CN105657899B - 多路led恒流驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路LED恒流驱动电路，采用多个恒流控制电路来调节相对应的LED灯支路的电流，且采样多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，选择其中的最大者作为电压反馈信号，并根据此电压反馈信号和基准电压信号，生成直流变换器的开关控制信号，用以调节所述直流变换器的输出电压，使其满足多路LED灯的驱动要求。采用本发明的技术方案，可以将系统损耗大大降低，且可以采用低压工艺来设计IC，也降低了系统的成本。

Description

多路LED恒流驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源领域，更具体地说，涉及一种多路LED恒流驱动电路及其控制方法。

背景技术

在照明和背光源应用中，经常将多路LED灯串联或并联使用，每路LED灯包括一个或多个串联连接的LED灯。由于LED的发光特性，LED的发光强度由流过LED的电流确定。

现有的LED恒流驱动电路一般独立地调节各路LED灯的电流，通过控制每路LED的电流恒定，维持稳定的发光强度。该多路LED恒流驱动方案针对多路LED灯采用多个独立的直流变换器，结果导致驱动芯片的成本高、体积大和效率差。

在另一种多路LED恒流驱动方案中，如图1所示，将多路LED灯并联连接，直流变换器提供用于驱动多路LED灯的公共驱动电压。每路LED灯分别串联各自的恒流控制电路。恒流控制电路调节流过每路LED灯的电流，从而维持每路LED灯的亮度平衡。该多路LED恒流驱动方案针对多路LED灯共用直流变换器，从而有利地降低了驱动芯片的成本和体积。在该技术方案中，采用多个恒流电流源(即所述恒流控制电路)，控制LED灯串的电流，由于LED的压降有差异，在使用同一母线电压的条件下，LED压降越大，该支路的恒流电流源漏极电压(DRAIN)越低。因而为保证所有路的LED串都能达到设置电流，要求DRAIN电压最低的支路不能太低。

而对于由LDO构成的恒流电流源，一般要求其在最大电流时的压差(V_DRAIN-V_SOURCE)高于其导通电阻与电流的乘积。在图1所示方案中，PWM控制电路采样恒流电流源的漏极电压(DRAIN1～DRAINn)，通过最小电压选择模块，取其最小值，通过PWM控制电路，将其稳定在某个基准电压V_VREF1，该基准电压可以保证各路LDO最大电流的输出。

在该方案中，根据最大电流能力设置参考电压信号V_VREF1，因而对于LED压降(V_LED)最大的支路，其恒流电流源的漏极电压V_DRAIN＝V_VREF1，对于其他LED压降较小的支路，其恒流电流源的漏极电压V_DRAIN＝V_VREF1+(V_BUS-V_LED)。每路恒流源的损耗不低于V_VREF1*I_LED。

例如：恒流电流源内置晶体管的导通电阻为2Ω，最大电流300mA，电流采样电阻为500mΩ，则在最大电流时的最小压降为300mA*(2+0.5)Ω＝0.75V，为了保证恒流电流源有效地工作在放大区，取V_VREF1＝1V，则每路恒流电流源的最小损耗为1V*300mA＝300mW。在设置电流为150mA时，每路恒流电流源的最小损耗为1V*150mA＝150mW。

因此，可以看出，现有技术中存在如下缺陷：

1.对于恒流电流源内置的多路LED驱动器，总损耗相当可观，会带来驱动IC过热，或者效率过低的问题。

2.需要采样漏极DRAIN电压，由于在LED短路时，DRAIN电压最高可达到母线电压V_BUS，对于恒流电流源外置的LED驱动器，需要采用高压的工艺设计该驱动器，造成成本增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多路LED恒流驱动电路，以解决现有技术中，多路LED恒流驱动电路的工作损耗较大的问题。

第一方面，提供一种多路LED恒流驱动电路，用于驱动多个输出通道的多路LED灯，所述多路LED恒流驱动电路包括：

直流变换器，用于接收输入电压以向多个输出通道提供公共的输出电压；

多个恒流控制电路，与所述多路LED灯一一对应，并且，所述多个恒流控制电路连接在所述多路LED灯和地之间，所述多个恒流控制电路根据相对应的LED灯的电流和基准电流信号调节所述多路LED灯的电流；

