CN107182148A - 一种基于pwm调光的dc‑dc led驱动电路 - Google Patents

一种基于pwm调光的dc‑dc led驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于PWM调光的DC‑DC LED驱动电路，包括DC‑DC转换电路、逻辑电路、误差放大器、补偿电路、占空比信号产生电路及电流采样电阻，补偿电路包括：频率补偿电阻；第一开关管，其栅极接一PWM调光信号端，漏极接误差放大器，源极接占空比信号产生电路；第二开关管，其栅极接PWM调光信号端，漏极接频率补偿电阻；第一频率补偿电容，其正极端接第二开关管的源极；第二频率补偿电容，其正极端接第二开关管的漏极；第三开关管，其漏极接第二开关管的源极，栅极通过一反相器接PWM调光信号端。本发明在避免了长软启动时间影响最低调光频率和小占空比时PWM调光线性的前提下，不会产生PWM调光时的LED电流过冲带来灯损伤和电容噪声等一系列问题。

Description

一种基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路
技术领域
本发明涉及一种DC-DC LED驱动电路，特别是一种基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路。
背景技术
DC-DC LED驱动电路被广泛应用于液晶电视、便携式电子设备和照明等场合，PWM调光技术普遍应用于LED驱动电路中以改变LED的亮度。良好的调光包含有良好的线性度和无电子元件噪音等特性。
DC-DC LED驱动电路一般采用闭环控制方式以实现LED电流的精准控制，并常加软启动的方式使启动过程变得平滑，避免过冲电流对LED等的损伤。软启动一般利用本身环路的低带宽或控制基准电压的缓慢上升等方式来实现。软启动的时间往往比较长，一般在毫秒级别。当用PWM信号进行调光时，较长的软启动时间会影响最小PWM调光工作时间，使得电流还没建立好工作周期就结束了，从而使调光低亮度时线性很差或完全失去控制。
降低PWM调光频率可以改善这个缺点，但若频率降得太低，接近60HZ时人眼就可以感觉到灯闪烁。另一种改善方法如图2所示，为一个BUCK电路的例子，包含LED灯串101'、DC-DC转换电路102'、逻辑电路103'、波形整形电路104'、误差放大器105'、补偿电路106'、占空比信号产生电路107'以及电流采样电阻Rcs'。其中，BUCK功率器件部分102'包括输出电容Co'、输出电感Lo'、输出功率管Mo'以及二极管Do'；逻辑电路103'包括第一或非门NOR1'、第二或非门NOR2'及与门AND'；补偿电路106'包括频率补偿电阻R1'、频率补偿电容C1'以及对补偿电容C1'进行控制的第一开关管M1'。当PWM调光信号为0时通过逻辑电路103'关掉BUCK功率器件部分102'，LED灯串101'的电流下降到0，同时第一开关管M1'关闭，使补偿电容C1'处于浮空态而保持稳态时的电压。下一个PWM调光工作周期开始时，第一开关管M1'开启，灯电流控制环路开始建立。因影响环路响应的主要延迟是由频率补偿电容C1'的充电时间造成，故在PWM调光关断周期关掉DC-DC功率器件和其它必要电路的同时，补偿电容保持PWM调光工作周期频率补偿电容上的电压，因为这个电压对应DC-DC内部的占空比，在下一个PWM调光工作周期开始时，DC-DC有一个初始占空比，省去了补偿电容的充电延迟，从而使LED电流得以快速达到目标值附近。上述改善方法在信号传输特性上，视输入量为基准电压，输出量为LED灯的电流。每个PWM工作周期等效于基准电压的阶跃电压输入，保持补偿电容的电压的功能等效于每个PWM工作周期基准电压的冲击信号输入，冲击信号瞬间把补偿电容充满电荷。所以，在传输特性上，上述方法等效于输出电流对基准电压的阶跃响应和冲击响应的叠加，但不管是BUCK、BOOST或其它拓扑结构，因为有输出电感和输出电容的存在，其频率特性上避免不了尖峰，即冲击响应部分能加快电流的建立，但同时会产生一个很大的尖峰电流，LED电流建立过程中的尖峰电流会超过稳态电流形成电流过冲(如图2)。