CN106255270A - 基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式led恒流驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器，由EMI滤波器、整流器、大电容Cin、RCD吸收电路、反激变压器、功率MOS管、原边采样电阻Rcs、副边二极管D0、输出电容Co、LED、副边导通时间获取模块、LED输出电流估算模块和PWM控制器组成。与现有技术相比，本发明无需光耦器件和辅助绕组，通过检测功率开关管漏极获得副边二极管导通时间信息，以及通过功率MOSFET源极采样获得的原边峰值电流信息，一起输入到PWM控制器，由PWM控制器经过运算获得输出电流信息，从而控制LED输出电流恒定。

Description

基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器

技术领域

本发明涉及一种LED恒流驱动电路，尤其涉及一种基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器。

背景技术

LED具有高亮度、长寿命、亮度稳定且环保等特点，得到了广泛应用。反激式拓扑具有成本低、结构简单等优点，被广泛用于中小功率LED驱动。基于反激式拓扑的LED恒流驱动设计，主要有两种反馈方式：副边反馈和原边反馈。副边反馈利用光耦元件对副边信息进行采样反馈，该反馈模式能精确地控制输出信号，但光耦器件增加了外围器件数目，且存在易老化、温漂大、转换效率逐步衰减等缺点。传统的原边反馈采用辅助绕组解决了副边反馈存在的问题，但采用辅助绕组存在系统体积大，成本高且采样精度不高等缺点。故在此基础上提出了一种基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明由EMI滤波器，桥式整流器，大电容Cin，RCD吸收电路，反激变压器，副边二极管D0，输出电容Co，功率MOSFET开关管，原边采样电阻和反馈控制驱动器IC组成。

所述反馈控制驱动器IC包含副边导通时间信息获取模块，LED输出电流估算模块和PWM控制模块。所述LED输出电流估算模块由LEB、电压跟随器、误差放大器、三个电容和两个电阻以及三个开关组成。

所述副边导通时间信息获取模块包含两个电阻、一个电容和副边导通时间模块，所述副边导通时间模块由一个电容、两个电阻、一个开关、一个反相器、一个比较器和一个上升沿SR触发器组成。

所述LEB由四个反相器、一个与门和一个电容组成。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器，与现有技术相比，本发明通过检测功率开关管漏极获得副边二极管导通时间信息，以及通过功率MOSFET源极采样获得的原边峰值电流信息，一起输入到PWM控制器，由PWM控制器经过运算获得输出电流信息，从而控制LED输出电流恒定。

附图说明

图1是采用辅助绕组的原边反馈反激式LED恒流驱动系统图；

图2是本发明基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器系统图；

图3是基于功率管漏极检测技术的副边导通时间信息获取原理波形图；

图4是副边导通时间模块电路图；

图5是T_dis理论分析波形图；

图6是原边电流和副边电流波形图；

图7是前沿消隐(LEB)电路图；

图8是LEB电路工作原理波形示意图；

图9是仿真得到的几个关键波形图；

图10是在全部输入电压有效值范围内(110V-264V)的输出LED电流波形图；

图11是在全部输入电压有效值范围内(110V-264V)的系统效率波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示为采用辅助绕组的原边反馈反激式LED恒流驱动系统图。

基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器系统如图2所示，本发明由EMI滤波器，桥式整流器，大电容Cin，RCD吸收电路，反激变压器，原边采样电阻Rcs，副边二极管D0，输出电容Co，功率MOSFET开关管，原边采样电阻和反馈控制驱动器IC组成。

所述反馈控制驱动器IC包含副边导通时间信息获取模块，LED输出电流估算模块和PWM控制模块。所述LED输出电流估算模块由LEB、电压跟随器、误差放大器、三个电容和两个电阻以及三个开关组成。

所述副边导通时间信息获取模块包含两个电阻、一个电容和副边导通时间模块，所述副边导通时间模块由一个电容、两个电阻、一个开关、一个反相器、一个比较器和一个上升沿SR触发器组成。