反馈电路，接收所述多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，并选择其中的最大者作为电压反馈信号；

PWM控制电路，用于接收所述电压反馈信号和基准电压信号，以生成所述直流变换器的开关控制信号，所述开关控制信号用以调节所述直流变换器的输出电压。

优选地，所述多个恒流控制电路中的每个恒流控制电路包括：

晶体管，所述晶体管包括第一端、第二端和控制端，在所述晶体管导通时电流从第一端流至第二端；

采样电阻，所述采样电阻连接在所述晶体管的第二端和地之间；

第一运算放大器，所述第一运算放大器的第一输入端接收采样电阻的采样电压，第二输入端接收基准电流信号，输出端连接至所述晶体管的控制端。

优选地，所述反馈电路为一最大电压选择电路，

所述最大电压选择电路接收所述多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，并选择其中的最大者作为电压反馈信号。

优选地，所述最大电压选择电路包括：

多个二极管，所述多个二极管与所述多个恒流控制电路一一对应，所述多个二极管的阳极分别接收相对应的恒流控制电路中晶体管的控制端电压，其阴极连接至一个公共节点，并在所述公共节点输出所述电压反馈信号。

优选地，所述PWM控制电路包括：

第二运算放大器，所述第二运算放大器的第一输入端接收基准电压信号，第二输入接收所述电压反馈信号，输出误差补偿信号；

所述基准电压信号根据所述晶体管的控制端电压所允许的最大值来设置；

叠加电路，用于将电流采样信号和斜坡信号进行叠加，生成电流反馈信号；

第一比较器，所述第一比较器的第一输入端接收所述误差补偿信号，第二输入端接收所述电流反馈信号，输出比较信号；以及

RS触发器，所述RS触发器的复位端接收所述比较信号，置位端接收一时钟信号，输出端提供所述开关控制信号。

第二方面，提供一种多路LED恒流驱动电路的控制方法，用于驱动多个输出通道的多路LED灯，所述方法包括：

向多个输出通道提供公共的输出电压；

采用多个恒流控制电路，根据相对应的LED灯的电流和基准电流信号调节所述多路LED灯的电流；

采样多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，并选择其中的最大者作为电压反馈信号；

根据所述电压反馈信号和基准电压信号，生成开关控制信号，所述开关控制信号用以调节所述输出电压。

优选地，产生所述开关控制信号的步骤包括：

将所述电压反馈信号和基准电压信号进行误差放大补偿处理，以获得误差补偿信号；

所述基准电压信号根据所述晶体管的控制端电压所允许的最大值来设置；

将电流采样信号和斜坡信号进行叠加，以获得电流反馈信号；

比较所述误差补偿信号和所述电流反馈信号，以获得比较信号；

根据所述比较信号和一时钟信号，生成所述开关控制信号。

本发明技术通过采用多个恒流控制电路来调节相对应的LED灯支路的电流，且采样多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，选择其中的最大者作为电压反馈信号，并根据此电压反馈信号和基准电压信号，生成直流变换器的开关控制信号，用以调节所述直流变换器的输出电压，使其满足多路LED灯的驱动要求。采用本发明的技术方案，可以将系统损耗大大降低，且可以采用低压工艺来设计IC，也降低了系统的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术的多路LED恒流驱动电路的电路框图；

图2为依据本发明的多路LED恒流驱动电路的电路框图；

图3为依据本发明的多路LED恒流驱动电路的工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2为依据本发明的多路LED恒流驱动电路的电路框图。如图2所示，多路LED恒流驱动电路包含四部分：直流变换器、多个恒流控制电路、反馈电路以及PWM控制电路。

直流变换器101，用于接收外部输入电压V_IN，以转换为合适的输出电压供给多个输出通道的多路LED灯，所述直流变换器可以为升压型变换器、降压型变换器、升降压型变换器、反激式变换器或正激式变换器等合适的变换器。在本实施方式中，直流变换器101为升降压型变换器。

多个恒流控制电路102，与所述多路LED灯一一对应，分别调节每一路LED灯的电流，并且，多个恒流控制电路102连接在多路LED灯和地之间，多个恒流控制电路102根据相对应的LED灯的电流和基准电流信号V_IREFn调节多路LED灯的电流。

