CN107809830B - 一种Buck-boost LED驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Buck‑boost LED驱动电路，适用的照明电路包括电感L1、LED、电容以及续流二极管D1；所述的驱动电路包括:高压MOSFET管以及JFET管、用于产生系统中各模块工作所需的电压的产生电压模块、驱动控制模块以及逻辑控制模块、采样电阻RS、用于计算照明电路中LED的等效电流的CS采样计算模块、内部补偿模块、用于对内部补偿模块产生的COMP电压进行调制的锯齿电压发生器以及用于检测电感在退磁结束后的谐振模式中的波谷的过零检测模块，逻辑控制模块只有在过零检测模块检测到波谷信号时，才打开高压MOSFET管。本发明降低功耗、低谐波，提高了PFC。

Description

一种Buck-boost LED驱动电路

技术领域

本发明涉及LED驱动技术领域，具体涉及一种Buck-boost LED驱动电路。

背景技术

随着半导体技术的快速发展，第四代电光源LED得到了大面积的推广与使用。与传统的电光源相比，LED具有很多不可比拟的优势，如寿命长、效率高、功耗低、亮度高、体积小等优点，因此在照明领域的应用显得尤为突出。LED照明系统包含LED驱动电源与LED灯具两部分，其核心是LED驱动电源。高效节能的大功率LED驱动电源成为业界的一个重要研究方向。

高频化、小型化是目前开关电源设计的一个重要指标。如果驱动电源工作在硬开关模式，其开关频率的提高会产生很大的开关损耗，降低了系统的转换效率。因此旨在减小开关损耗的软开关技术也成为电力电子研究领域里重要的一个研究热点。

谐振变换器，包括串联、并联、串并联谐振变换器等都是常见的软开关变换器。谐振变换器经过合理设计就能够在较宽负载范围内实现开关管的零电压开通，副边整流二极管的零电流关断，从而减小开关管损耗，提高效率。而AC-DC变换采用Buck-Boost拓扑，电路工作在断续模式下，自动实现PFC功能，是一个单开关低阶可升可降变换器电路，实现中间直流母线电压可升可降，降低后级LLC开关管和电容的应力，上述为本发明的背景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可降低损耗的Buck-boost LED驱动电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Buck-boost LED驱动电路，适用的照明电路包括电感L1、LED、电容以及续流二极管D1；所述的驱动电路包括:

-高压MOSFET管以及JFET管，JFTE管的漏极连接直流电源和高压MOSFET管的漏极；

-产生电压模块，与JFET管的栅极和源极连接，用于产生系统中各模块工作所需的电压；

-驱动控制模块以及逻辑控制模块，逻辑控制模块控制驱动控制模块，驱动控制模块用于控制MOSFET管栅极的通断；

-采样电阻RS,一端连接MOSFET管的源极，另一端经电容CP后连接产生电压模块产生的工作电压，且该端部还连接照明电路中电感L1的一端，电感L1的另一端接地；

-CS采样计算模块，连接MOSFET管的源极，用于计算照明电路中LED的等效电流；

-内部补偿模块，连接CS采样计算模块，且输入端还接入基准电压，内部补偿模块还连接一个电容CM,电容CM还连接采样电阻RS；

-锯齿电压发生器，用于对内部补偿模块产生的COMP电压进行调制，产生具有脉宽的电压信号，该电压信号连接逻辑控制模块用于控制高压MOSFET的启闭；

-过零检测模块，用于检测电感L1在退磁结束后的谐振模式中的波谷，当检测到谐振波谷时，发出控制信号给逻辑控制模块，逻辑控制模块只有在过零检测模块检测到波谷信号时，才打开高压MOSFET管。

进一步的，所述CS采样模块包括一个运算放大器，运算放大器的正极接入采样电阻RS 的端部电压，在运算放大器的正极还设置有开关S1，开关S1和运算放大器的正极之间的节点还连接一个电容C1，电容C1接地，运算放大器的输出端设置有开关S2，开关S2连接电阻 R2，电阻R2输出信号OUT，开关S2和电阻R2之间的节点还连接一个开关S3,开关S3接地，电阻R2的输出端还连接一个电容C2，电容C2连接电阻开关S3的接地端。

进一步的，内部补偿模块包括两个运算放大器，其中一个运算放大器的正极接入CS采样模块的输出信号OUT，输出端连接一个MOS管的栅极，该MOS管的源极连接该运算放大器的的负极，且源极接入电阻R2后接地，漏接连接PMOS管M2的源极，且输出COMP电压信号；另一个运算放大器的正极接入基准电压，输出端连接一个MOS管的栅极，该MOS管的源极接入该运算放大器的负极，且接入电阻R1后接地，该MOS管的漏极连接PMOS管M1的源极和栅极，PMOS管M1和PMOS管M2的漏极相连接且接入电压，并且共栅极连接。

从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：检测谐振的波谷才会打开高压MOSFET，这样就可以降低功耗，提高效率；实现了系统自供电，无外围供电系统，简化了外围应用，降低了系统成本。且低谐波，提高了PFC。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2本发明中CS采样的模块的原理图；

