CN105554954A - 一种用于led驱动的控制芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明一般地涉及一种照明技术，尤其是涉及一种用于LED驱动的控制芯片。所述芯片包括：误差放大模块，其使芯片中同相输入端的基准电压与反相输入端的反馈电压之间的差放大；脉宽调制模块，其使芯片实现PWM逻辑控制，电路输出功率开关的栅驱动信号；前沿消隐模块，其使芯片电路消除因开关导通瞬间产生的脉冲峰值电流；过温保护模块，其使芯片在温度上升过高时实现迟滞功能；欠压锁定模块，其检测芯片电路内建模拟电源AVDD的电压是否达到阈值并输出响应的检测型号UVLO。现有技术相比，本发明的优点在于采用恒压恒流环路控制，通过原边反馈的方式就可以使环路稳定，结构简单，体积小，不需要次级反馈以及环路补偿就能是整个系统具有高稳定性。

Description

一种用于LED驱动的控制芯片
技术领域
本发明一般地涉及一种照明技术，尤其是涉及一种用于LED驱动的控制芯片。
背景技术
LED具有高光效、寿命长、响应快、运行成本低及绿色环保等众多优点，随着半导体核心器件和相关支持技术的飞速发展，LED正越来越多地应用于照明等领域。由于LED的发光原理是是利用固体半导体芯片作为发光材料，在给半导体芯片两端加上正向电压后，半导体中的少数截流子和多数截流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白色的光，所以LED驱动电路需要保持恒流甚至恒压。一般来说，在电源电压发生±15％的变动时，LED驱动电路需要保持输出电流在±10％的范围内变动。并且，驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。
LED驱动电源可以被分为隔离式与非隔离式。非隔离式是指在负载端和输入端有直接连接，因此触摸负载就有触电的危险。目前用得最多的是非隔离直接降压型电源。也就是把交流电整流以后得到直流高压，然后就直接用降压(Buck)电路进行降压和恒流控制。这种非隔离式电源的主要技术特点:从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出;采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能量谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度;可用线性及PWM调光，支持上百个0.06WLED的驱动应用，工作频率25KHz-300KHz，可通过外部电阻来设定。1.非隔离恒流源的优点是简单、指标高，它的输出电流可以按LED串并联的个数决定。但是大多数情况下，它的输出电流不能太大，输出电压也不能太高。例如264个小功率LED连接成22个串联，12串并联，每串20mA，一共240mA。体积也可以做得很小，通常是做成长条形的，以便放进T10或T8的管子里。假如每串的电流是30mA，12并就是360mA。在有些非隔离的电源中就无法实现，为了保持总电流240mA不变，就只能改成8串并联。但假如LED的总数不变，就要求串联的数目增加到33个。这时候总电压就会增加到108.9V。但是通常这种非隔离恒流源的允许的最高输出电压是80V。只能维持原来的22串，这样LED的总数就只能是176颗，即使采用30mA，其总流明数有可能不能满足要求。通常其效率大约在88-90%之间，功率因素大约在0.88-0.92之间。这种非隔离电源也有一些局限性，因为非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。通常LED和铝散热器之间的绝缘也就靠铝基板的印制板的薄膜绝缘。虽然这个绝缘层可以耐2000V高压，但有时螺丝孔的毛刺会产生所谓的爬电现象，使得难以通过CE论证。隔离式是指在输入端和输出端有隔离变压器隔离，这种变压器可能是工频也可能是高频的。但都能把输入和输出隔离起来。可以避免触电的危险。一般来说，由于加入了变压器，所以隔离式电源的效率会有所降低，通常大约在88%左右，而且变压器的体积也比较大，不利于LED小型化。并且，目前隔离式驱动电路为了保证恒流恒压，需要采用次级反馈以及环路补偿，加大了驱动电路的能耗。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本发明的目的是提供一种用于LED驱动的控制芯片，所述芯片包括：