在本实施方式中，恒流控制电路102-1～102-n为线性调节器，如图2所示，其中一个恒流控制电路102-1包括晶体管Q1、采样电阻R_LDO1和运算放大器AMP1。晶体管Q1和采样电阻R_LDO1串联连接在LED灯LED1和地之间。晶体管Q1的第一端与LED灯LED1相连，第二端与采样电阻R_LDO1相连。运算放大器AMP1的反相端连接在晶体管Q1和采样电阻R_LDO1的中间节点，接收采样电阻R_LDO1上的采样电压，所述采样电阻R_LDO1上的采样电压即表征流过LED1灯的电流，运算放大器AMP1的同相端接收基准电流信号V_IREF1，运算放大器AMP1的输出端连接至晶体管Q1的控制端，运算放大器AMP1的输出端输出误差电流信号作为晶体管Q1的控制信号GATE1，也即，晶体管Q1的控制端电压GATE1。根据控制信号GATE1调节晶体管Q1的导通状态，使得流经晶体管Q1的电流维持与基准电流信号V_IREF1相对应的恒定值。其余的恒流控制电路102-2～102-n工作原理亦如此，在此不再重复阐述。

反馈电路105，用于接收多个恒流控制电路102中晶体管的控制端电压GATE1～GATEn，并选择其中的最大者作为电压反馈信号V_VFB。在本实施方式中，反馈电路105为一最大电压选择电路。

最大电压选择电路包括多个二极管D1～Dn，其中，多个二极管D1～Dn与恒流控制电路102-1～102-n一一对应，多个二极管D1～Dn的阳极分别接收相对应的恒流控制电路中晶体管的控制端电压GATE1～GATEn，其阴极连接至一个公共节点，并在所述公共节点输出所述电压反馈信号V_VFB。

在本实施方式中，对于直流变换器101的控制，不采样恒流控制电路102的输入电压DRAIN，改为采样恒流控制电路102中晶体管的控制端电压GATE。利用反馈电路105中的最大电压选择电路，选择其中最大的控制端电压GATE的值作为电压反馈信号V_VFB。这样不仅可以使得直流变换器101的输出电压V_BUS保证各路LED灯的正常工作要求，而且可以使系统的损耗大大降低。

PWM控制电路106，用于接收电压反馈信号V_VFB和基准电压信号V_VREF2，以生成直流变换器101的开关控制信号V_M，所述开关控制信号V_M用以调节直流变换器101的输出电压。PWM控制电路包括：

第二运算放大器AMP2，第二运算放大器AMP2的反相输入端接收基准电压信号V_VREF2，同相输入端接收电压反馈信号V_VFB，输出误差补偿信号V_COMP2；其中，基准电压信号V_VREF2根据恒流控制电路中晶体管的控制端电压所允许的最大值来设置；

叠加电路，用于将电流采样信号V_IS和斜坡信号V_SLOPE进行叠加，以生成电流反馈信号V_IFB，电流采样信号V_IS即表征流过直流变换器中功率开关管的电流大小；

第一比较器CMP1，第一比较器CMP1的反相输入端接收误差补偿信号V_COMP2，同相输入端接收电流反馈信号V_IFB，输出比较信号V_CMP；

RS触发器，RS触发器的复位端接收比较信号V_CMP，置位端接收一时钟信号CLOCK，输出端提供直流变换器101的开关控制信号V_M。

由此可见，本发明的PWM控制与传统方法不同，传统方法的外环为电压环，通过控制恒流控制电路的输入电压来稳定直流变换器。而本发明的外环控制量为某个支路的恒流控制电路中晶体管的控制端电压，而当恒流控制电路中的晶体管工作在放大区时，其控制端电压与流过其的电流成正比，因此，本发明的外环控制量实际为某个支路的LED电流，将该支路恒流控制电路的误差放大信号作为PWM控制中内环的基准，由此产生比较信号V_CMP，进而产生PWM控制信号作为直流变换器101的开关控制信号V_M。

在本实施方式中，直流变换器成采用Boost升压变换器。PWM控制电路采用固定频率的峰值电流控制模式为例来加以说明，时钟信号CLOCK的频率即为所述固定频率。基准电压信号V_VREF2的取值将决定最大的控制端电压的值，也就是线性调节器(LDO)的最佳导通压降。

