CN105792435A - 恒流控制器集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流控制器集成电路，其内部设有误差放大电路、模式电路以及逻辑控制电路，所述集成电路具有一与所述模式电路连接的多功能管脚(VS)。该控制器集成电路采用全闭环控制技术，实现了既可以兼容有输出电容的传统应用，也可以兼容无输出电容高可靠性、超低成本应用；还可以兼容连续模式，保持光源高光效。

Description

恒流控制器集成电路

技术领域

本发明涉及恒流控制器，具体而言，涉及一种降压型恒流控制器集成电路，包含所述集成电路的恒流源负载驱动装置，以及包含所述驱动装置的照明灯具。

背景技术

作为新一代的照明光源，发光二极管(LED)逐渐得到广泛应用。针对目前用作LED主力驱动电源的开关电源，在市场初期，出现了多款专业的LED恒流开关电源控制器。逐渐成熟的驱动集成电路大大促进了LED照明市场的启动和成长。随着中低端市场的出货量迅速上升，市场对LED驱动电源的成本和性能又提出新的要求。

图1示出了现有的降压型LED恒流驱动电路。图2为该驱动电路的工作波形图。参照图1、图2，当驱动器205输出的DRV信号从低变为高后，功率开关105闭合，通过检测电阻106给电感108充电，电感电流从零开始增加。当检测电阻106的两端电压增加到比参考电压VREF1(一般500mV左右)大时，峰值比较器206的输出信号变为高。该高输出信号送到RS触发器202的复位端，使得DRV信号从高变为低，也就断开功率开关105。这段时间是电感电流的上升阶段。电感电流不能突变，这就意味着当功率开关105断开后，电感108的电流会有一个逐渐下降的过程，二极管107为电感提供了续流闭合通路。电感电流下降的快慢主要由两个因素决定，一是电感量；二是负载电压VOUT的高低。具体而言，电感量越大，电感电流下降得越慢；负载电压VOUT越低，电感电流下降越慢。当电感电流下降到零后，电感108两端的电压会变为零。电阻109、110主要用于监测电感108的端电压。当电阻109所分的电压小于VREF2(一般比较小，比如300mV)时，谷值比较器204的输出信号将从高变低，使得RS触发器202的输出信号变为高，通过驱动器205使功率开关105再次闭合，又开始一个新的周期。

参照图2，电感电流的波形为三角波，其谷值为零，峰值为VREF1除以检测电阻106的阻值。不难看出，电路输出电流的平均值为电感电流的平均值，也就是其峰值电流的一半。输出电流的表达式如下。

I_OUT＝0.5*VREF1/R₁₀₆

参照图1，当LED负载112开路后，输出电压VOUT会不断上升。为了安全起见，通常都要限制VOUT的最高电压。比较器203、开路限压保护电路201用以实现这一功能。参考电压VREF3比参考电压VREF1高许多，前者一般在1.5V到3V之间；而后者一般在0.5V以下。

图1所示驱动电路是一个开环系统，其恒流精度受多方面因素影响，比如输入电压的高低、输出电压的高低，还有工作频率高低，以及电感108的性能好坏。因此，通常情况下，这种电路架构需要设置一输入输出调整补偿电路207。此外，稳压二极管208对控制器200的电源端(VCC管脚)起着限压的作用，以避免VCC电压过高而损坏控制器200内部的器件。

本领域技术人员了解，恒流驱动电路具有三种工作模式，即，连续模式、断续模式、临界模式。具体而言，若电感电流的谷值大于零，这种工作状态称为连续模式(CCM)；若电感电流的谷值等于零，且停留一段时间，这种工作状态称为断续模式(DCM)；若电感电流的谷值等于零，但不停留，这种工作状态称为临界模式(CRM)。

图1所示驱动电路工作在临界模式，系统效率较高。同时，该驱动电路具有开路保护功能，成本也低廉，总体性能尚可。但是，该驱动电路存在以下缺陷，一是采用开环控制技术，恒流性能一般；二是只能工作在临界模式，不能工作在连续模式，有一定局限性。再者，该驱动电路的成本还有着下降的空间。我们知道，不断降低成本是市场不变的追求。