误差放大模块，其使芯片中同相输入端的0.81V基准电压与反相输入端的反馈电压之间的差放大，与环路补偿网络构成一个积分低通电路；
脉宽调制模块，其使芯片实现PWM逻辑控制，电路输出功率开关的栅驱动信号；
前沿消隐模块，其使芯片电路消除因开关导通瞬间产生的脉冲峰值电流；
过温保护模块，其使芯片在温度上升过高时实现迟滞功能；
欠压锁定模块，其检测芯片电路内建模拟电源AVDD的电压是否达到阈值并输出响应的检测型号UVLO。
当时钟的上升沿到来时，脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)触发器置位，NMOS功率开关闭合，外部电感中的电流增加，电感电流被采样放大后与斜坡补偿电流叠加，通过电阻转化为电感电流反馈电压，与反馈电压差经过误差放大器放大得到的控制电压相比较，当电感电流反馈电压大于控制电压时，PWM触发器被复位，NMOS功率开关闭合，电感电流通过外部肖特基二极管续流。若一个周期之内电感电流反馈电压都小于控制电压，则当时钟的下降沿来临时对PWM触发器进行复位，所以NMOS功率开关闭合的最大占空比为振荡时钟的占空比约为90%。当芯片过热时，内置的过温保护电路会使芯片停止正常工作，进入待机状态，直至恢复到正常温度，才会重新进入正常工作状态。如果输入电压过低时，也会使芯片进入待机状态。
进一步地，所述误差放大模块为两极折叠型放大器，其增益等于第一季输入pnp管的跨导与第二级输出阻抗的乘积。
进一步地，在所述的脉宽调制模块中，CK1O4M输入经下降沿检测电路后作为PWM触发器的S输入，ILIMIT，ICOMPOUT，CK_1O4M与后作为PWM触发器R输入。在此模块中引入CK_104M是为了控制最大占空比，当ILIMIT和ICOMPOUT在整个时钟周期内一直为低时，由CK_1O4M的上升沿将PWM触发器复位。NGATEOUT是开关管栅的控制信号。但是，为了后面的电平转换电路能正常工作，需要将NGATEOUT信号转换后生成NGATE+和NGATE－信号。有两种情况会导致UVLO信号为低电平：第一是在开关周期内，ICOMPOUT有上跳的窄脉冲，则在时钟信号CK_1O4M的下降沿，NGATEOUT从低到高跳变，在ICOMPOUT的上跳沿，NGATEOUT从高到低跳变;第二是在开关周期内，ICOMPOUT一直为低电平，则NGATEOUT输出最大占空比信号。当UVLO信号为低电平时，逻辑正常工作。当UVLO信号为高电平时，即过温或AVDD欠压时，NGATEOUT信号输出为低电平，但后级NDRIVER模块中输出的功率管栅驱动信号应该一直为低电平，与NGATEOUT一致。
进一步地，所述的前沿消隐电路主要包括过流保护开关、可调节电容。
进一步地，所述过温保护模块中主要包括两个电阻R1、R2，一个be结三级管。常温下，当该电压小于三级管be结通导电压时，三极管截止使输出为低电平。当芯片温度升高导致be结通导电压降低至比电阻两端电压小时，三级管导通使输出为高电平，同时使R1被短路，从而实现迟滞功能。
进一步地，欠压锁定（undervoltagelockout,UVLO）模块接受电路电压信号，在通过比较自带可设定电压值后，通过两个电容元件把比较信息转成电信号输出至一个逻辑模块，这个逻辑模块包括与逻辑门、非逻辑门和或逻辑门，经过逻辑模块后的电信号，即欠压锁定模块的输出信号。
本发明所述的用于LED驱动的控制芯片与现有技术相比的优点在于采用恒压恒流环路控制，通过原边反馈的方式就可以使环路稳定，结构简单，体积小，不需要次级反馈以及环路补偿就能是整个系统具有高稳定性。
附图说明
图1为芯片内部原理框图；
图2为实施例1中芯片版图；
图3为实施例1中的误差放大模块线路图；
图4为实施例1中的脉宽调制模块线路图；
图5为实施例1中的过温保护模块线路图；
图6为实施例1中的欠压锁定模块线路图；
图7为实施例1中的系统电路图；和
图8为实施例1中电路系统测试结果。
具体实施方式
以下实施例是对本发明方案的进一步解释，以便本领域技术人员对上述发明方案有更加直观的认识与理解虽然本发明的原理已经在本文有具体描述，但是本领域的技术人员应当理解，这个描述仅通过示例的方式来进行，并且不作为关于本发明的范围的限制。除本文中所示出和描述的示例性实施例之外，在本发明的范围内通过本领域的普通技术人员的修改和代替的其他实施例，均被认为是在本发明的范围内。
实施例1：
本实施的芯片版图如图2所示，采用BCD1.5μm工艺，芯片尺寸为2.00mm×2.04mm，双层Al双层多晶。
