CN104754824A

CN104754824A - 一种led恒流源及其去磁时间检测方法

Info

Publication number: CN104754824A
Application number: CN201510088069.9A
Authority: CN
Inventors: 李剑; 黄朝刚; 黎海明
Original assignee: SHENZHEN QX MICRO DEVICES CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN QX MICRO DEVICES CO Ltd
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: CN104754824B

Abstract

本发明涉及一种LED恒流源及其去磁时间检测方法，其中：恒流源包括依次串接的电感、控制端电连接内置电流比较器的控制模块的通断开关管、电流采样电阻(Rs)和地，还包括镜像电流源，其电流输出端(I＝I1)依次电连接电流去磁检测单元和所述控制模块，其电流基准端(I1)串接在去磁时间检测开关管的栅极与恒压驱动源之间，去磁时间检测开关管的漏极与所述电感的电流流出端电连接；去磁时间检测方法包括通过镜像电流源获取去磁时间检测开关管的栅极电流，当栅极电流超过设定门限时，判定去磁完成。这种LED恒流源及其去磁时间检测方法，无须辅助绕组且能实时、准确检测电感去磁时间。

Description

一种LED恒流源及其去磁时间检测方法

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)驱动电源，具体涉及一种LED恒流源及其去磁时间检测方法。

背景技术

随着LED驱动电源的大量普及和应用，各种LED驱动芯片的发展也呈现出蓬勃上升的趋势。LED驱动的发展经历了恒压驱动模式，线性恒流驱动模式，开关电源恒流驱动模式，以及准线性恒流驱动模式等。而其中以开关电源恒流驱动模式最受市场的青睐，其具有良好的恒流特性和各种开关架构的多样性，以及良好的可靠度等特性。低端开关结构由其具有稳定性以及良好的可调性受到广大设计者及客户的普及和使用。

传统的低端开关LED驱动源，由于电感L2以及负载电流在开关管LVMOS关断时未流过电流取样电阻Rs，因此为得到较好的恒流输出控制，需实时检测电感L2的去磁时间，即电感电流的过零点。然后通过芯片检测控制输出电流大小。而检测电感的去磁时间，目前有两种方法，第一种：通过为电感加一个辅助绕组的办法，即可通过检测辅助绕组的电压信号有效及时的检测电感的去磁时间；另外一种，电路结构如图1所示：通过检测功率开关管HVMOS的耐高压端(漏极)的信号也可以得到近似的电感L2的去磁时间。

从以上描述的两种方法中可以看出，芯片U1对于获得一个有效及时的电感去磁时间检测非常重要，其检测结果直接影响了输出电流的大小。

传统技术的技术特征在于：芯片U1对于系统中的电感L2去磁时间检测均通过辅助绕组间接得到或者通过电容耦合电压检测节点高阻态的原理近似得到，均无法直接有效及时的得到去磁时间检测信号。

传统技术的缺点在于：辅助绕组的方法由于其成本相对较高，做工较复杂，但其对去磁时间检测及时可靠有效；电容耦合的方法通过检测高阻节点近似得到去磁时间，且其对于输出异常的信号无法得到可靠有效的判断。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种LED恒流源及其去磁时间检测方法，无须辅助绕组也能实时、准确检测电感去磁时间，使LED恒流源更加可靠稳定的工作。

本发明的上述第一个技术问题这样解决，构建一种LED恒流源，包括依次串接的电感、控制端电连接内置电流比较器的控制模块的通断开关管、电流采样电阻Rs和地，其特征在于，还包括恒压驱动模块和镜像电流源，所述电流镜像电流源的电流输出端I＝I1依次电连接电流去磁检测单元和所述控制模块，所述电流镜像电流源的电流基准端I1串接在恒压驱动模块与去磁时间检测开关管的栅极之间；所述去磁时间检测开关管的漏极与所述电感的电流流出端电连接。所述控制模块可以是一个集成电路芯片IC。

按照本发明提供的LED恒流源，这种LED恒流源包括但不限制于以下三种具体形式：

㈠基本形式

所述通断开关管是低压MOS管LVMOS，所述去磁时间检测开关管是高压MOS管HVMOS，所述电感是电感元件L2，所述电感元件L2依次电连接高压MOS管HVMOS、低压MOS管LVMOS、电流采样电阻Rs和地；所述LED恒流源还包括与外接LED负载LEDs和电感元件L2并联的续流二极管D1。