发明内容

针对现有降压型LED恒流驱动电路的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种新的恒流控制器集成电路架构，可兼容多种工作模式，以最大程度地满足LED照明工业界的不同需求。

根据本发明的第一方面，提供一种恒流控制器集成电路，其内部设有误差放大电路、模式电路以及逻辑控制电路，所述集成电路具有一与所述模式电路连接的管脚(VS)，其中，误差放大电路基于来自外部功率转换级的电感电流检测信号，确定所述电感电流的平均电流，以及产生一经放大的误差信号；模式电路基于来自所述管脚(VS)的信号，产生一模式信号；逻辑控制电路包括：峰值比较器，将所述电感电流检测信号与所述经放大的误差信号进行比较，产生第一输出信号；谷值比较器，将所述电感电流检测信号与所述模式信号进行比较，产生第二输出信号；触发器，基于所述第一输出信号控制所述功率转换级中功率开关的断开，基于所述第二输出信号控制所述功率开关的闭合。

在第一方面中，优选的是，所述模式电路包括第一比较器，其一输入端接收来自所述管脚(VS)的信号，另一输入端接收第一参考信号，其输出信号用以选择表示连续模式或者临界模式的模式信号。

优选的是，所述逻辑控制电路还包括第二比较器和开路限压保护电路，其中，第二比较器，一输入端与所述管脚(VS)连接，接收来自管脚(VS)的信号；另一输入端接收第二参考信号，其输出端连接所述开路限压保护电路的使能端；所述开路限压保护电路的禁止端接收所述模式电路中第一比较器的输出信号。

优选的是，所述误差放大电路包括误差放大器、积分电阻以及积分电容，其中，误差放大器，第一输入端经积分电阻接收所述电感电流检测信号，第二输入端接收第三参考信号，其输出端产生所述经放大的误差信号；积分电容，一端连接所述误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接所述误差放大器的输出端。

根据第二方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，包括上述第一方面中所述的集成电路、功率转换级、第一电阻以及第二电阻，所述功率转换级包括功率开关、检测电阻、续流二极管以及由电感元件与电容元件构成的滤波器，以将高输入直流电压转换成低输出直流电压，提供给所述恒流源负载，其中，功率开关，其漏极与输入电压源连接，其源极经所述检测电阻与所述电感元件连接；续流二极管，其负极连接在所述功率开关的源极与所述检测电阻之间；第一、二电阻，用于检测所述电感元件的端电压，分别连接在所述电感元件的两端，其另一端连接至所述集成电路的管脚(VS)。

根据第三方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，包括上述第一方面中所述的集成电路以及功率转换级，所述功率转换级包括功率开关、检测电阻、续流二极管以及电感元件，以将高输入直流电压转换成低输出直流电压，提供给所述恒流源负载，其中，功率开关，其漏极与输入电压源连接，其源极经所述检测电阻与所述电感元件连接；续流二极管，其负极连接在所述功率开关的源极与所述检测电阻之间，所述集成电路的管脚(VS)用于连接其参考地(GNDIC)。

根据第四方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，包括上述第一方面中所述的集成电路以及功率转换级，所述功率转换级包括功率开关、检测电阻、续流二极管以及电感元件，以将高输入直流电压转换成低输出直流电压，提供给所述恒流源负载，其中，功率开关，其漏极与输入电压源连接，其源极经所述检测电阻与所述电感元件连接；续流二极管，其负极连接在所述功率开关的源极与所述检测电阻之间，所述集成电路的管脚(VS)用于连接其电源端(VCC)。

根据第五方面，提供一种照明灯具，其特征在于，包括上述第二至四方面中所述的装置以及LED负载。

按照本发明，在不增加成本的情况下，恒流控制器集成电路采用全闭环控制技术，实现了既可以兼容有输出电容的传统应用，也可以兼容无输出电容高可靠性、超低成本应用；还可以兼容连续模式，保持光源高光效。本发明将LED恒流控制器的性能提升到一个全新的高度。