因此，冲击信号是产生电流过冲的主要原因。LED电流过冲一方面使LED存在损坏的风险，另一方面电容可能产生噪音。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺点，本发明提供一种改进的基于PWM调光的DC-DCLED驱动电路，其在PWM调光占空比小时也能线性良好，且能避免电流过冲损伤LED和引起电容噪音。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，包括DC-DC转换电路、逻辑电路、误差放大器、补偿电路、占空比信号产生电路及电流采样电阻；其中，所述补偿电路包括：
一频率补偿电阻，其一端接所述占空比信号产生电路；
一第一开关管，其栅极接一PWM调光信号端，漏极接所述误差放大器，源极接所述占空比信号产生电路；
一第二开关管，其栅极接所述PWM调光信号端，漏极接所述频率补偿电阻的另一端；
一第一频率补偿电容，其正极端接所述第二开关管的源极，负极端接地；
一第二频率补偿电容，其正极端接所述第二开关管的漏极，负极端接地；以及
一第三开关管，其漏极接所述第二开关管的源极，源极接地，栅极通过一反相器接所述PWM调光信号端。
进一步地，所述DC-DC转换电路包括：
一输出电容，其与一LED负载并联，并且其正极端接一电源输入端；
一输出电感，其一端接所述输出电容的负极端；
一二极管，其负极端接所述电源输入端，正极端接所述输出电感的另一端；
一输出功率管，其漏极接所述输出电感的另一端，源级通过所述电流采样电阻接地，栅极接所述逻辑电路。
进一步地，所述DC-DC转换电路包括：
一输出电感，其一端接一电源输入端；
一二极管，其正极端接所述输出电感的另一端；
一输出电容，其正极端接所述二极管的负极端及一LED负载的正输入端，负极端接地，其中所述LED负载的负输入端通过所述电流采样电阻接地；以及
一输出功率管，其漏极接所述输出电感的另一端，源级接地，栅极接所述逻辑电路。
进一步地，所述逻辑电路包括：
一第一或非门，其第一输入端接一时钟信号端；
一第二或非门，其第一输入端接所述第一或非门的输出端，第二输入端接所述占空比信号产生电路的输出端，输出端接所述第一或非门的第二输入端；以及
一与门，其第一输入端接所述第二或非门的输出端，第二输入端接所述PWM调光信号端。
进一步地，所述误差放大器采用一跨导运算放大器实现，所述跨导运算放大器的正输入端接一基准电压端，负输入端接所述电流采样电阻，输出端接所述第一开关管的漏极。
优选地，所述跨导运算放大器的负输入端与所述电流采样电阻之间连接有一波形整形电路。
进一步地，所述占空比信号产生电路采用一比较器实现，所述比较器的正输入端接一锯齿波信号端，负输入端接所述第一开关管的源极，输出端接所述逻辑电路。
综上所述，本发明为解决PWM小占空比时的线性问题和调光电流过冲的问题，在PWM调光关断周期，使频率补偿电容放掉PWM工作周期的部分电荷，使补偿电容电压保持PWM工作周期的大部分电压，当下一个PWM调光工作周期来临时，补偿电容上的电压从比前一个PWM工作周期低的电位开始建立，根据具体应用参数调整补偿电容放掉的电荷比例，能使LED驱动电路在快速建立电流的同时消除了过冲电流的现象，电流的快速建立使PWM调光能保持良好的线性，无电流过冲避免了损伤LED和引起电容噪音。总之，本发明在PWM关断周期放掉补偿电容的部分电荷的方案，等效于减少了冲击信号的幅度，使冲击响应引起的尖峰电流小于稳态电流，实现输出电流在不产生过冲的同时能得到较快的建立速度。
附图说明
图1是传统基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路的原理图；
图2是图1中关键节点的电压电流时序图；
图3是本发明基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路一个实施例的原理图；
图4是图3中关键节点的电压电流时序图；
