CN105792434B - 一种分段式ac led驱动照明芯片及其启动保护方法 - Google Patents

一种分段式ac led驱动照明芯片及其启动保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分段式AC LED驱动照明芯片及其启动保护方法，包括整流桥电路、降压滤波电路、比例缩小电路、顺时针双稳态迟滞比较电路、内部电源模块、开关逻辑控制模块、启动保护模块、功率开关管模块、分段控制模块、LED灯串、POR模块、保护电路模块，LED灯串分别与整流桥电路、降压滤波电路、比例缩小电路、功率开关管模块连接，内部电源模块连接于降压滤波电路，顺时针双稳态迟滞比较电路分别与比例缩小电路、启动保护模块连接，启动保护模块分别与开关逻辑控制模块、功率开关管模块、POR模块、保护电路模块连接，分段控制模块分别与开关逻辑控制模块、功率开关管模块连接。本发明避免LED在上电或不掉电重启过程中造成逻辑异常和过冲电流。

Description

一种分段式AC LED驱动照明芯片及其启动保护方法
技术领域
本发明涉及分段式AC LED驱动照明的技术领域，尤其是指一种分段式AC LED驱动照明芯片及其启动保护方法。
背景技术
LED的输出特性曲线呈指数形式，在高压状态下，微小的电压变化都可能导致流过LED的电流激变，烧坏LED负载。分段式AC LED驱动芯片由市电全波整流后得到的脉动电压直接驱动，因此需要精确地控制在每个电压波段内点亮LED负载的个数，否则会烧坏LED负载。在驱动芯片内部电源上电过程中，由于未能给芯片提供所需的电源电压，芯片内部不能提供有效的基准电源，因此在上电过程中容易造成开关逻辑紊乱和控制分段的比较电路不能正常工作等问题，会产生较大的尖峰电流。此外，芯片处理完过温和过流等异常情况后，需要重新返回到正常的逻辑状态，若不考虑输入电压的大小，逐个点亮LED灯串也可能导致较大的尖峰电流。因此，芯片中必须加入启动保护电路，严格控制上电和不掉电重启过程，避免过大的尖峰电流烧坏LED负载。
目前，启动保护电路包括两大类：片内启动保护电路与片外启动保护电路。片外启动保护电路可采用保险管的形式，但是保险管是一次性的，如果启动时烧坏，就需要重新更换。为了避免更换，可采用自恢复保险管，自恢复保险管又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC，自恢复保险管无法集成在芯片内部且其成本较高，不是理想的解决方案。片内启动保护电路大多用于AC/DC驱动方案中控制输出电压与电流缓慢上升，没有应用于AC直接驱动方案中启动时控制流过LED电流的功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分段式AC LED驱动照 明芯片及其启动保护方法，避免LED在上电或不掉电重启过程中造成逻辑异常和过冲电流。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案，如下：
一种分段式AC LED驱动照明芯片，包括整流桥电路、降压滤波电路、比例缩小电路、顺时针双稳态迟滞比较电路、内部电源模块、开关逻辑控制模块、启动保护模块、功率开关管模块、分段控制模块、LED灯串、POR模块、保护电路模块，所述LED灯串分别与整流桥电路、降压滤波电路、比例缩小电路、功率开关管模块连接，所述内部电源模块连接于降压滤波电路，所述顺时针双稳态迟滞比较电路分别与比例缩小电路、启动保护模块连接，所述降压滤波电路、比例缩小电路共同接地，所述启动保护模块分别与开关逻辑控制模块、功率开关管模块、POR模块、保护电路模块连接，所述分段控制模块分别与开关逻辑控制模块、功率开关管模块连接；所述整流桥电路将市电全波整流，得到的周期性高压脉动电压VBR直接用于驱动LED灯串；所述降压滤波电路对脉动电压VBR进行降压滤波后，再由内部电源模块进行稳压，为芯片内部电路提供所需的电源电压VDD；所述比例缩小电路将高压脉动电压VBR缩小为具有相同相位的低压脉动电压LV_VBR