CN105101572B - 一种高功率因数led驱动集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率因数LED驱动集成电路(U2)，包括依次电连接的误差放大器(EA)、导通时间控制单元、逻辑电路单元和功率开关(M1)，其特征在于，还包括NPN三极管(Q1)及其基极驱动电路单元、逻辑电路单元与反馈管脚(ZCD)之间的母线电压检测单元，Q1集电极电连接电压输入管脚(VIN)，射极电连接M1的漏极；基极驱动电路单元的第一输入端电连接逻辑电路单元的第二输出端，第二输入端依次电连接峰值电压采样保持单元和电压输出管脚(CS)；M1的漏极还通过反向限制器件单向电连通芯片电源管脚(VDD)。这种集成电路省去电感抽头，无需在IC外围辅助供电。

Description

一种高功率因数LED驱动集成电路
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)电源中的集成电路芯片(IC)设计，具体涉及一种高功率因数LED驱动集成电路。
背景技术
LED灯由于节能环保等优点而越来越广泛的应用于照明市场。在很多应用场合对LED电源的功率因数提出要求。一种传统的具有高功率因数的LED驱动电路，结构如图1所示，内置高功率因数LED驱动集成电路芯片U1，该芯片需要外部辅助供电，使用带抽头的电感L1以及虚线框内所示的辅助供电部分(包括二极管及电阻)，这样使得LED电源整体成本偏高并且不便于IC集成。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种高功率因数LED驱动集成电路，能省去电感抽头且无需在IC外围辅助供电。
本发明的上述技术问题这样解决，构建一种高功率因数LED驱动集成电路，包括依次电连接的误差放大器、导通时间控制单元和输出PWM信号的逻辑电路单元及其控制连接的功率开关；所述逻辑电路单元的另一输入端依次电连接电感电流过零检测单元和本集成电路的反馈管脚，所述误差放大器的一输入端和所述功率开关的输出端都电连接本集成电路的电压输出管脚，其特征在于，还包括NPN三极管和所述逻辑电路单元第三输入端与反馈管脚之间的母线电压检测单元；所述三极管的基极电连接基极驱动电路单元，集电极电连接本集成电路的电压输入管脚，发射极电连接所述功率开关的输入端；所述基极驱动电路单元的第一输入端电连接所述逻辑电路单元的第二输出端，所述基极驱动电路单元的第二输入端依次电连接峰值电压采样保持单元和所述电压输出管脚；所述功率开关的输入端还通过反向限制器件单向电连通本集成电路的芯片电源管脚。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，所述反向限制器件包括但不限制于是二极管，其阳极电连接所述功率开关的输入端，阴极电连接所述芯片电源管脚。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，所述反向限制器件包括但不限制于是受控制的PMOS管。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，所述母线电压检测单元包括比例电流源，用于放大或缩小母线电压信号，也可以直接检测母线电压。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，本集成电路的芯片电源管脚依次外接电容与外部地；本集成电路的芯片电源管脚与电压输入管脚之间外接电阻。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，本集成电路的电压输出管脚依次外接采样电阻、电感和LED负载，本集成电路的反馈管脚通过反馈电阻电连接LED负载的电压输入端。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，本集成电路的电压输入管脚电连接外部直流电源或外部整流模块的输出端。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，本集成电路内置在隔离LED驱动电源中。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，本集成电路内置在非隔离LED驱动电源中。
按照本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，本集成电路内置在高功率因数LED开关电源中。
本发明提供的高功率因数LED驱动集成电路，与现有技术相比，具有以下优势：
1、无辅助供电，减少外围PCB元件，节省系统成本；
2、仅用单电感，无需抽头，对负载兼容性更好同时效率更高；
3、IC可高度集成，系统可靠性更高，减小电源体积，带来高性价比优势；
4、简化了LED电源系统设计，易于使用。
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是一种传统的高功率因数LED驱动电路及内置传统芯片U1的电路结构示意图；
图2是本发明的高功率因数LED驱动电路及内置本发明芯片U2的电路结构示意图；
图3是图2中NPN三极管Q1供电波形原理示意图；
图4是图2中NPN三极管Q1基极驱动电流波形示意图；
图5是图2中母线电压检测谷底波形示意图；
图6是图2中母线电压检测单元的实现电路结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种无辅助供电的高功率因数LED驱动装置，电路结构如图2所示，在LED驱动集成电路芯片U2中增加了母线电压检测单元、峰值电压采样保持单元和NPN三极管Q1及其基极驱动电路单元，省去电感L2抽头且无需在IC外围辅助供电。
其中Q1，M1是功率开关。
在PWM＝1期间，电流主要经VIN引脚、三极管Q1、开关M1、采样电阻RCS、电感、LED负载到系统地，经母线电容返回VIN。
在PWM＝0期间，Q1断开，电感电流经LED、续流二极管、采样电阻RCS回到电感。
误差放大器EA将流过RCS的电流与基准电压比较，通过反馈环路来稳定LED电流。同时误差放大器的输出COMP电压用来控制系统的导通时间。当达到COMP电压设定的导通时间后，PWM信号转为0，电感电流转入放电状态。
电感电流过零检测电路通过ZCD电压来获得电感电流过零点，使系统工作于电感电流临界模式。当检测到电感电流过零时，PWM信号转为1，功率管导通，电感电流转入充电状态。