附图说明

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中：

图1示出了现有的降压型LED恒流驱动电路；

图2为图1所示驱动电路的工作波形图；

图3示出了本发明一实施例的LED驱动装置；

图4示出了本发明另一实施例的LED驱动装置；

图5示出了本发明又一实施例的LED驱动装置；

图6示出了模式电路310的一种示例结构。

具体实施方式

首先，针对图1所示现有LED恒流驱动电路，进行成本分析，找出可以省略的元件。如图1所示，该驱动电路中，整流器101、电容102用于对50/60Hz交流电整流滤波；功率开关105、续流二极管107和电感108用以实现开关功率转换；电阻103、电容104为控制器200供电，上述元件不可省略。

电阻109、110的作用在于，一是检测输出电压的高低，用于过压保护；二是用于电感零电流检测。电容111是输出滤波电容，用以减小LED的电流纹波。这三个元件中，电容111的成本最高。若能去掉电容111，理论上讲电阻109、110就可以去掉，元件成本可节省0.15元。元件数量少了，电源的体积也会变小。再考虑加工成本和人工成本的相应减少，总成本可下降0.3元到0.5元人民币。追求更低的成本是工业界永恒的主题之一。

接下来分析去掉电容111的优缺点。除了成本更低之外，优点还在于，不会产生LED负载112开短路烧毁的问题。目前，在LED照明工业界，普遍存在着负载112容易出现意外烧毁的情况，其直接原因就在于电容111。在行业内，LED负载112称为光源；图1中除了光源以外，剩余的驱动电路部分，也称做电源。一般而言，光源和电源由不同的厂家生产。这样就存在电源和光源最后组装的问题，再加上照明灯具便于拆装的特殊性，决定了大部分LED灯具的电源和光源通过接插头来实现连接。由此，带来生产时的热插拔问题以及接插头的可靠性问题。它们都有可能导致光源意外过流过热烧毁。所谓热插拔，指在系统正常工作时，将负载112移除，也就是接插头断开。断开后，VOUT电压会不断上升，直至系统检测到输出过压触发过压保护为止。发生过压保护后，VOUT电压一般会维持在高位；如果负载再次接入，系统会再进入正常工作状态，但是危险也就在此时发生。为了留足够的余量，通常情况下，将VOUT过压保护阈值设置得比LED负载112的工作电压高30％到50％，甚至更高。负载开路后，如此高的输出电压使得当负载112再次接入时，会有很大的电流从电容111冲击负载112。考虑到LED的I-V特性，增加30％的电压，将导致瞬间电流增加5倍以上，这是非常危险的。接插头不可靠，也会发生类似于这种热插拔的故障。接插头不可靠可能由于其本身质量不好，接插时好时不好；也可能由于接插头工作在高温环境下，时间长了以后插头塑料会变形，导致接触不良。这样，就可能造成灯具永久性损坏。去掉电容111以后，由于输出没有大能量储存，热插拔和接插头接插不良就不存在任何危险。这是去掉电容111有利的一面。

另一方面，去掉电容111的主要缺点是，会导致LED负载112的电流纹波变大。负载112的电流波形完全与电感108的电流波形一样。图1所示这种架构的恒流驱动电路都是工作在临界模式，电感工作电流的波形是谷值为零的三角波形(如图2所示)。在没有电容111的情况下，负载112的电流波形也是谷值为零的三角波形，纹波系数为2。纹波系数为峰值与谷值之差除以平均值。若存在电容111，LED负载112的电流纹波系数很容易控制在0.1以下。大纹波系数带来的最大问题是，系统光效要下降大约7到9个百分点。光效指每消耗一瓦的能量、系统能发出光的多少。这就意味着，若去掉电容111，相同能量发出的光会减少7到9个百分点，为了发一样亮度的光，光源就需要消耗更多的能量。多出来的能量就转换成热能，使得光源的工作温度更高、工作环境变得更恶劣。如果散热处理不好，光衰会比较快。光衰越大，灯具的寿命越短。

综合以上分析，保留输出电容111可得到最大的光效，对于节能减排有益，但有光源烧毁的危险。去掉电容111可将成本降低0.3元以上，同时最大限度地避免光源烧毁的危险，但光效降低8％左右，对光源散热提出更高的要求，光衰可能变差。