图3为图2中个节点的信号波形图；

图4为发明的内部补偿模块的原理原理图；

图5为本发明中流经电阻RS和LED的电流以及图2中节点C的电压的波形图。

图6为本发明中产生电压模块的原理图；

图7为本发明中锯齿电压发生器的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本发明的Buck-boost LED驱动电路，适用的照明电路包括电感L1、LED、电容以及续流二极管D1，电容设置在LED灯组的两端，电容的一端与电感均节点，另一端与电感之间设置续流二极管D1。

所述的驱动电路包括高压MOSFET管、JFET管、产生电压模块、驱动控制模块以及逻辑控制模块、采样电阻RS、CS采样计算模块、内部补偿模块、锯齿电压发生器、过零检测模块。

其中，JFET管的漏极连接直流电源、高压MOSFET管的漏极还有产生电压模块，产生电压模块用于产生系统工作所需的基准电压，供芯片使用的5V电压还有给系统供电的工作电压 VCC，电压产生模块的工作原理如图6所示，其包括一个两个分压电阻RCC1和RCC2以及迟滞比较器和逻辑控制电路，迟滞比较的负极接入基准电压，正极则连接RCC1和RCC2之间的节点，迟滞比较器的输出端连接逻辑控制电路，逻辑控制电路的输出端则连接MOS管M3的栅极， MOS管M3的源极接地，漏极则连接JFET管的栅极，且在进过电阻RD再连接JFET管的源极， JFET管再连接一个二极管后输出电压，二极管的负极的节点还连接一个电容，电容另一端接地，逻辑控制电路还接入DRV驱动信号。

当VCC电压低的情况下，RCC1和RCC2的分压电压小于VREF1，则控制M3的栅电压为低， M3关闭，高压JFET通过二极管给VCC供电。当VCC电压高的情况下，RCC1和RCC2的分压电压大于VREF1，则M3的电压为高电位，M3打开，D点电位拉到地，由于RD的作用高压JFET 的漏端抬高，直到高压JFET的VGS<VTH(高压JFET的VTH为-3V～-5V),使其关断，此时VCC 的电容给系统供电。DRV信号确保高压JFET只有在退磁期间给VCC供电。如此反复。VCC的电压计算如下：

VCC＝(RCC1+RCC2)/RCC2*VREF1；

驱动控制模块以及逻辑控制模块，逻辑控制模块控制驱动控制模块，驱动控制模块用于控制MOSFET管栅极的通断，此处的逻辑控制模块主要为与门，当过零检测COMP信号均满足条件时，再打开MOSFET管。

采样电阻RS,一端连接MOSFET管的源极，另一端经电容CP后连接产生电压模块产生的工作电压，且该端部还连接照明电路中电感L1的一端，电感L1的另一端接地；

CS采样计算模块原理框图如2所示，连接MOSFET管的源极，用于计算照明电路中LED 的等效电流，包括一个运算放大器，运算放大器的正极接入采样电阻RS的端部电压，在运算放大器的正极还设置有开关S1，开关S1和运算放大器的正极之间的节点还连接一个电容C1，电容C1接地，运算放大器的输出端设置有开关S2，开关S2连接电阻R2，电阻R2输出信号 OUT，开关S2和电阻R2之间的节点还连接一个开关S3,开关S3接地，电阻R2的输出端还连接一个电容C2，电容C2连接电阻开关S3的接地端。

CS采样计算的工作原理如下：当高压MOSFET打开(正激状态)，CS采样信号从CS_IN进入，此时S1开关闭合，A点电位跟随CS_IN电压慢慢上升，同时A点电压通过运放传输到B点，此时S2开关打开，S3开关闭合，C2电容通过电阻R2放电。当高压MOSFET关闭(退磁状态)，则S1开关打开，此时A点电位会保持在S1关闭前的电压，也就是CS_IN的峰值电压，此时S2开关关闭，S3开关打开，B点和C点电压同电位，通过R2和C2滤波得到信号OUT，。从系统工作原理中可以知晓在正激状态下，LED的电流是由电容提供的，当系统在退磁状态下，LED的电流则是由电感提供，此CS采样计算电路用于等效LED电流计算。具体的波形图如图3所示。

内部补偿模块的原理框图如图4所示，内部补偿模块包括两个运算放大器，其中一个运算放大器的正极接入CS采样模块的输出信号OUT，输出端连接一个MOS管的栅极，该MOS管的源极连接该运算放大器的的负极，且源极接入电阻R2后接地，漏接连接PMOS管M2的源极，且输出COMP电压信号；另一个运算放大器的正极接入基准电压，输出端连接一个MOS管的栅极，该MOS管的源极接入该运算放大器的负极，且接入电阻R1后接地，该MOS管的漏极连接 PMOS管M1的源极和栅极，PMOS管M1和PMOS管M2的漏极相连接且接入电压，并且共栅极连接。