；所述顺时针双稳态迟滞比较电路设置0和LV_VBR的波峰值为两个阈值电压点，通过判断LV_VBR的波峰/波谷，输出方波信号UD；所述启动保护模块采用带有使能端的边沿触发器，检测输出方波信号UD的上升沿，并结合POR模块以及保护电路模块共同给出的使能信号EN，来控制功率开关管模块正常工作；所述分段控制模块结合开关逻辑控制模块来控制功率开关管模块，用于将VBR电压的一个周期分为不同的波段，在不同波段内点亮不同数目的LED灯串；所述功率开关管模块为分段后的电压波段提供不同的导通通路，在不同的波段内，点亮不同个数的LED灯串。
所述POR模块输出上电复位信号POR，其在芯片上电完毕前的某一瞬间由 低电平变成高电平，不仅完成数字逻辑块的复位操作，还跟保护电路模块共同给出启动保护模块的使能信号；当芯片尚未完成上电，POR为低电平，此时启动保护模块的使能信号EN无效，断开功率开关管模块中所有的功率管开关；当芯片上电完毕，POR变为高电平，为数字逻辑控制电路进行相应的复位操作，保证数字逻辑状态处于正确的起始状态。
所述保护电路模块在芯片电路出现异常情况时，输出SHUT_DOWN信号为高电平，启动保护模块的使能信号EN无效，关断功率开关模块中所有的开关；待芯片处理完异常情况后需要重启芯片，保护电路模块输出SHUT_DOWN信号为低电平。
所述降压滤波电路采用阻容降压滤波方式，将VBR电压转化为大于VDD电压的脉动电压，再由内部电源模块产生一个稳定的芯片电源电压。
所述比例缩小电路采用电阻分压结构，将高压VBR电压转化为具有相同波形和相位的低压LV_VBR信号。
本发明所述的分段式AC LED驱动照明芯片的启动保护方法，如下：
采用整流桥电路将市电全波整流，输出周期性高压脉动电压VBR，通过降压滤波电路和内部电源模块，将VBR电压转化成芯片内部电路所需的电源电压，此过程称为上电过程；上电后，比例缩小电路将高压VBR电压转化为具有相同波形和相位的低压LV_VBR信号，采用顺时针双稳态迟滞比较电路将LV_VBR信号转换为方波信号UD，当LV_VBR从波谷0变化到波峰时，顺时钟双稳态迟滞比较电路输出信号UD为高电平；当LV_VBR从波峰变化到波谷时，顺时钟双稳态迟滞比较电路输出信号UD为低电平；POR模块不仅对芯片中的数字逻辑电路进行上电复位操作，还结合保护电路模块共同为启动保护模块提供使能信号EN；在上电过程中，POR为低电平，通过启动保护模块控制功率开关模 块中所有开关都关断，从而保证在上电过程中不存在尖峰电流；若芯片电路出现过压、过流、过温、短路异常情况，保护电路模块输出SHUT_DOWN为高电平，通过启动保护模块及时断开功率开关管模块中所有开关，从而关断所有LED通道；芯片处理完异常情况，保护电路模块输出SHUT_DOWN变为低电平；POR模块与保护电路模块两者相结合共同作用启动保护模块，具体表现为：若上电未完毕或者芯片电路中出现过压、过流、过温、短路异常情况，即POR＝0，或SHUT_DOWN＝1，启动保护模块控制功率开关管模块断开所有开关；只有当上电完毕并且电路中没有出现异常，即POR＝1并且SHUT_DOWN＝0，启动保护模块在上电完毕或不掉电重新启动的下一个周期，将开关逻辑控制模块的输出传递到功率开关管模块中，功率开关进入正常的逻辑状态，不再受到启动保护模块的控制；由于下一周期起始于VBR的波谷位置，电压从0开始增加，因此无尖峰电流流过LED灯串；在此之前，启动保护模块仍然控制功率开关模块的所有开关处于断开的状态，避免开关突然开启所造的尖峰电流。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明提出了一种通过检测波谷位置启动和控制芯片电路进入正常逻辑状态的技术方案，避免LED在上电或不掉电重启过程中造成逻辑异常和过冲电流。在芯片上电过程中，由于未能给芯片提供所需的电源电压，芯片内部不能产生有效的内部基准，因此在上电过程中控制开关的逻辑状态容易发生异常，造成过冲电流。芯片进行不掉电重启过程中，如不考虑输入电压大小，贸然启动芯片也容易导致过冲电流。本发明可在上电和不掉电重启过程中断开所有LED通道的控制开关，控制芯片在过程结束的下一周期才开始进入正常的逻辑状态，这样可避免开关逻辑紊乱，使LED负载电流从零开始，避免过冲电流对LED造成损伤。