图5是本发明基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路另一个实施例的原理图；
具体实施方式
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。
图3示出了本发明一种基于PWM调光的BUCK型DC-DC LED驱动电路，包括LED负载101、DC-DC转换电路102、逻辑电路103、误差放大器105、补偿电路106、占空比信号产生电路107及电流采样电阻Rcs。下面分别对本实施例中各组成部分进行详细描述：
补偿电路106为本发明的核心，其包括：一频率补偿电阻R1，其一端接占空比信号产生电路107；一第一开关管M1，其栅极接一PWM调光信号端以接收一PWM调光信号，漏极接误差放大器105的输出端，源极接占空比信号产生电路107的输入端；一第二开关管M2，其栅极接PWM调光信号端，漏极接频率补偿电阻R1的另一端；一第一频率补偿电容C1，其正极端接第二开关管M2的源极，负极端接地；一第二频率补偿电容C2，其正极端接第二开关管M2的漏极，负极端接地；一第三开关管M3，其漏极接第二开关管M2的源极，源极接地，栅极通过一反相器INV接PWM调光信号端。
DC-DC转换电路102为BUCK型，包括：一输出电容Co，其与LED负载101并联，并且其正极端接一电源输入端以接收一电源输入信号；一输出电感Lo，其一端接输出电容Co的负极端；一二极管Do，其负极端接电源输入端，正极端接输出电感Lo的另一端；一输出功率管Mo，其漏极接输出电感Lo的另一端，源级通过电流采样电阻Rcs接地，栅极接逻辑电路103的输出端。
逻辑电路103包括：一第一或非门NOR1，其第一输入端接一时钟信号端以接收一时钟信号；一第二或非门NOR2，其第一输入端接第一或非门NOR1的输出端，第二输入端接占空比信号产生电路107的输出端，输出端接第一或非门NOR1的第二输入端；一与门AND，其第一输入端接第二或非门NOR2的输出端，第二输入端接PWM调光信号端。
误差放大器105采用一跨导运算放大器实现，该跨导运算放大器的正输入端接一基准电压端以接收一基准电压信号，负输入端通过一波形整形电路104接电流采样电阻Rcs，输出端接第一开关管M1的漏极。
占空比信号产生电路107采用一比较器实现，比较器的正输入端接一锯齿波信号端以接收一锯齿信号，负输入端接第一开关管M1的源极，输出端接逻辑电路103中的第二或非门NOR2的第二输入端。
在本实施例中，当PWM调光信号为0时，通过逻辑电路103关闭DC-DC转换电路，LED负载101的电流下降到0，同时，第一、第二开关管M1、M2断开，使补偿电容C1处于浮空态，反相器INV的输出为1使第三开关管M3打开，将补偿电容C1上的电荷释放掉。下一个PWM调光工作周期开始时，第一、第二开关管M1、M2开启，第三开关管M3关闭，补偿电容C2上的电压比前一个PWM调光工作周期的电压低，LED负载中开始有电流流过。电容C1和C2的容值比例决定了释放掉电压的百分比，释放电压的百分比计算公式为因此，可以根据不同的应用调整这个比例使效果最佳。
图4是PWM调光信号、补偿电容C2的电压和LED负载101的电流的时序波形。从图4可以看出，LED负载101的电流其实也有电流尖峰，这是冲击响应的结果，但是该尖峰小于稳态时的电流，不会形成过冲。可见，本发明在PWM关断周期放掉补偿电容的部分电荷的方法，等效于减少了冲击信号的幅度，使冲击响应引起的尖峰电流小于稳态电流，实现输出电流在不产生过冲的同时能得到较快的建立速度。本发明在避免了长的软启动时间影响最低调光频率和小占空比时PWM调光线性的前提下，不会产生PWM调光时的LED电流过冲带来灯损伤和电容噪声等一系列问题。
