CN106385734B - 一种电压采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压采样电路，通过将控制电路的参考地端和系统大地端通过采样电阻连接，功率开关管的源极和控制电路参考地端连接，采样电阻的电压检测脚和系统大地端连接。这样当LED电流流过采样电阻时，控制电路得到的采样电压极性为负，然后控制电路通过转换获得采样电压信号的绝对值信息，从而实现对LED电流的控制。采用本发明的控制方案，功率开关管的栅源电压不受采样电阻电压的影响，不会出现驱动电压不足的现象；并且功率开关管的源极无需特殊的ESD处理，减小体积、降低成本；且控制电路从功率开关管的漏极取电时，其工作电流会流经采样电阻，输出电流控制精度高。

Description

一种电压采样电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种电压采样电路及LED驱动电路。

背景技术

传统的LED驱动电路的原理图如图1所示，图1中所示为通过线性的方式控制LED的驱动电流，线性调节器包括功率开关管M01、控制电路101和采样电阻R01。交流输入电压经过整流桥(D01-D04)整流后得到一个两倍工频的脉动直流电压VIN，当所述直流电压VIN大于LED负载的压降(VLED)时，则与LED负载串联的功率开关管M01开始导通，控制电路101的地(如图1中AGND)和系统大地(如图1中SGND)是直接相连的，LED的电流流过采样电阻R01，控制电路101的采样管脚即Rs脚采样到的电压为VRs＝Iout*R01，如此VRs为一正电压。之后，采样电压VRs和基准电压VREF输入至运算放大器的输入端，经过运放调节最后可以得到VRs＝VREF，从而实现对LED电流的控制，其中基准电压VREF为控制电路的内部基准，或电流补偿电路的输出。

设运算放大器的供电电压为VDD(一般为5V)，由于控制电路地和系统大地共地，所以功率开关管M01的栅源电压为：VGS＝VDD-VRs，显然，采样电压VRs越大，则栅源电压VGS越小，然而过小的栅源电压VGS很可能使得功率开关管饱和，使得LED电流较设定值低，不能实现恒流。此外，控制电路的Rs脚和功率开关管M01的源极连接，由于功率开关管M01的栅源耐压较漏源耐压低，所以为了保护功率开关管M01的栅极，该管脚需要特殊的静电释放(ESD)处理。最后，为了降低控制电路的供电损耗，一般控制电路从功率开关管M01的漏极取电，这样控制电路的工作电流会流过LED而不经过采样电阻，影响LED电流的控制精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种电压采样电路及LED驱动电路，通过设置控制电路的参考地端以使得控制电路获得得到的采样电压极性为负，然后通过转换获得采样电压的绝对值信息，从而实现对LED电流的有效控制。

依据本发明的一种电压采样电路，包括控制电路、功率开关管和采样电阻，

所述控制电路的参考地端与所述采样电阻的第一端连接，所述采样电阻的第二端接大地端；

所述功率开关管的源极与所述控制电路的参考地端连接；

所述控制电路的采样端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电阻的第二端的电压信号作为所述控制电路的采样电压信号。

进一步地，所述控制电路包括分压电阻网络和运算放大电路，

所述分压电阻网络的第一端接收参考电压信号，第二端连接所述控制电路的采样端以接收所述采样电压信号，所述分压电阻网络的公立连接点的电压作为第一分压信号传输给所述运算放大电路的第一输入端；