所述LEB由四个反相器、一个与门和一个电容组成。

通过原边采样电阻获取原边峰值电流信息，结合利用副边导通时间Tdis控制的开关获取与输出电流成一定比例的输出电流信息，与基准电压(Vref)比较得到误差信号，该误差信号进入PWM控制模块，产生PWM波控制功率开关管的导通和关断。

副边二极管导通时间信息获取原理

本发明无辅助绕组原边反馈方案让系统工作于断续模式(DCM)，通过检测功率MOSFET漏极电压信息来获得副边二极管导通时间信息，具体原理如下所述。

DCM模式下，功率MOSFET漏极电压Vd的波形如图3(a)所示，功率开关管导通时(此段时间为Ton)，理想情况下电压Vd电压接近于0，当功率开关管由导通到关断瞬间，由于存在原边漏感，其漏极电压Vd将产生一个很大的尖峰，然后稳定在一个定值上，经过Tdis时间(此段时间为功率开关管关断而副边二极管导通时间)后，功率MOSFET开关管和副边二极管都关断(此段时间为死区时间Tdead)，此时，原边电感与功率开关管的寄生电容将会产生振荡。其中，图中Ts为功率开关管工作周期。

因为Vd的直流电压分量较高，芯片中器件不能工作在如此高的电压下，因此将功率开关管的漏极电压信号Vd经过高通滤波(截止频率设计为低于Vd波形中的寄生振荡频率)且电压幅值比例减小电路后输出信号V1，V1的波形如图3(b)所示，当功率开关管由导通到关断瞬间，因为电容两端电压不能突变，电压V1立即升高，随后电容开始放电，直到功率MOSFET开关管和副边二极管都关断，Vd波形中的振荡信号完全通过高通滤波器传送到V1。

经过高通滤波且比例减小后的功率MOSFET漏极电压信号V₁送到副边导通时间电路模块，得到副边导通时间T_dis。设计的副边导通时间模块电路如图4所示，其中SR为上升沿触发器，该电路的工作原理可以用图5所示的几个波形来示意，其中图5(b)所示的V_Q信号来自于PWM控制模块，V₁经过由V_Q控制的一个开关，利用电容C5存储电荷，则C5上电压为V₁Ton/Ts，电阻R6和R7起分压作用，可以推得比较器的同相输入端电压值为比较器反相输入端为V₁，经比较器比较得到输出信号V₂，波形如图5(c)所示。V₂输入到上升沿SR触发器复位输入端，V_Q的非信号输入到置位输入端，可得到副边导通时间T_dis，波形如图5(d)所示。

LED输出恒流工作原理

如图2所示，通过原边采样电阻对原边峰值电流采样，得到峰值电压V_cs，则，

V_cs＝I_{p_pk}R_cs (1)

其中，Ι_{p_pk}为原边峰值电流，R_cs为原边采样电阻。

电压V_cs经过一对由副边二极管导通时间T_dis控制的开关，通过R4、C6组成的电路得到其平均值将其输入到误差放大器的反相输入端，误差放大器的同相输入端接参考电压V_ref。由闭环工作原理，只要环路增益足够大，则有，

$V_{ref}\≈I_{p\_pk}{R}_{cs}\frac{T_{dis}}{T_s}---\left(2\right)$

图6所示为一个工作周期内原边电流和副边电流理论工作波形图，其中，V_g为功率开关管的驱动信号，i_pri为原边电流信号，i_sec为副边电流信号，T_dead为死区时间。

设原边线圈匝数为N_p，副边线圈匝数为N_s，则，

N_pI_{p_pk}＝N_sI_{s_pk} (3)