其中，所述芯片的误差放大模块线路如图3所示。COMP处电压被高钳位在1.4V+Vgs处。当COMP电压没有达到1.4V+Vgs时，COMP_CLAMP0输出为高电平；当COMP电压达到1.4V+Vgs时，COM_CLAMP0输出为低电平。误差放大器的输出Vout被高钳位在1.4V。M64与M62的尺寸相同，当COMP处电压还未升至NMOS管电压Vth时，M64与M62都未导通，Vout电压为0。M62漏端电压为高电平，通过下拉管，将M136的源端电压下拉到地，则M117的电流增大，通过镜像，M115对COMP处充电，COMP电压被低钳位在NMOS管Vth电压处。可以防止正常工作时COMP电压降得太低，导致Vout与COMP的跟随关系不线性。当COMP端电压高于NMOS管Vth时，M64导通，Vout电压跟随COMP电压，相差一个Vgs电压。M62导通，M136源端的下拉管截止，误差放大器进入正常工作状态。
其中，所述芯片的脉宽调制电路如图4所示。当UVLO信号为低电平时，逻辑正常工作。有两种情况会导致UVLO信号为低电平：第一是在开关周期内，ICOMPOUT有上跳的窄脉冲，则在时钟信号CK_1O4M的下降沿，NGATEOUT从低到高跳变，在ICOMPOUT的上跳沿，NGATEOUT从高到低跳变;第二是在开关周期内，ICOMPOUT一直为低电平，则NGATEOUT输出最大占空比信号。当UVLO信号为高电平时，即过温或AVDD欠压时，NGATEOUT信号输出为低电平，但后级NDRIVER模块中输出的功率管栅驱动信号应该一直为低电平，与NGATEOUT一致。
其中，所述芯片的前沿消隐电路在电路产生脉冲峰值电流后把过流保护断开，把反馈电流放得很大，使其在瞬间达到很大，此时的输出宽度就是LEB的时间。调节电容可以实现调节时间，故外加一个可以调整的电容。
其中，所述芯片的过温保护电路如图5所示。偏置电流流过电阻Ｒ401和Ｒ397，得到偏置电压V1，常温下，改电压小于三极管be结导通电压，三极管Q19截止，OT输出为低电平;当芯片温度升高，be结导通电压降低，当降至比V1电压小时，Q19导通，OT输出变为高电平。同时，Ｒ397两端被短路，实现迟滞功能。
其中，所述芯片的欠压锁定电路如图6所示。当过温检测输入信号OT为高电平，即芯片温度过高时，输出UVLO上拉为高电平，所以UVLO信号为过温检测信号与欠压检测信号的或的逻辑关系，输出作为其他一些模块的休眠信号。
芯片采用图7所示的电路系统进行测试。其中，U1代表本实施例方案中的芯片，U2为整流桥。对系统电路进行测试，测试仪器包括数字示波器、电子负载和数字万用表等，测试结果如图8所示。利用该驱动电路组成的系统在输入电压为85-265V时系统的效率都能达到80%以上，与现有技术相比提高了5%-10%。并且本方案芯片面积为4.08mm2，与现有技术相比有明显优势。

Claims (6)

1.一种用于LED驱动的控制芯片，所述芯片包括：
误差放大模块，其使芯片中同相输入端的0.81V基准电压与反相输入端的反馈电压之间的差放大，与环路补偿网络构成一个积分低通电路；
脉宽调制模块，其使芯片实现PWM逻辑控制，电路输出功率开关的栅驱动信号；
前沿消隐模块，其使芯片电路消除因开关导通瞬间产生的脉冲峰值电流；
过温保护模块，其使芯片在温度上升过高时实现迟滞功能；
欠压锁定模块，其检测芯片电路内建模拟电源AVDD的电压是否达到阈值并输出响应的检测型号UVLO。
2.根据权利要求1所述的用于LED驱动的控制芯片，其特征在于：所述误差放大模块为两极折叠型放大器，其增益等于第一季输入pnp管的跨导与第二级输出阻抗的乘积。
3.根据权利要求1所述的用于LED驱动的控制芯片，其特征在于：在所述的脉宽调制模块中，CK1O4M输入经下降沿检测电路后作为PWM触发器的S输入，ILIMIT，ICOMPOUT，CK_1O4M与后作为PWM触发器的R输入。
4.根据权利要求1所述的用于LED驱动的控制芯片，其特征在于：所述的前沿消隐电路主要包括过流保护开关、可调节电容。
5.根据权利要求1所述的用于LED驱动的控制芯片，其特征在于：所述过温保护模块中主要包括两个电阻R1、R2，一个be结三级管。
6.根据权利要求1所述的用于LED驱动的控制芯片，其特征在于：欠压锁定模块接受电路电压信号，在通过比较自带可设定电压值后，通过两个电容元件把比较信息转成电信号输出至一个逻辑模块，这个逻辑模块包括与逻辑门、非逻辑门和或逻辑门，经过逻辑模块后的电信号，即欠压锁定模块的输出信号。
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