附图说明
图1为本发明的分段式AC LED驱动照明芯片框图。
图2为市电整流后电压VBR波形、顺时针双稳态迟滞比较电路输出方波信号UD波形、POR模块输出信号POR，保护电路模块输出信号SHUT_DOWN和启动保护模块的输出信号波形组合示意图。
图3为启动保护模块的电路结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的分段式AC LED驱动照明芯片，包括整流桥电路1、降压滤波电路2、比例缩小电路3、顺时针双稳态迟滞比较电路4、内部电源模块5、开关逻辑控制模块6、启动保护模块7、功率开关管模块8、分段控制模块9、LED灯串10、POR模块11、保护电路模块12，所述LED灯串10分别与整流桥电路1、降压滤波电路2、比例缩小电路3、功率开关管模块8连接，所述内部电源模块5连接于降压滤波电路2，所述顺时针双稳态迟滞比较电路4分别与比例缩小电路3、启动保护模块7连接，所述降压滤波电路2、比例缩小电路3共同接地，所述启动保护模块7分别与开关逻辑控制模块6、功率开关管模块8、POR模块11、保护电路模块12连接，所述分段控制模块9分别与开关逻辑控制模块6、功率开关管模块8连接。
启动保护模块7采用带有使能端的边沿触发器，检测顺时针双稳态迟滞比较电路4输出方波信号UD的上升沿，结合POR模块11以及保护电路模块12共同给出的使能信号EN，在上电完毕前或者芯片电路中出现异常等情况，关断功率开关管模块8中所有开关，直至上电完毕或不掉电重启的下一周期到来，才将开关逻辑控制模块6的输出信号传递到功率开关管模块8中,控制开关正常工作。
降压滤波电路2采用阻容降压滤波方式，将VBR电压转化为大于VDD电压的 脉动电压，再由内部电源模块5产生一个稳定可靠的芯片电源电压。
比例缩小电路3采用电阻分压结构，将高压VBR电压转化为具有相同波形和相位的低压LV_VBR信号。
顺时针双稳态迟滞比较电路4设置0和LV_VBR的波峰值为两个阈值电压点；当LV_VBR从波谷0变化到波峰时，顺时针双稳态迟滞比较电路4输出高电平；当LV_VBR从波峰变化到波谷时，顺时针双稳态迟滞比较电路4输出低电平，因此当检测到UD的上升沿时，便可判断为波谷，反之，检测到下降沿时即可判别为波峰。
分段控制模块9用于将VBR电压的一个周期分为不同的波段，在不同波段内点亮不同数目的LED灯串10。
功率开关管模块8为分段后的电压波段提供不同的导通通路，在不同的波段内，点亮不同个数的LED灯串10。
POR模块11不仅用于产生上电复位信号POR，保证数字时序逻辑电路处于正确的起始状态，还跟保护电路模块12相结合，共同为启动保护模块7提供使能信号EN。当芯片尚未完成上电，POR为低电平，此时启动保护模块7的使能信号EN无效，断开功率开关管模块8中所有的功率管开关。当芯片上电完毕，POR变为高电平，为数字逻辑控制电路进行相应的复位操作，保证数字逻辑状态处于正确的起始状态。
保护电路模块12在芯片电路出现过压、过流、过温、短路等异常情况，输出SHUT_DOWN信号为高电平，启动保护模块7的使能信号EN无效，关断功率开关模块8中所有的开关；待芯片处理完异常情况后需要重启芯片，保护电路模块12输出SHUT_DOWN信号为低电平。
POR模块11与保护电路模块12两者相结合共同作用启动保护模块7。具体表现为：若芯片未完成上电或者芯片电路中出现过压、过流、过温、短路等异 常情况，即POR＝0，或SHUT_DOWN＝1，启动保护模块7的使能信号EN无效，控制功率开关管模块8断开所有开关；只有当芯片完成上电并且电路中没有出现上述异常，即POR＝1并且SHUT_DOWN＝0，启动保护模块7在下一个周期，将开关逻辑控制模块6的输出传递到功率开关管模块8中，功率开关进入正常的逻辑状态。在此之前，启动保护模块7仍然保持功率开关管模块8中所有的开关都处于关断状态，从而避免出现尖峰电流。
