或非门的输出端电学连接至所述驱动单元。

9.根据权利要求6所述的退磁检测系统，其特征在于，所述退磁检测控制模块进一步包括一钳位电路，所述钳位电路的输入端电学连接至所述开关信号产生单元，所述钳位电路的输出端电学连接至所述功率开关管的栅极，所述钳位电路用于防止所述功率开关管关断且栅极对地为高阻态时的误导通。

10.根据权利要求9所述的退磁检测系统，其特征在于，所述钳位电路进一步包括一第二NMOS管，所述第二NMOS管的栅极为所述钳位电路的输入端，所述第二NMOS管的漏极为所述钳位电路的输出端；所述第二NMOS管的源极通过一钳位二极管接地，所述第二NMOS管的栅极通过一反相器电学连接至所述开关信号产生单元，所述第二NMOS管的漏极电学连接至所述功率开关管的栅极。