㈡耗尽型NMOS管芯片供电VCC

所述电感是电感元件L2，所述通断开关管是高压MOS管HVMOS，所述去磁时间检测开关管是耗尽型NMOS管M1；所述耗尽型NMOS管M1的漏极连接所述电感元件L2，源极连接内部芯片电源；所述LED恒流源还包括与外接LED负载LEDs和电感元件L2并联的续流二极管D1。

㈢隔离反激式控制系统

所述通断开关管是低压MOS管LVMOS，所述去磁时间检测开关管是高压MOS管HVMOS，所述电感是变压器T中的初级线圈，所述变压器T中的次级线圈与电流反向保护二极管D2和外接LED负载LEDs构成回路。

按照本发明提供的LED恒流源，所述LED恒流源中镜像电流源是基本镜像电流源或比例电流源。

按照本发明提供的LED恒流源，所述LED恒流源中控制模块还包括逻辑控制单元，所述逻辑控制单元分别输入连接电流检测单元和电流比较器，输出连接通断开关管的控制端。所述控制模块可以是一个集成电流比较器、电流检测单元和逻辑控制单元的IC。

本发明的上述另一个技术问题这样解决，构建一种LED恒流源去磁时间检测方法，其特征在于，利用镜像电流源和漏极与所述LED恒流源中电感电流流出端连接的恒压驱动模块驱动的去磁时间检测开关管，包括以下步骤：

检测开关管的栅极电流随去磁时间检测开关管漏极电压VP时间函数的导数变化而变化；

通过所述恒压驱动模块和镜像电流源获取去磁时间检测开关管的栅极电流；

检测所述栅极电流的大小和/或方向，当超过设定门限时，判定去磁完成。

按照本发明提供的LED恒流源去磁时间检测方法，所述设定门限是电流大小。

按照本发明提供的LED恒流源去磁时间检测方法，所述设定门限是电流方向。

按照本发明提供的LED恒流源去磁时间检测方法，所述设定门限是电流大小和电流方向。

本发明提供的LED恒流源及其去磁时间检测方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1、无须辅助绕组，电路简本、成本低；

2、及时、准确检测电感去磁时间。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是传统的检测漏极信号的LED恒流低端开关检测控制电路架构示意图；

图2是本发明LED恒流低端开关去磁检测控制电路第一实施例的架构示意图；

图3是图2所示电路控制及输出信号波形示意图；

图4是本发明LED恒流低端开关去磁检测控制电路第二实施例的架构示意图；

图5是本发明LED恒流低端开关去磁检测控制电路第三实施例的架构示意图；

图6是图5所示电路控制及输出信号波形示意图。

具体实施方式

下面详细说明本发明电路和工作原理：

第一实施例

㈠电路

本发明基本形式电路，系统结构如图2所示，在采用传统低端开关架构的基础上进行改进，采用恒压驱动高压MOS管HVMOS的模式，同时实时检测HVMOS恒压驱动电流变化，引入到去磁检测电路，达到了对电感去磁时间的检测。

该基本形式电路中所采用恒压驱动电路，驱动高压MOS管HVMOS；稳态时，其驱动电流为零；当高压MOS管HVMOS耐高压端(漏极)电压变化时，其通过寄生电容转换为电流流入或流出恒压驱动电路；通过实时检测此驱动电流变化，即可达到对去磁完成时间节点的实时检测。

本发明的技术特征在于：在LED恒流控制系统中，当低压MOS管LVMOS关断后，电感L2通过续流二极管D1和输出负载LEDs去磁放电，去磁完成后，通过在电感的电流流出端(又称振荡节点)引入电容到芯片U2检测节点，在振荡时，其电压VP变化信号dv/dt通过此电容转换为电流i＝c*dv/dt，通过检测此电流变化，即可达到对电感L2去磁时间的实时检测。

㈡工作原理

下面为新型LED恒流控制系统的工作原理分析。

芯片U2启动后，便开始检测CS引脚上电压，当其电压达到某一基准电压后，芯片U2主动关断低压MOS管LVMOS；之后，系统进入到续流阶段，此时电感L2通过续流二极管D1和负载LEDs进行续流，释放电感L2上能量。

在续流开始到续流结束这个时间段，我们称之为电感去磁时间t_DIS，其控制及输出波形如图3中所示。

如图3中所示，当电感L2处于去磁时间区间时，电感L2的振荡节点即高压MOS管HVMOS的耐高压端(漏极)VP节点电压为输入线电压V_AC加上续流二极管D1正向压降(其值相对线电压V_AC较小，可忽略)，因此可近似为输入线电压V_AC。而输入线电压V_AC在一个开关周期内变化非常小，近似为一平稳电压。