所述运算放大电路的第二输入端连接所述控制电路的参考地端，所述运算放大电路的输出端输出控制信号控制所述功率开关管的开关状态。

进一步地，所述控制电路包括电压电流转换电路和电流误差放大器，

所述电压电流转换电路接收参考电压信号和所述采样电压信号，以转换为相应的参考电流信号和采样电流信号；

所述电流误差放大器接收所述参考电流信号和所述采样电流信号，以进行误差放大运算后输出端输出控制信号控制所述功率开关管的开关状态。

进一步地，所述电压电流转换电路包括电路结构相同的第一电压电流转换电路和第二电压电流转换电路，

所述第一电压电流转换电路接收所述参考电压信号，以转换为所述参考电流信号；

所述第二电压电流转换电路接收所述采样电压信号，以转换为所述采样电流信号。

进一步地，所述第一电压电流转换电路和第二电压电流转换电路均包括第一误差电路、第一开关管、第一电阻和第一电流镜电路，

所述第一电流镜电路、第一开关管和第一电阻依次串联连接在第一电压源和参考地端之间；

所述第一误差电路的第一输入端接收待转换的电压信号，第二输入端连接至所述第一开关管和第一电阻的公共连接端，输出端连接至所述第一开关管的控制端；

进一步地，所述电流误差放大器包括成镜像电路的第二开关管和第三开关管，

所述第二开关管和所述第三开关管的第一极性端均分别通过第一电流源连接至第二电压源；

所述第二开关管和所述第三开关管的第二极性端分别接收所述参考电流信号和所述采样电流信号；

所述第二开关管和所述第一电流源的公共连接点的信号作为所述控制信号传输给所述功率开关管控制端。

优选地，所述参考电压信号为所述控制电路的内部基准电压信号。

优选地，所述控制电路还包括积分控制器，

所述积分控制器接收控制电路的内部基准电压信号和所述采样电压信号，所述积分控制器将所述基准电压信号和所述采样电压信号转换为电流信号后对补偿电容充电，所述补偿电容两端的电压作为所述参考电压信号。

优选地，所述功率开关管、所述采样电阻依次与负载串联连接。

依据本发明的一种LED驱动电路，所述LED驱动电路包括上述的电压采样电路，

外部输入电压经整流桥整流后输出脉动直流电压以驱动LED负载；

所述控制电路产生控制信号控制所述功率开关管的开关状态，以控制所述LED负载的电流。

综上所述，依据本发明一种电压采样电路及LED驱动电路，通过将控制电路的参考地端和系统大地端通过采样电阻连接，功率开关管的源极和控制电路参考地端连接，采样电阻的电压检测脚和系统大地端连接。这样当LED电流流过采样电阻时，控制电路得到的采样电压极性为负。然后控制电路通过转换获得采样电压信号的绝对值信息，从而实现对LED电流的控制。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)采用负压采样方案后，从电路拓扑来看，控制电路参考地端和功率开关管的源极直接相连，这样功率开关管的栅源电压不受采样电阻电压的影响，不会出现背景技术中的栅源电压随着采样电阻电压增加而减小，导致功率开关管驱动电压不足，输出电流减小的现象。

2)由于功率开关管的源极与控制电路参考地端是接在一起的，因此，功率开关管的源极无需特殊的ESD保护处理，可以减小电路体积、降低成本。

3)控制电路从功率开关管的漏极取电时，其工作电流会流经采样电阻而不是LED负载，控制电路供电效率较高的同时可以保证良好的输出电流控制精度。

附图说明

图1为现有技术的LED驱动电路的原理图；

图2所示为依据本发明的LED驱动电路的原理图；

图3所示为依据本发明的控制电路的第一实施例的电路图；

图4所示为依据本发明的控制电路的第二实施例的电路图；

图5所示为图4中V/I电路的一种实现方式；

图6为图4中电流误差放大器的一种实现方式；

图7所示为依据本发明的控制电路的第三实施例的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此。

参考图2为依据本发明的LED驱动电路的原理图，所述LED驱动电路用以驱动LED负载，外部交流输入电压经整流桥(D01-D04)整流后输出脉动直流电压VIN以驱动LED负载。