图3为依据本发明的多路LED恒流驱动电路的工作波形图。结合工作波形，下面来说明本发明的多路LED恒流驱动电路的工作过程和所能够实现的有益效果：

由于一般恒流控制电路中的晶体管Q1～Qn的开通阀值都在4V以下，如果取基准电压信号V_VREF＝4V，可以保证控制端电压GATE最高的支路所对应的恒流控制电路中的晶体管完全导通，从而该支路的恒流控制电路的输入电压DRAIN最低，其他支路的恒流控制电路的输入电压DRAIN也最佳。

假设采样电阻R_LDO1＝0.5Ω，晶体管Q1～Qn的导通电阻Ron＝2Ω，基准电压信号V_VREF＝4V，LED1灯的压降高于其他n-1串。用于选择最大电压的二极管D1～Dn为理想二极管，压降为0。

设置每一路LED灯的电流I_LED1＝I_LED2＝…＝I_LEDn＝300mA，则每一路的基准电流信号V_IREF＝R_LDO*I_LED＝0.5Ω*300mA＝150mV，则：控制端电压GATE1＝4V，其他n-1路控制端电压GATE将低于4V。

根据以上假设，可以计算得到：LED1灯支路的恒流控制电路的输入电压DRAIN1＝I_LED1*(Ron+R_LDO1)＝300mA*(2+0.5)Ω＝0.75V，其他n-1路的恒流控制电路的输入电压DRAIN将高于0.75V。此时，该支路的恒流控制电路102-1的最小损耗为DRAIN1*I_LED1＝0.75V*300mA＝225mW。

如果设置每一路LED灯的电流降低到150mA，而LED1灯支路的控制端GATE1＝4V，其他n-1路GATE低于4V；此时，LED1灯支路的恒流控制电路的输入电压DRAIN1＝I_LED1*(Ron+R_LDO1)＝150mA*(2+0.5)Ω＝0.375V，其他n-1路的恒流控制电路的输入电压DRAIN将高于0.225V。此时，该支路的恒流控制电路102-1的最小损耗为DRAIN1*I_LED1＝0.375V*150mA＝56.25mW。

T0时刻之前，I_LED1＝I_LED2＝…＝I_LEDn＝300mA，控制端电压GATE1＝4V，由于晶体管Q1完全导通，则流过LED灯的电流上包含有Boost升压变换器的开关纹波；

T0～T1时刻，每一路的基准电流信号V_IREF从150mV变到75mV，若忽略线性调节器(LDO)的响应时间，各路的控制端电压GATE下降，流过各路LED灯的电流迅速降到150mA，由于负载降低，输出电压V_BUS略有上升；由于流过各路LED灯的电流下降，LED灯上的压降降低，恒流控制电路的输入电压DRAIN电压上升；

T1～T2时刻，输出电压V_BUS偏高，所有恒流控制电路工作于放大区；

T2～T3时刻，随着输出电压V_BUS下降，恒流控制电路的输入电压DRAIN电压也下降，当DRAIN1降至0.375V后，控制端电压GATE1上升，输出电压V_BUS也随之上升，直至T3时刻达到稳态；

T3时刻之后，系统工作在150mA的稳态下，GATE1＝4V，DRAIN1＝0.375V。

至此，反观现有技术中的方案，假设恒流电流源内置晶体管的导通电阻为2Ω，在最大电流为300mA，电流采样电阻为500mΩ时，则在最大电流时，每路恒流电流源的最小压降为300mA*(2+0.5)Ω＝0.75V，为了保证恒流电流源有效地工作在放大区，取V_VREF1＝1V，则每路恒流电流源的最小损耗为1V*300mA＝300mW；在设置电流为150mA时，每路恒流电流源的最小损耗为1V*150mA＝150mW。由此，可以看出，本发明的有益效果在于：

1、能保证至少有一路LED灯的恒流控制电路中的晶体管全通，压降降至最低，损耗降至最小，且随着电流降低，压降可以自动降低。上述例子中，本发明技术的方案和传统方案的损耗对比如下表所示。