应该理解，图3所示的电路只是BUCK DC-DC驱动电路的示例，本发明所作的改进在其它拓扑结构的DC-DC电路中同样有效。如图5所示，为本发明一种基于PWM调光的BOOST型DC-DC LED驱动电路。与第一个实施例的不同之处在于省略了波形整形电路104，最重要的是将DC-DC转换电路102改为BOOST型电路，该BOOST型DC-DC转换电路102同样包括一输出电感Lo、一二极管Do、一输出电容Co及一输出功率管Mo，但是各元件之间的连接关系不同，在此，输出电感Lo的一端接一电源输入端；二极管Do的正极端接输出电感Lo的另一端；输出电容Co的正极端接二极管Do的负极端及一LED负载101的正输入端，负极端接地，其中LED负载101的负输入端通过电流采样电阻Rcs接地；输出功率管Mo的漏极接输出电感Lo的另一端，源级接地，栅极接逻辑电路103。
在本实施例中，驱动电路的工作原理与图3实施例中的工作原理完全相同，因而在此不再赘述。
以上所述的，仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，包括DC-DC转换电路、逻辑电路、误差放大器、补偿电路、占空比信号产生电路及电流采样电阻，其特征在于，所述补偿电路包括：
一频率补偿电阻，其一端接所述占空比信号产生电路；
一第一开关管，其栅极接一PWM调光信号端，漏极接所述误差放大器，源极接所述占空比信号产生电路；
一第二开关管，其栅极接所述PWM调光信号端，漏极接所述频率补偿电阻的另一端；
一第一频率补偿电容，其正极端接所述第二开关管的源极，负极端接地；
一第二频率补偿电容，其正极端接所述第二开关管的漏极，负极端接地；以及
一第三开关管，其漏极接所述第二开关管的源极，源极接地，栅极通过一反相器接所述PWM调光信号端。
2.根据权利要求1所述的基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，其特征在于，所述DC-DC转换电路包括：
一输出电容，其与一LED负载并联，并且其正极端接一电源输入端；
一输出电感，其一端接所述输出电容的负极端；
一二极管，其负极端接所述电源输入端，正极端接所述输出电感的另一端；
一输出功率管，其漏极接所述输出电感的另一端，源级通过所述电流采样电阻接地，栅极接所述逻辑电路。
3.根据权利要求1所述的基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，其特征在于，所述DC-DC转换电路包括：
一输出电感，其一端接一电源输入端；
一二极管，其正极端接所述输出电感的另一端；
一输出电容，其正极端接所述二极管的负极端及一LED负载的正输入端，负极端接地，其中所述LED负载的负输入端通过所述电流采样电阻接地；以及
一输出功率管，其漏极接所述输出电感的另一端，源级接地，栅极接所述逻辑电路。
4.根据权利要求1所述的基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，其特征在于，所述逻辑电路包括：
一第一或非门，其第一输入端接一时钟信号端；
一第二或非门，其第一输入端接所述第一或非门的输出端，第二输入端接所述占空比信号产生电路的输出端，输出端接所述第一或非门的第二输入端；以及
一与门，其第一输入端接所述第二或非门的输出端，第二输入端接所述PWM调光信号端。
5.根据权利要求1所述的基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，其特征在于，所述误差放大器采用一跨导运算放大器实现，所述跨导运算放大器的正输入端接一基准电压端，负输入端接所述电流采样电阻，输出端接所述第一开关管的漏极。
6.根据权利要求5所述的基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，其特征在于，所述跨导运算放大器的负输入端与所述电流采样电阻之间连接有一波形整形电路。
7.根据权利要求1所述的基于PWM调光的DC-DC LED驱动电路，其特征在于，所述占空比信号产生电路采用一比较器实现，所述比较器的正输入端接一锯齿波信号端，负输入端接所述第一开关管的源极，输出端接所述逻辑电路。
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