于是恒压控制模块的驱动输出电流在稳定时为

I1₀＝c*dv/dt＝0

其中，c为高压MOS管的漏极到栅极电容，dv/dt为漏极VP节点电压随时间变化斜率，由于在去磁时间区间内，其电压为一平稳电压，因此其斜率dv/dt为0。

去磁完成时，电感电流为零，因此漏极VP节点电压变化斜率仍为零。但此时电感的一端漏极VP节点电压仍近似为输入线电压V_AC，同时电感另一端的电压为V_AC-V_O，由此可得出此时电感电流变化斜率为

di_L/dt＝[V_AC-(V_AC-V_O)]/L＝V_O/L

因此可以发现随着时间的推移，电感电流逐渐增大，而电感电流是引起漏极VP节点电压随时间变化斜率的主要因素。

dv/dt＝I_L/c_P

其中I_L为电感电流，c_P为漏极VP节点对地寄生电容。电感电流导致漏极VP节点电压下降，最终电感与寄生电容和寄生电阻一起在漏极VP节点电压形成振荡。

由此可以推算出恒压控制模块的驱动输出电流为

I1＝c*dv/dt＝c*I_L/c_P＝I_L*c/c_P

其中，高压MOS管HVMOS的漏极到栅极电容‘c’为漏极VP节点对地寄生电容‘c_P’其中一部分，而I_L为此时电感电流的值。

由此可以看出，恒压控制模块的驱动输出电流与去磁完成后的电感电流呈正比线性关系。由前面描述可知，在去磁时间区间内，此电流为零；而当去磁完成后，此电流随电感振荡电流成正比，因此芯片内部可设置一低阈值电流比较器来达到判断去磁完成的检测及控制。

由前面的控制电路图可以看出，当芯片U2启动后，功率管即会开启(本图中是通过控制源极驱动管LVMOS导通来控制功率开关管HVMOS开启)，此时漏极VP节点电压被短路到地电位，输入线电压施加在输出负载及电感上，电感电流上升，芯片U2内部设置一峰值电流检测比较器，当检测到峰值电流电压达到某一基准参考值时，电流比较器输出信号翻转，其输入到逻辑控制单元，进而控制功率管关断(本图中是通过控制源极驱动管LVMOS断开来控制功率开关管HVMOS关断)。

当功率管关断时，由于电感L2电流不能突变，因此通过电感L2电流对漏极VP节点寄生电容充电，漏极VP节点电压迅速上升，直至使得续流二极管导通，电感电流通过续流二极管D1及负载放电(即去磁)；由于漏极VP节点电压变化很快，芯片U2对功率管HVMOS的恒压驱动模块需要一定的稳定时间，在此固定时间内，芯片屏蔽对去磁时间检测模块的输出信号；之后芯片便利用前面所描述的去磁时间检测方法来实现对去磁时间的检测控制，当恒压驱动模块的输出电流达到某一低阈值电流比较器的阈值时，去磁检测完成，同时芯片会立即输出一个脉冲信号，控制逻辑控制电路模块，进而使得功率管开启，进入下一个开关周期。

因此，在如图2所示系统中，通过前面的描述可以看出，在去磁时间检测及时准确的情况下，输出电流即为电感峰值电流的一半，即

I_O＝I_PK/2

其中I_PK为系统峰值电流。

由以上分析可以得出，通过应用本发明的基本形式电路，可及时、准确得出电感去磁时间，使得本发明LED恒流控制系统更加可靠稳定的工作。

第二实施例

本发明的耗尽型NMOS检测形式的电路，结构如图4所示，本实施例利用耗尽型NMOS从漏极VP节点取电给VCC供电。通过恒压驱动为耗尽型NMOS提供一合适恒定的栅极电压，从而可以得到需要的电源电压。

当系统漏极VP节点电压变化时，芯片U3恒压驱动模块的输出电流亦会发生变化，去磁检测电路模块通过检测此电流变化进而到达对去磁时间的及时准确检测。

不难发现，图2中的实施例与图4中的实施例，均是通过检测电感与开关管连接节点即漏极VP节点电压变化得到系统工作时电感去磁时间，进而实现了恒流源系统控制。其相关技术细节不尽相同，此处不再赘述。

第三实施例

本发明的隔离反激式恒流控制形式电路，结构如图5所示，其电感去磁时间检测仍是通过检测恒压驱动模块电流的变化来实现。在电感去磁期间，系统VP节点电压为(V_AC+n*V_LED)，其中‘n’为变压器主副边匝比，波形图如图6中所示。