本发明实施例中，LED驱动电路还包括电压采样电路，如图2所示，所述电压采样电路包括控制电路201、功率开关管M01和采样电阻R01，所述功率开关管M01、采样电阻R01依次与LED负载串联连接；所述控制电路201的参考地端AGND与所述采样电阻R01的第一端连接，所述采样电阻的第二端接大地端SGND；所述功率开关管M01的源极与所述控制电路201的参考地端AGND连接；所述控制电路201的采样端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电阻的第二端的电压信号作为所述控制电路的采样电压信号VRs。这里，大地端指的是LED驱动系统的地端。

显然，通过本发明实施例的设计方案，当LED电流流过采样电阻时，相对于控制电路的参考地端而言，控制电路的采样端获得的采样电压信号极性为负，采样电压信号的计算公式为：VRs＝Iout×R01，控制电路可以对获得的采样电压信号进行转换处理，以获得采样电压信号的绝对值信息，并据此控制LED负载的电流。采用负电压的采样方案，由于功率开关管M01的源极直接连接到参考地端，这样功率开关管M01的栅源电压VGS大小不受采样电阻电压的影响，不会出现驱动电压不足，输出电流减小的现象，此外功率开关管M01的源极无需特殊的ESD处理，并且控制电路201从功率开关管M01的漏极取电时，其工作电流会流经采样电阻，控制电路供电效率较高的同时可以保证良好的输出电流控制精度。

以下将通过实施例介绍控制电路对采样的负电压进行处理的过程，但各实施例只是实现该功能的一种示例，本领域普通技术人员可知，控制电路的实现方案有多种。参考图3所示为依据本发明的控制电路的第一实施例的电路图；所述控制电路201包括分压电阻网络(包括串联的电阻R1和电阻R2)和运算放大电路(运算放大器U1)，所述分压电阻网络的第一端接收参考电压信号VREF，第二端连接所述控制电路的采样端以接收所述采样电压信号VRs，所述分压电阻网络的公立连接点A点的电压VA作为第一分压信号传输给所述运算放大电路的第一输入端(同向输入端)；所述运算放大电路的第二输入端(反向输入端)连接所述控制电路的参考地端AGND，所述运算放大电路的输出端输出控制信号控制所述功率开关管M01的开关状态，所述的开关状态包括导通、截止以及非完全导通的电流调整，在本发明中，主要是调节所述功率开关管M01的栅源电压。

这里，所述参考电压信号VREF可以为控制电路内部的基准电压信号，还可以是通过积分控制器转换处理后的参考电压信号(具体参考图7所示的示例，具体工作过程参见下文中的阐述)，本实施例中以内部的基准电压信号为例进行说明。分压电阻网络中的电阻R1和电阻R2为阻值相同的两个电阻，则运算放大器的同向输入端的电压值为VA＝(VREF+VRs)/2。根据运算放大器的工作原理，若参考电压信号VREF大于采样电压信号的绝对值大小-VRs，则同向输入端的电压VA>0，运算放大器的输出增加，功率开关管M01的栅源电压变大，则输出电流增加，继而使得采样电压信号VRs的绝对值增加，直到采样电压信号稍的绝对值大小-VRs等于参考电压信号VREF；反之亦然，从而实现对LED负载峰值电流的有效控制。

在本发明中，负压采样电路的参考地与应用其LED驱动电路的地端(即系统地)不同电位，负压采样电路的参考地的电位比系统地高，其压差等于采样电阻的压降，也就是说，负压采样电路的参考地的电位随着采样电阻上压降的变化而变化。

参考图4所示为依据本发明的控制电路的第二实施例的电路图，所述控制电路201包括电压电流转换电路和电流误差放大器，这里，所述电压电流转换电路包括电路结构相同的第一电压电流转换电路(如图4中V/I)和第二电压电流转换电路(如图4中-V/I)，所述第一电压电流转换电路接收所述参考电压信号VREF，以转换为所述参考电流信号IREF；所述第二电压电流转换电路接收所述采样电压信号VRs，以转换为所述采样电流信号-IRs。所述电流误差放大器接收所述参考电流信号IREF和所述采样电流信号-IRs，以进行误差放大运算后输出端输出控制信号VG调节所述功率开关管M01的栅源电压。