还存在这样一种需求，既不烧光源，又使光源光效维持较高的水平。为此，需要采用以下技术手段，一是取消输出电容，避免光源烧毁的危险；二是使电源控制器工作在连续模式下，减小LED负载112的纹波电流。不过，电源工作在连续模式下，其转换效率会变低，而且电感108、功率开关105需要更大的规格，这样成本就有所上升。

综上，就LED恒流驱动电路而言，可能存在以下三种应用选择。应用之一为，如图1所示应用，存在输出电容，其电源效率、光源光效高，但成本一般，且有烧灯珠的危险。应用之二为，无输出电容，电源效率高，光源光效低，成本低，无烧灯珠的危险。应用之三为，无输出电容，电源效率低，光源光效高，成本一般，无烧灯珠的危险。

本发明的意义在于，创新地提出一种恒流控制器集成电路架构，可兼容以上三种应用，从而最大限度地满足用户对于LED照明的不同需求。

参照图3，图3示出了本发明一实施例的LED驱动装置。该驱动装置中，本发明的恒流控制器集成电路300配置成上述应用之一。该驱动装置还包括功率转换级、电阻109以及电阻110。其中，功率转换级包括功率开关105、检测电阻106、续流二极管107、由电感108与电容111构成的滤波器，用以将高输入直流电压VIN转换成低输出直流电压VOUT，提供给LED负载112。功率开关105的漏极与输入电压VIN连接，其源极经检测电阻106与电感108连接。

在控制器集成电路300的内部，设有误差放大电路320、模式电路310以及逻辑控制电路330。控制器集成电路300具有一多功能管脚VS，管脚VS与模式电路310连接。其中，误差放大电路320基于来自功率转换级的电感电流检测信号IS，确定电感电流的平均电流，并且产生一经放大的误差信号。模式电路310基于来自管脚VS的信号，产生一模式信号。逻辑控制电路330中，峰值比较器206将电感电流检测信号IS与上述经放大的误差信号进行比较，产生输出信号RST；谷值比较器204将电感电流检测信号IS与上述模式信号进行比较，产生输出信号SET；触发器202基于输出信号RST控制功率开关105的断开，基于输出信号SET控制功率开关105的闭合。

对比图3和图1的电路，可以看出，其功率转换级中续流二极管107的负极接法不同。图1中，续流二极管107的负极连接在检测电阻106和电感108之间，这是开环控制的做法，控制器200只需要检测电感电流的峰值(峰值检测法)。而图3中，续流二极管107的负极连接在检测电阻106和功率开关105的源极之间，这是闭环控制的做法，控制器集成电路300需要每时每刻检测电感电流的变化。前者电感电流只有在电流上升期才流过检测电阻106，而后者电感电流在任何时刻都会流过检测电阻106，这是闭环控制的必要条件。

由于采用开环技术，图1中控制器200的内部，设有输入输出调整补偿电路(input/outputregulationcompensationcircuit)207。开环电路具有结构简单的优点，但是控制精度毕竟有限，输入电压与输出电压的变化都会影响输出电流的精度，因此设有一补偿电路进行必要的修正。图3电路采用闭环技术，所以不需要设置上述输入输出调整补偿电路。

图3的控制器集成电路300中，模式电路310为兼容临界模式和连续模式而设置。通过多功能管脚VS的不同接法，可以使控制器工作在临界模式，或者工作在连续模式。参照图6，图6示出了模式电路310的一种示例结构。模式电路310中，比较器311的正输入端接收来自管脚VS的信号；负输入端接收参考电压VREF4；其输出端与MOS开关312的栅极连接，并且通过反相器313与MOS开关314的栅极连接。由此，比较器311的输出信号用以选择表示连续模式的模式信号VREF5，或者选择表示临界模式的模式信号VREF6。经选择的模式信号被送到逻辑控制电路330中的谷值比较器204。