峰值电压采样保持电路采样RCS电阻上电压峰值并保持，此电压用来控制三极管的基极驱动电流大小。在母线电压低时，电感峰值电流也低，对应的减小三极管基极驱动电流；在母线电压高时，电感峰值电流也高，对应的增大三极管的基极驱动电流。
母线电压检测电路用来检测母线电压的谷底区域，并在此区域控制电路，使得三极管导通时间减小或者降低开关频率。
二极管D1提供对CVDD电容的充电通路，CVDD电容与反向稳压二极管D2并联。二极管D1也可以用受控制的PMOS管来代替。在PWM＝1期间，当三极管基极电流预关断以后，将M1关闭，电流通过三极管发射极经二极管D1对CVDD电容充电，实现了对控制电路的自供电。
该驱动装置的电路工作原理主要包含以下三点：
①本发明的功率开关采用三极管，并且在三极管发射极串联一开关MOS管；三极管发射极接一个二极管D1或者PMOS到VDD引脚。通过对三极管的控制可实现对CVDD电容的充电。其中对CVDD电容的充电发生在三极管导通期间。
②本发明公布了一种三极管基极驱动的方法及电路。通过对RCS电阻上的峰值电流进行采样保持，并以此控制三极管的基极驱动电流。典型情况下，在第N个开关周期三极管的基极驱动电流表达为：
IB(N)＝Ia+Ipk(N-1)*b
其中IB(N)表示第N个周期三极管基极驱动电流；
Ia是一个固定的电流；
Ipk(N-1)是第N-1个周期流过电流采样电阻RCS的峰值电流；
b是一个固定系数，与三极管放大倍数相关。
上述表达式的意义是：当前开关周期三极管的基极驱动电流与前一个开关周期RCS电阻上的峰值电流成比例关系。
③本发明通过ZCD电阻对母线电压进行检测，并在母线电压的谷底区域对开关电路进行控制。典型情况下，在母线电压的谷底区域减小三极管导通时间或者降低开关频率，以减小系统的工作电流。
通过以上三点措施可有效解决高功率因数LED驱动电路的供电问题。
上述三点之间内在的逻辑关系在于：
第一点，是供电电路通路。在三极管导通阶段的一段时间内，可使得三极管集电极电流经过三极管发射极、二极管到CVDD电容、再经芯片地、电感、LED回到系统地，实现对CVDD电容充电。
第二点，通过动态控制三极管的基极驱动电流，可有效减小VDD工作电流。在电感峰值电流高时相应增大基极驱动电流，在电感峰值电流低时相应减小基极驱动电流。
第三点，因为在母线电压低点对CVDD电容充电的电流很小，为避免供电不足，可通过减小导通时间或降低开关频率来降低VDD工作电流，从而减小CVDD电容的存储电荷消耗。
其中第一点解决了供电的拓扑问题。第二点和第三点是为了降低电路系统的工作电流，保证在母线电压VIN的整个范围内(从母线电压的峰值到谷底)CVDD电容都能够有效供电。
三极管基极驱动电流，具体信号波形如图4所示。
母线电压检测，在三极管导通阶段，RZCD电阻两端的压差近似为VIN-VO,流过电阻RZCD的电流为：
IZCD＝(VIN-VO)/RZCD。
将此电流镜像并流过另外一个电阻，得到的电压即与VIN-VO压差成比率，具体信号波形如图5所示。
本发明母线电压检测单元，电路结构如图6所示，采用比例镜像电流源，电阻R1两端的电压为：
这样VR1电压包含了母线电压VIN的信息，当VIN-VO接近0时即对应母线电压的谷底区域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种高功率因数LED驱动集成电路(U2)，包括依次电连接的误差放大器(EA)、导通时间控制单元、输出PWM信号的逻辑电路单元和被所述逻辑电路单元控制的功率开关(M1)；所述逻辑电路单元的另一输入端依次电连接电感电流过零检测单元和本集成电路的反馈管脚(ZCD)，所述误差放大器的一输入端和所述功率开关的输出端都电连接本集成电路的电压输出管脚(CS)，其特征在于，还包括NPN三极管(Q1)和所述逻辑电路单元第三输入端与反馈管脚之间的母线电压检测单元；所述三极管的基极电连接基极驱动电路单元，集电极电连接本集成电路的电压输入管脚(VIN)，发射极电连接所述功率开关的输入端；所述基极驱动电路单元的第一输入端电连接所述逻辑电路单元的第二输出端，所述基极驱动电路单元的第二输入端依次电连接峰值电压采样保持单元和所述电压输出管脚(CS)；所述功率开关的输入端还通过反向限制器件单向电连通本集成电路的芯片电源管脚(VDD)。
2.根据权利要求1所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，所述反向限制器件是二极管(D1)，该二极管阳极电连接所述功率开关(M1)的输入端，该二极管阴极电连接所述芯片电源管脚(VDD)。
3.根据权利要求1所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，所述反向限制器件是受控制的PMOS管。
4.根据权利要求1所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，所述母线电压检测单元包括比例镜像电流源。
5.根据权利要求1所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，本集成电路的芯片电源管脚(VDD)依次电连接外接电容(CVDD)与外部地；本集成电路的芯片电源管脚与电压输入管脚之间串接外接电阻(R1)。
6.根据权利要求1所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，本集成电路的电压输出管脚(CS)依次电连接外接采样电阻(RCS)、外接电感(L2)和LED负载(LED)，本集成电路的反馈管脚(ZCD)通过反馈电阻(RZCD)电连接LED负载的电压输入端。
7.根据权利要求1所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，本集成电路的电压输入管脚(VIN)电连接外部直流电源或外部整流模块的输出端。
8.根据权利要求1-7任一项所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，本集成电路内置在隔离LED驱动电源中。
9.根据权利要求1-7任一项所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，本集成电路内置在非隔离LED驱动电源中。
10.根据权利要求1-7任一项所述高功率因数LED驱动集成电路，其特征在于，本集成电路内置在高功率因数LED开关电源中。
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