进一步地，参考图5所示为图4中V/I电路的一种实现方式，所述第一电压电流转换电路和第二电压电流转换电路均包括第一误差电路EA1、第一开关管T1、第一电阻R1和第一电流镜电路(如图5中由开关管T2和开关管T3组成的电流镜电路)。所述第一电流镜电路、第一开关管和第一电阻依次串联连接在第一电压源U1和参考地端AGND之间；所述第一误差电路的第一输入端接收待转换的电压信号V1(如图4中的电压信号VREF或VRs)，第二输入端连接至所述第一开关管和第一电阻的公共连接端，输出端连接至所述第一开关管T1的控制端；所述第一电流镜电路的输出端输出经转换处理的电流信号，根据图5中的电路结构可知，第一电阻R1的电压为V1，则开关管T3的输出电流I1＝V1/R1，由此可实现电压电流的转换。

进一步地，参考图6为图4中电流误差放大器的一种实现方式；所述电流误差放大器包括成镜像电路的第二开关管T4和第三开关管T5，所述第二开关管T4和所述第三开关管T5的第一极性端都分别通过第一电流源(如图6中电流源I)连接至第二电压源U2；第二开关管T4和第三开关管T5为完全相同的开关管，与两者相连的电流源均相等，所述第二开关管和所述第三开关管的第二极性端分别接收所述参考电流信号IREF和所述采样电流信号-IRs；所述第二开关管和所述第一电流源的公共连接点B的信号作为所述控制信号VG传输给所述功率开关管M01控制端。

结合图5和图6的电路图可知，若当采样电流信号-IRs大于参考电流信号IREF，则开关管T5的漏极电压降低，功率开关管M01的栅源电压降低，则采样电阻R01流过的电流减小，采样电压信号VRs的绝对值下降，则相应的采样电流信号-IRs减小，理想情况下电流运放增益无穷大，由此最终可得采样电流信号等于参考电流信号，从而实现了对LED电流的控制。

在本实施例中，若参考电压信号VREF和采样电压信号VRs的转换比例相同，则可得到VREF＝-VRs＝ILED×R01，即当直流电压VIN大于LED压降VLED时，LED电流和参考电压信号成比例。采用本实施例的控制方案，可以避开采样电压干扰控制电路基准电压信号，增强控制电路的抗干扰能力。

参考图7所示为依据本发明的控制电路的第三实施例的电路图，本实施例是在图3或图4实施例的基础上增加了积分控制器，如图7所示，所述积分控制器包括两个V/I转换电路和补偿电容C，两个V/I转换电路分别接收控制电路的内部基准电压信号VREF和所述采样电压信号VRs，以转换为对应的电流信号IREF和IRS，电流信号IREF和IRS对补偿电容C充电，所述补偿电容两端的电压VREF1作为所述参考电压信号。这里，内部基准电压VREF和采样电压信号VRs按一固定比例转换成电流信号IREF和IRs，由于采用电压信号VRs极性为负，所以实际上电流信号IRs是对补偿电容C进行放电，当IREF＝-IRs时，电容总的充电电流为0，则其电压VREF1保持恒定，系统进入稳态电压，VREF1与图3或图4中参考电压信号VREF在后续控制电路中作用相同，最终可得到VREF＝-VRs_ave＝ILED_ave×R01，其中VRs_ave和ILED_ave分别为采样电压信号VRs和LED电流ILED的平均值。本发明实施例中，采用积分控制器可以对直流信号能够实现无静差跟踪，电路控制更加精确。

以上对电压采样电路在LED驱动电路中的应用作了详细说明，但本领域技术人员可知，本发明方案的负电压采样方案可以用于在任何合适的电路中。

以上对依据本发明的优选实施例的电压采样电路及LED驱动电路进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于限定本公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电压采样电路，其特征在于，包括控制电路、功率开关管和采样电阻，