损耗分析	300mA	150mA
			传统方案	300mW每路	150mW每路
本发明方案	225mW每路	56.25mW每路

2、在多路LED恒流驱动电路中，不需要通过采样恒流控制电路的输入电压来控制直流变换器，这对于多路LED恒流驱动电路的IC设计而言，可以使用低压工艺，能够大大降低成本。

综上所述，本发明技术的多路LED恒流驱动电路，采用多个恒流控制电路来调节相对应的LED灯支路的电流，且采样多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，选择其中的最大者作为电压反馈信号，并根据此电压反馈信号和基准电压信号，生成直流变换器的开关控制信号，用以调节所述直流变换器的输出电压，使其满足多路LED灯的驱动要求。采用本发明的技术方案，可以将系统损耗大大降低，且可以采用低压工艺来设计IC，也降低了系统的成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多路LED恒流驱动电路，用于驱动多个输出通道的多路LED灯，所述多个输出通道与所述多路LED灯一一对应，其特征在于，所述多路LED恒流驱动电路包括：

直流变换器，用于接收输入电压以向多个输出通道提供公共的输出电压；

多个恒流控制电路，与所述多路LED灯一一对应，并且，每个恒流控制电路连接在每路LED灯和地之间，所述多个恒流控制电路根据相对应的LED灯的电流和基准电流信号调节所述多路LED灯的电流；

反馈电路，接收所述多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，并选择其中的最大者作为电压反馈信号；

PWM控制电路，用于接收所述电压反馈信号和基准电压信号，以生成所述直流变换器的开关控制信号，所述开关控制信号用以调节所述直流变换器的输出电压；

所述多个恒流控制电路中的每个恒流控制电路包括：

晶体管，所述晶体管包括第一端、第二端和控制端，在所述晶体管导通时电流从第一端流至第二端；

采样电阻，所述采样电阻连接在所述晶体管的第二端和地之间；

第一运算放大器，所述第一运算放大器的第一输入端接收采样电阻的采样电压，第二输入端接收基准电流信号，输出端连接至所述晶体管的控制端。

2.根据权利要求1所述的多路LED恒流驱动电路，其特征在于，所述反馈电路为一最大电压选择电路，

所述最大电压选择电路接收所述多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，并选择其中的最大者作为电压反馈信号。

3.根据权利要求2所述的多路LED恒流驱动电路，其特征在于，所述最大电压选择电路包括：

多个二极管，所述多个二极管与所述多个恒流控制电路一一对应，所述多个二极管的阳极分别接收相对应的恒流控制电路中晶体管的控制端电压，其阴极连接至一个公共节点，并在所述公共节点输出所述电压反馈信号。

4.根据权利要求3所述的多路LED恒流驱动电路，其特征在于，所述PWM控制电路包括：

第二运算放大器，所述第二运算放大器的第一输入端接收基准电压信号，第二输入接收所述电压反馈信号，输出误差补偿信号；

所述基准电压信号根据所述晶体管的控制端电压所允许的最大值来设置；

叠加电路，用于将电流采样信号和斜坡信号进行叠加，生成电流反馈信号；

第一比较器，所述第一比较器的第一输入端接收所述误差补偿信号，第二输入端接收所述电流反馈信号，输出比较信号；以及

RS触发器，所述RS触发器的复位端接收所述比较信号，置位端接收一时钟信号，输出端提供所述开关控制信号。

5.一种多路LED恒流驱动电路的控制方法，用于驱动多个输出通道的多路LED灯，所述方法包括：

向多个输出通道提供公共的直流输出电压；

采用多个恒流控制电路，根据相对应的LED灯的电流和基准电流信号调节所述多路LED灯的电流；

采样多个恒流控制电路中晶体管的控制端电压，并选择其中的最大者作为电压反馈信号；

根据所述电压反馈信号和基准电压信号，生成开关控制信号，所述开关控制信号用以调节所述直流输出电压；

产生所述开关控制信号的步骤包括：

将所述电压反馈信号和基准电压信号进行误差放大补偿处理，以获得误差补偿信号；

所述基准电压信号根据所述晶体管的控制端电压所允许的最大值来设置；

将电流采样信号和斜坡信号进行叠加，以获得电流反馈信号；

比较所述误差补偿信号和所述电流反馈信号，以获得比较信号；

根据所述比较信号和一时钟信号，生成所述开关控制信号。