逻辑控制电路330中，峰值比较器206、谷值比较器204的连接亦与图1不同。图1中，峰值比较器206的负输入端连接一固定参考电压(比如400mV)；谷值比较器204的正输入端连接管脚VS，其负输入端连接一固定参考电压(比如300mV)。而图3中，峰值比较器206的负输入端与误差放大电路320的输出端连接；谷值比较器204的正输入端连接IS管脚，其负输入端接收来自模式电路310的模式信号。值得注意的是，图1中，开路限压保护电路和谷值比较器共享管脚VS，管脚VS具有两个功能。但是在图3中，谷值电流判断信号来自于IS管脚，即，来自于检测电阻106上真实的电感电流检测信号IS。

图3中，逻辑控制电路330还可以包括比较器203与开路限压保护电路201。其中，比较器203的正输入端与管脚VS连接，接收来自管脚VS的信号；负输入端接收参考电压VREF3；其输出端连接开路限压保护电路201的使能端口ENA。开路限压保护电路201的禁止端口DISA与模式电路310中比较器311的输出端连接，接收其输出信号。当比较器311的输出信号为高时，会关闭开路限压保护电路201。

控制器集成电路300中，误差放大电路320是积分误差放大电路，该电路包括误差放大器321、积分电阻323以及积分电容322。其中，误差放大器321的负输入端经积分电阻323接收电感电流检测信号IS，正输入端接收参考电压VREF7，其输出端产生经放大的误差信号。积分电容322一端连接误差放大器321的负输入端与积分电阻323之间的节点，另一端连接误差放大器321的输出端。误差放大器321将检测电阻106上检测信号的平均值与固定参考电压VREF7(比如200mV)的差放大，误差结果作为电流峰值参考电压送到峰值比较器206。积分电容322、积分电阻323是频率补偿元件。驱动装置的输出电流由以下关系式决定：

I_OUT＝VREF7/R₁₀₆

上式表明，输出电流只与参考电压VREF7、检测电阻106的阻值有关，与其他参数无关，不需要补偿电路。这就是全闭环控制的特点。

图3所示驱动装置中，控制器集成电路300的管脚VS采用传统的接法。电阻109、110用于检测电感108的端电压，分别连接在电感108的两端，这两个电阻的另一端连接至集成电路300的管脚VS。由于开路限压保护电路201的限制，VS电压不会超过参考电压VREF3(比如2V)，也就是VS电压总在2V以下；而参考电压VREF4(例如为VCC-1V)总是大于2V，因此，模式电路310中比较器311的输出总是为零，模式电路310会将比较低的参考电压VREF6(比如10mV)送到谷值比较器204的负输入端，这意味着，电感电流谷值下降到零附近时，功率开关105才会闭合给电感108充电。此时驱动装置工作在临界模式。管脚VS的这种接法使得驱动装置既工作在高效率的临界模式，又可以具有开路限压保护功能。

参照图4，图4示出了本发明另一实施例的LED驱动装置。该驱动装置中，恒流控制器集成电路300配置成上述应用之二。在这一应用中，功率转换级中不再包含输出滤波电容。集成电路300的管脚VS与其参考地(GNDIC管脚)连接。这样，模式电路310中比较器311的输出总是为零，模式电路310会将比较低的参考电压VREF6(比如10mV)送到谷值比较器204的负输入端，这意味着，电感电流谷值下降到零附近时，功率开关105才会闭合给电感108充电。此时驱动装置工作在临界模式。

图5示出了本发明又一实施例的LED驱动装置。该驱动装置中，恒流控制器集成电路300配置成上述应用之三。在该应用中，功率转换级中也不再包含输出滤波电容。如图5所示，集成电路300的管脚VS与其电源端(VCC管脚)连在一起。这种情况下，比较器311的输出总是为高，会将比较高的参考电压VREF5(比如100mV)送到谷值比较器204的负输入端，这样，电感电流谷值还没有到零时，功率开关105又会闭合给电感108充电。此时驱动装置工作在连续模式。如前文所述，比较器311的负输入端连接较高的参考电压VREF4，例如比VCC电压只小1V。这里，参考电压VREF5的大小决定着连续模式的深度。VREF5越小，电感电流的谷值就越小，电感电流的纹波就越大。但是，若将纹波设置过小，会使得电感成本上升太多。为了兼顾性能和成本，一般将纹波系数设置在1或者稍低一点。