工作时，整流桥电路1将市电整流，输出周期性高压脉动电压VBR，直接驱动LED灯串，并通过降压滤波电路2和内部电源模块5为芯片内部提供电源电压VDD。比例缩小电路3将高压VBR电压转化为具有相同波形和相位的低压LV_VBR信号。采用顺时针双稳态迟滞比较电路4将LV_VBR信号转换为方波信号，当LV_VBR从波谷0变化到波峰时，顺时针双稳态迟滞比较电路4输出信号UD是高电平；当LV_VBR从波峰变化到波谷时，顺时针双稳态迟滞比较电路4输出信号UD是低电平，所以在VBR电压波谷处，顺时针双稳态迟滞比较电路4输出信号UD处于上升沿阶段。POR模块11输出信号POR与保护电路模块12输出信号SHUT_DOWN取反后进行相与，作为启动保护模块7的使能信号EN。当EN＝0时，即POR＝0或SHUT_DOWN＝1，启动保护模块7控制功率开关模块8的所有开关信号S1～SN都为低电平，关断所有的功率开关管；当EN＝1时，即POR＝1并且SHUT_DOWN＝0，启动保护模块7在波谷检测信号UD的上升沿尚未到来之前，功率开关管模块8的开关仍保持低电平；在UD上升沿到来后，开关逻辑进入正常逻辑状态，有S1＝SC1，S2＝SC2，···，SN＝SCN。芯片是在输入电压VBR的波谷处进入正常的逻辑状态，此时流过LED的电流很小，无尖峰电流对LED造成冲击。至此，完成了启动保护的功能。其中，市电整流后电压VBR波形、顺时针双稳态迟滞比较电路输出方波信号UD波形、POR模块输出信号POR，保护电路模块输出信号SHUT_DOWN和启动保护模块的输出信号波形如图2所示。
图3为启动保护模块的内部结构框图。其中，边沿触发器为带使能端的D触发器，但并不局限于D触发器。在使能信号EN为低电平时，D触发器输出节点A为低电平，因此节点A与开关逻辑控制模块6的输出信号SC1～SCN相与之后，得到功率开关管模块8的控制信号S1～SN均为低电平。在使能信号EN为高电平时，时钟信号UD的上升沿尚未到来，节点A仍然保持低电平，因此功率开关管模块8的控制信号S1～SN仍保持为低电平。在使能信号EN为高电平时，检测到时钟信号UD到来，D触发器将高电平输出到节点A，因此节点A与开关逻辑控制模块6的输出信号SC1～SCN相与之后，得到功率开关管模块8的控制信号有S1＝SC1，S2＝SC2，···，SN＝SCN。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分段式AC LED驱动照明芯片，其特征在于：包括整流桥电路(1)、降压滤波电路(2)、比例缩小电路(3)、顺时针双稳态迟滞比较电路(4)、内部电源模块(5)、开关逻辑控制模块(6)、启动保护模块(7)、功率开关管模块(8)、分段控制模块(9)、LED灯串(10)、POR模块(11)、保护电路模块(12)，所述LED灯串(10)分别与整流桥电路(1)、降压滤波电路(2)、比例缩小电路(3)、功率开关管模块(8)连接，所述内部电源模块(5)连接于降压滤波电路(2)，所述顺时针双稳态迟滞比较电路(4)分别与比例缩小电路(3)、启动保护模块(7)连接，所述降压滤波电路(2)、比例缩小电路(3)共同接地，所述启动保护模块(7)分别与开关逻辑控制模块(6)、功率开关管模块(8)、POR模块(11)、保护电路模块(12)连接，所述分段控制模块(9)分别与开关逻辑控制模块(6)、功率开关管模块(8)连接；所述整流桥电路(1)将市电全波整流，得到的周期性高压脉动电压VBR直接用于驱动LED灯串(10)；所述降压滤波电路(2)对脉动电压VBR进行降压滤波后，再由内部电源模块(5)进行稳压，为芯片内部电路提供所需的电源电压VDD；所述比例缩小电路(3)将高压脉动电压VBR缩小为具有相同相位的低压脉动电压LV_VBR；所述顺时针双稳态迟滞比较电路(4)设置0和LV_VBR的波峰值为两个阈值电压点，通过判断LV_VBR的波峰/波谷，输出方波信号UD；所述启动保护模块(7)采用带有使能端的边沿触发器，检测输出方波信号UD的上升沿，并结合POR模块(11)以及保护电路模块(12)共同给出的使能信号EN，来控制功率开关管模块(8)正常工作；所述分段控制模块(9)结合开关逻辑控制模块(6)来控制功率开关管模块(8)，用于将VBR电压的一个周期分为不同的波段，在不同波段内点亮不同数目的LED灯串(10)；所述功率开关管模块(8)为分段后的电压波段提供不同的导通通路，在不同的波段内，点亮不同个数的LED灯串(10)。