同样的，当变压器T电感去磁完成后，系统漏极VP节点电压会从电压(V_AC+n*V_LED)下降，并以线电压V_AC为中心发生衰减振荡。当漏极VP节点电压下降时，芯片U4内部的恒压驱动模块的输出电流产生变化，芯片U4通过检测此电流变化进而实现对系统变压器T去磁时间的检测。

本隔离反激式系统同样的是采用峰值电流检测，即当芯片上电完成后，芯片U4通过驱动LVMOS来开启HVMOS，于是线电压便完全施加于变压器T初级线圈，变压器初级线圈线性上升，芯片U4内部电流比较器会检测变压器初级线圈电流峰值，当达到峰值时关断HVMOS，系统进入去磁时间区间。此时经过一固定时间来稳定恒压模块输出电流，之后便开始进入去磁时间检测电路；当检测到去磁时间T_DIS后，芯片U4内部会记录此去磁时间，并使得内部振荡器周期为2*T_DIS；如此则可实现输出电流为

I_O＝n*I_PK/4

其中n为变压器匝比，I_PK为系统峰值电流。

本发明的优点在于：在LED恒流控制系统中，当功率开关管关断后，电感通过续流二极管D1或电流反向保护二极管D2和输出负载LEDs去磁放电，去磁完成后，通过在电感的振荡节点引入电容到芯片恒压驱动模块，在振荡时，其电压变化信号dv/dt通过此电容转换为电流i＝c*dv/dt，通过检测此电流变化，即可达到对电感去磁时间的实时检测。

由上述可知：本发明的新型LED恒流源输出检测控制电路，具有良好的检测去磁时间的及时性准确性，提高了LED恒流源恒流效果和工作可靠性，同时又不增加LED恒流源成本。

另外，本领域的技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种LED恒流源，包括依次串接的电感、控制端电连接内置电流比较器的控制模块的通断开关管、电流采样电阻(Rs)和地，其特征在于，还包括恒压驱动模块和镜像电流源，所述镜像电流源的电流输出端(I＝I1)依次电连接电流去磁检测单元和所述控制模块，所述电流镜像电流源的电流基准端(I1)串接在去磁时间检测开关管的栅极与恒压驱动模块之间；所述去磁时间检测开关管的漏极与所述电感的电流流出端电连接。

2.根据权利要求1所述LED恒流源，其特征在于，所述通断开关管是低压MOS管(LVMOS)，所述去磁时间检测开关管是高压MOS管(HVMOS)，所述电感是电感元件(L2)，所述电感元件(L2)依次电连接高压MOS管(HVMOS)、低压MOS管(LVMOS)、电流采样电阻(Rs)和地；所述LED恒流源还包括与外接LED负载(LEDs)和电感元件(L2)并联的续流二极管(D1)。

3.根据权利要求1所述LED恒流源，其特征在于，所述电感是电感元件(L2)，所述通断开关管是高压MOS管(HVMOS)，所述去磁时间检测开关管是耗尽型NMOS管(M1)；所述耗尽型NMOS管(M1)的漏极连接所述电感元件(L2)，源极连接内部芯片电源(VCC)；所述LED恒流源还包括与外接LED负载(LEDs)和电感元件L2并联的续流二极管D1。

4.根据权利要求1所述LED恒流源，其特征在于，所述通断开关管是低压MOS管(LVMOS)，所述去磁时间检测开关管是高压MOS管(HVMOS)，所述电感是变压器(T)中的初级线圈，所述变压器(T)中的次级线圈与电流反向保护二极管(D2)和外接LED负载(LEDs)构成回路。

5.根据权利要求1-4所述LED恒流源，其特征在于，所述LED恒流源中镜像电流源是基本镜像电流源或比例电流源。

6.根据权利要求5所述LED恒流源，其特征在于，所述LED恒流源中控制模块还包括逻辑控制单元，所述逻辑控制单元分别输入连接电流检测单元和电流比较器，输出连接通断开关管的控制端。

7.一种LED恒流源去磁时间检测方法，其特征在于，利用镜像电流源和漏极与所述LED恒流源中电感电流流出端连接的恒压驱动模块驱动的去磁时间检测开关管，包括以下步骤：

去磁时间检测开关管的栅极电流随去磁时间检测开关管漏极电压VP时间函数的导数变化而变化；

8.根据权利要求7所述LED恒流源去磁时间检测方法，其特征在于，所述设定门限是电流大小。

9.根据权利要求7所述LED恒流源去磁时间检测方法，其特征在于，所述设定门限是电流方向。

10.根据权利要求7所述LED恒流源去磁时间检测方法，其特征在于，所述设定门限是电流大小和电流方向。