所述控制电路的参考地端与所述采样电阻的第一端连接，所述采样电阻的第二端接大地端；

所述功率开关管的源极与所述控制电路的参考地端连接；

所述控制电路的采样端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电阻的第二端的电压信号作为所述控制电路的采样电压信号；

所述控制电路获得到的采样电压极性为负，然后通过转换获得采样电压的绝对值信息。

2.根据权利要求1所述的电压采样电路，其特征在于，所述控制电路包括分压电阻网络和运算放大电路，

所述分压电阻网络的第一端接收参考电压信号，第二端连接所述控制电路的采样端以接收所述采样电压信号，所述分压电阻网络的公共连接点的电压作为第一分压信号传输给所述运算放大电路的第一输入端；所述公共连接点为所述分压电阻网络中相邻电阻之间的一个公共连接端；

所述运算放大电路的第二输入端连接所述控制电路的参考地端，所述运算放大电路的输出端输出控制信号控制所述功率开关管的开关状态。

3.根据权利要求1所述的电压采样电路，其特征在于，所述控制电路包括电压电流转换电路和电流误差放大器，

所述电压电流转换电路接收参考电压信号和所述采样电压信号，以转换为相应的参考电流信号和采样电流信号；

所述电流误差放大器接收所述参考电流信号和所述采样电流信号，以进行误差放大运算后输出端输出控制信号控制所述功率开关管的开关状态。

4.根据权利要求3所述的电压采样电路，其特征在于，所述电压电流转换电路包括电路结构相同的第一电压电流转换电路和第二电压电流转换电路，

所述第一电压电流转换电路接收所述参考电压信号，以转换为所述参考电流信号；

所述第二电压电流转换电路接收所述采样电压信号，以转换为所述采样电流信号。

5.根据权利要求4所述的电压采样电路，其特征在于，所述第一电压电流转换电路和第二电压电流转换电路均包括第一误差电路、第一开关管、第一电阻和第一电流镜电路，

所述第一电流镜电路、第一开关管和第一电阻依次串联连接在第一电压源和参考地端之间；

所述第一误差电路的第一输入端接收待转换的电压信号，第二输入端连接至所述第一开关管和第一电阻的公共连接端，输出端连接至所述第一开关管的控制端；

所述第一电流镜电路的输出端输出经转换处理的电流信号。

6.根据权利要求3所述的电压采样电路，其特征在于，所述电流误差放大器包括成镜像电路的第二开关管和第三开关管，

所述第二开关管和所述第三开关管的第一极性端均分别通过第一电流源连接至第二电压源；

所述第二开关管和所述第三开关管的第二极性端分别接收所述参考电流信号和所述采样电流信号；

所述第二开关管和所述第一电流源的公共连接点的信号作为所述控制信号传输给所述功率开关管控制端。

7.根据权利要求2或3所述的电压采样电路，其特征在于，所述参考电压信号为所述控制电路的内部基准电压信号。

8.根据权利要求2或3所述的电压采样电路，其特征在于，所述控制电路还包括积分控制器，

所述积分控制器接收控制电路的内部基准电压信号和所述采样电压信号，所述积分控制器将所述基准电压信号和所述采样电压信号转换为电流信号后对补偿电容充电，所述补偿电容两端的电压作为所述参考电压信号。

9.根据权利要求1所述的电压采样电路，其特征在于，所述功率开关管、所述采样电阻依次与负载串联连接。

10.一种LED驱动电路，其特征在于，所述LED驱动电路包括权利要求1-8任一项所述的电压采样电路，

外部输入电压经整流桥整流后输出脉动直流电压以驱动LED负载；

所述控制电路产生控制信号控制所述功率开关管的开关状态，以控制所述LED负载的电流。