式中，Ι_{s_pk}为副边峰值电流，则LED平均输出电流为，

$I_{LED}=\frac{1}{2}{I}_{s\_pk}\frac{T_{dis}}{T_s}---\left(4\right)$

由(2)、(3)、(4)可得，

$I_{LED}\≈\frac{1}{2}\frac{N_p}{N_s}\frac{V_{ref}}{R_{cs}}---\left(5\right)$

从式(5)可知，只要V_ref和R_cs足够精确，环路增益足够大，则LED输出电流基本恒定。

另外，在图2所示的电路中特别添加了一个前沿消隐电路(LEB，Leading EdgeBlanking)模块。由于功率开关管开启瞬间，原边电流会产生很高的尖峰，一部分尖峰电流来自于漏源电容C_ds放电，另一部分尖峰电流来自于栅极驱动电路对栅源电容充电，为防止误关断功率开关管，设计了LEB电路，如图7所示。图8通过波形图说明了LEB电路模块的工作原理。

仿真验证

本发明用Simplis软件对提出的设计方案搭建的验证电路进行了仿真验证，电气参数如表1所示。

表1电气参数

图9为仿真得到了一些关键波形，V_g为功率开关管栅极电压驱动信号，V₁为功率开关管漏极电压经过高通滤波且信号幅值按比例减小后的电压，T_dis为副边去磁时间，即副边二极管导通时间。从图9中波形可知，通过V₁信号得到了副边导通时间信号。

通过仿真得到了输出LED电流与输入电压有效值的关系，如图10所示，在全部输入电压有效值范围内(110V-264V)，输出电流精度在2.8％范围以内。通过仿真计算得到的系统效率与输入电压有效值的关系如图11所示，可以看到，在全部输入电压有效值范围内，系统效率在89.3％以上。

上述仿真验证结果表明，提出的基于功率管漏极检测的原边反馈技术，能够控制反激式LED驱动器输出较高精度恒定电流，且由于电路实现简单，使得系统的效率较高。但需要说明的是，该仿真仅为验证提出的原边反馈方案，并未充分考虑到实际电路中的各种寄生参数和效应的影响。

本发明提出了一种新颖的基于原边反馈反激式LED恒流驱动设计，无辅助绕组，通过在功率开关管漏极检测原边电感和功率开关管的寄生电容产生的振荡信号，经过高通滤波且信号幅值比例减小电路，由副边导通时间检测电路得到副边二极管导通时间信息。基于该原边反馈检测技术，本发明设计了一个完整的反激式LED恒流驱动器并进行了仿真验证，仿真结果表明，提出的基于功率开关管漏极检测的原边反馈方案能够获得副边二极管导通时间信息，从而，结合原边峰值电流信息可以控制输出恒定电流。相比于其它文献提出的无辅助绕组的原边反馈机制，该方案的一个显著优点是能够保证输出电流的恒流精度而方案本身实现电路却较为简单。另外，由于该方案系统工作于DCM模式，因此系统设计中还可以结合准谐振驱动技术减小功率开关管的损耗，进一步提高系统效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器，其特征在于：由EMI滤波器、整流器、大电容、RCD吸收电路、反激变压器、原边采样电阻、副边二极管、输出电容、功率MOSFET开关管、原边采样电阻和反馈控制驱动器组成。

2.根据权利要求1所述的基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器，其特征在于：所述反馈控制驱动器包括副边导通时间获取模块、LED输出电流估算模块和PWM控制模块，所述LED输出电流估算模块由LEB、电压跟随器、误差放大器、三个电容和两个电阻以及三个开关组成。

3.根据权利要求2所述的基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器，其特征在于：所述副边导通时间获取模块包含两个电阻、一个电容和副边导通时间模块，所述副边导通时间模块由一个电容、两个电阻、一个开关、一个反相器、一个比较器和一个上升沿SR触发器组成。

4.根据权利要求2所述的基于功率管漏极检测技术的原边反馈反激式LED恒流驱动器，其特征在于：所述LEB由四个反相器、一个与门和一个电容组成。