可以看出，按照本发明，创新地赋予了管脚VS多功能定义，使其除了具备传统的开路限压保护功能之外，还具备设置恒流驱动装置工作模式的功能。相应地，本发明将电感谷值电流判断从管脚VS剥离出来，结合全闭环控制技术，改为通过IS管脚来实现电感零电流检测。并且，本发明创新提出模式电路，从而具体实现了临界模式和连续模式的功能选择。

在前文的描述中，虽然本发明是以驱动LED负载为例，但是，本领域技术人员易于理解的是，本发明可用于驱动任何一种恒流源负载。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种恒流控制器集成电路，其内部设有误差放大电路、模式电路以及逻辑控制电路，所述集成电路具有一与所述模式电路连接的管脚(VS)，其中，

误差放大电路，基于来自外部功率转换级的电感电流检测信号，确定所述电感电流的平均电流，以及产生一经放大的误差信号；

模式电路，基于来自所述管脚(VS)的信号，产生一模式信号；

逻辑控制电路，包括：

峰值比较器，将所述电感电流检测信号与所述经放大的误差信号进行比较，产生第一输出信号；

谷值比较器，将所述电感电流检测信号与所述模式信号进行比较，产生第二输出信号；以及

触发器，基于所述第一输出信号控制所述功率转换级中功率开关的断开，基于所述第二输出信号控制所述功率开关的闭合。

2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述模式电路包括第一比较器，其一输入端接收来自所述管脚(VS)的信号，另一输入端接收第一参考信号，其输出信号用以选择表示连续模式或者临界模式的模式信号。

3.如权利要求2所述的集成电路，其特征在于，所述逻辑控制电路还包括第二比较器和开路限压保护电路，其中，

第二比较器，一输入端与所述管脚(VS)连接，接收来自管脚(VS)的信号；另一输入端接收第二参考信号，其输出端连接所述开路限压保护电路的使能端；

所述开路限压保护电路的禁止端接收所述模式电路中第一比较器的输出信号。

4.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述误差放大电路包括误差放大器、积分电阻以及积分电容，其中，

误差放大器，第一输入端经积分电阻接收所述电感电流检测信号，第二输入端接收第三参考信号，其输出端产生所述经放大的误差信号；

积分电容，一端连接所述误差放大器第一输入端与积分电阻之间的节点，另一端连接所述误差放大器的输出端。

5.一种驱动恒流源负载的装置，包括权利要求1至4中任一项所述的集成电路、功率转换级、第一电阻以及第二电阻，所述功率转换级包括功率开关、检测电阻、续流二极管以及由电感元件与电容元件构成的滤波器，以将高输入直流电压转换成低输出直流电压，提供给所述恒流源负载，其中，

功率开关，其漏极与输入电压源连接，其源极经所述检测电阻与所述电感元件连接；

续流二极管，其负极连接在所述功率开关的源极与所述检测电阻之间，

第一、二电阻，用于检测所述电感元件的端电压，分别连接在所述电感元件的两端，其另一端连接至所述集成电路的管脚(VS)。

6.一种驱动恒流源负载的装置，包括权利要求1至4中任一项所述的集成电路以及功率转换级，所述功率转换级包括功率开关、检测电阻、续流二极管以及电感元件，以将高输入直流电压转换成低输出直流电压，提供给所述恒流源负载，其中，

功率开关，其漏极与输入电压源连接，其源极经所述检测电阻与所述电感元件连接；

续流二极管，其负极连接在所述功率开关的源极与所述检测电阻之间，

所述集成电路的管脚(VS)用于连接其参考地(GNDIC)。

7.一种驱动恒流源负载的装置，包括权利要求1至4中任一项所述的集成电路以及功率转换级，所述功率转换级包括功率开关、检测电阻、续流二极管以及电感元件，以将高输入直流电压转换成低输出直流电压，提供给所述恒流源负载，其中，

功率开关，其漏极与输入电压源连接，其源极经所述检测电阻与所述电感元件连接；

续流二极管，其负极连接在所述功率开关的源极与所述检测电阻之间，

所述集成电路的管脚(VS)用于连接其电源端(VCC)。

8.一种照明灯具，其特征在于，包括权利要求5至7中任一项所述的装置以及LED负载。