2.根据权利要求1所述的一种分段式AC LED驱动照明芯片，其特征在于：所述POR模块(11)输出上电复位信号POR，其在芯片上电完毕前的某一瞬间由低电平变成高电平，不仅完成数字逻辑块的复位操作，还跟保护电路模块(12)共同给出启动保护模块(7)的使能信号；当芯片尚未完成上电，POR为低电平，此时启动保护模块(7)的使能信号EN无效，断开功率开关管模块(8)中所有的功率管开关；当芯片上电完毕，POR变为高电平，为数字逻辑控制电路进行相应的复位操作，保证数字逻辑状态处于正确的起始状态。
3.根据权利要求1所述的一种分段式AC LED驱动照明芯片，其特征在于：所述保护电路模块(12)在芯片电路出现异常情况时，输出SHUT_DOWN信号为高电平，启动保护模块(7)的使能信号EN无效，关断功率开关模块(8)中所有的开关；待芯片处理完异常情况后需要重启芯片，保护电路模块(12)输出SHUT_DOWN信号为低电平。
4.根据权利要求1所述的一种分段式AC LED驱动照明芯片，其特征在于：所述降压滤波电路(2)采用阻容降压滤波方式，将VBR电压转化为大于VDD电压的脉动电压，再由内部电源模块(5)产生一个稳定的芯片电源电压。
5.根据权利要求1所述的一种分段式AC LED驱动照明芯片，其特征在于：所述比例缩小电路(3)采用电阻分压结构，将高压VBR电压转化为具有相同波形和相位的低压LV_VBR信号。
6.一种权利要求1所述分段式AC LED驱动照明芯片的启动保护方法，其特征在于：采用整流桥电路(1)将市电全波整流，输出周期性高压脉动电压VBR，通过降压滤波电路(2)和内部电源模块(5)，将VBR电压转化成芯片内部电路所需的电源电压，此过程称为上电过程；上电后，比例缩小电路(3)将高压VBR电压转化为具有相同波形和相位的低压LV_VBR信号，采用顺时针双稳态迟滞比较电路(4)将LV_VBR信号转换为方波信号UD，当LV_VBR从波谷0变化到波峰时，顺时钟双稳态迟滞比较电路(4)输出信号UD为高电平；当LV_VBR从波峰变化到波谷时，顺时钟双稳态迟滞比较电路(4)输出信号UD为低电平；POR模块(11)不仅对芯片中的数字逻辑电路进行上电复位操作，还结合保护电路模块(12)共同为启动保护模块(7)提供使能信号EN；在上电过程中，POR为低电平，通过启动保护模块(7)控制功率开关模块(8)中所有开关都关断，从而保证在上电过程中不存在尖峰电流；若芯片电路出现过压、过流、过温、短路异常情况，保护电路模块(12)输出SHUT_DOWN为高电平，通过启动保护模块(7)及时断开功率开关管模块(8)中所有开关，从而关断所有LED通道；芯片处理完异常情况，保护电路模块(12)输出SHUT_DOWN变为低电平；POR模块(11)与保护电路模块(12)两者相结合共同作用启动保护模块(7)，具体表现为：若上电未完毕或者芯片电路中出现过压、过流、过温、短路异常情况，即POR＝0，或SHUT_DOWN＝1，启动保护模块(7)控制功率开关管模块(8)断开所有开关；只有当上电完毕并且电路中没有出现异常，即POR＝1并且SHUT_DOWN＝0，启动保护模块(7)在上电完毕或不掉电重新启动的下一个周期，将开关逻辑控制模块(6)的输出传递到功率开关管模块(8)中，功率开关进入正常的逻辑状态，不再受到启动保护模块(7)的控制；由于下一周期起始于VBR的波谷位置，电压从0开始增加，因此无尖峰电流流过LED灯串(10)；在此之前，启动保护模块(7)仍然控制功率开关模块(8)的所有开关处于断开的状态，避免开关突然开启所造的尖峰电流。
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