“内部补偿”模块工作原理如下：VREF是内部的基准，VCS_OUT是“CS采样计算”模块的输出OUT信号。M1和M2是PMOS管，M1的沟道宽为W1，沟道长为L1，M2的沟道宽为W2，沟道长为L2，M1和M2的宽长比的比例为W1/L1：W2/L2＝1：1，电阻R1＝R2。由运放的原理可知运放的正端和负端电压相等，可以知道流过电阻R1和M1的电流为I1＝VREF/R1，流过 R2的电流为I2＝(VCS_OUT)/R2，M1和M2的宽长比相等，则流过M2的电流为IM2＝I1， COMP端口外挂一个大于1uF的电容，此电容用于降低“内部补偿”模块的系统带宽，此带宽要小于VCS_OUT的带宽的5到10倍。当VCS_OUT的有效值小于VREF，则I2的平均电流小于 I1，COMP电压增大。当COMP电压增大，则PWM的脉宽也会随之增大，则高压MOSFET的导通时间增大，VCS检测电压的峰值就会增大，响应的VCS_OUT的有效值就会增大，这样R2上的电流就会慢慢增大，当R2的电流的平均值增大到和I1一样，则达到平衡。此时VCS_OUT的有效值和VREF相等。

那么LED的电流计算如下：如图5所示，IRCS是流过电阻RS的电流，在时间T1，高压MOSFET打开的情况下电阻RS上会有电流，由于电感的作用，电流成线性增加，此时电感充电，LED无电流。在时间T2，高压MOSFET关闭，电感退磁，则电感放电，电流流过LED，要求得ILED的电流，就要对ILED电流积分。如图五所示VC电压和ILED是比例关系，所以只要对VC做积分处理，则可以得到ILED的大小。图2所示，我们对C点电压VC进行RC积分处理，则可以得到VC电压的平均值。由于VC是检测到的RCS的峰值电压，所以得到的积分电压是ILED的2倍，所以LED的电流计算如下：

ILED＝VREF/(2*RS)

锯齿电压发生器，用于对内部补偿模块产生的COMP电压进行调制，产生具有脉宽的电压信号，该电压信号连接逻辑控制模块用于控制高压MOSFET的启闭。其工作原理如图7所示，由运放的原理可知，此运放是一个电压跟随器，在系统退磁的情况下，SW1开关打开，此时E 点电位和运放的输入电压相同，都为1.5V(此电压可以设置为任意电压，此芯片为1.5V)，当系统退磁完成，进入正激状态，则SW1关闭，IS对E点的电容开始充电，电压从1.5V开始慢慢往上升，当电压到达COMP口的电压，则正激结束，系统进入退磁模式，SW1打开，E点电位变为1.5V，如此反复。COMP电压是一个稳定的电压，所以E点电压每次上升到COMP电压的时间是相同的，这样就形成了固定的导通时间，因为母线电压是100HZ的半波，电感的峰值电流计算如下：

IP＝VL/L*T_ON

VL是母线电压，当T_ON为固定值，则IP跟随母线变化。实现了VL和IP的同相位，实现了PFC的功能。

过零检测模块，用于检测电感L1在退磁结束后的谐振模式中的波谷，当检测到谐振波谷时，发出控制信号给逻辑控制模块，逻辑控制模块只有在过零检测模块检测到波谷信号时，才打开高压MOSFET管。

系统工作原理如下：当系统开始工作，母线电压随之上升，DN端口电压开始升高，通过定制的高压MOSFET中的JFET管(虚线框)，产生芯片电源电压VCC，VCC电压典型值为7.6V。当VCC电压达到UVLO的上电压，则系统开始工作，此时COMP电压预先充电到1.5V，并开始慢慢上升，根据COMP电压，系统会随之产生一个PWM脉宽调制信号来驱动MOSFET,这样电流就会流经采样电阻RS，在RS电阻两端产生采样信号VRS,VRS信号通过内部的“CS采样计算”模块，计算得到流经LED的电流的有效值。此电压和内部的基准(0.2V)比较得到COMP的电压，然后COMP电压再和“锯齿电压发生器”来调整脉宽，来控制高压MOSFET的关闭。为了降低功耗，提高效率，系统采用了“过零检测”模块。在高压MOSFET打开的时间内，电流通过采样电阻RS，电感L1到地电流线性增加，LED的电流由连接在LED两端的电容放电所得。当高压MOSFET关闭的时间内，电感L1通过LED，续流二极管D1放电。当电感退磁时结束则电感就进入谐振模式，此时“过零检测”模块，检测谐振的波谷才会打开高压MOSFET，这样就可以降低功耗，提高效率。

本发明可以采用双芯片封装，采用了定制的MOSFET，实现了系统自供电，无外围供电系统，简化了外围应用，降低了系统成本。且低谐波，提高了PFC。

Claims (1)

1.一种Buck-boostLED驱动电路，适用的照明电路包括电感L1、LED、电容以及续流二极管D1，电容并联在LED两端，续流二极管D1的负极与电感L1一端电连接；所述的驱动电路包括:

-高压MOSFET管以及JFET管，JFTE管的漏极连接直流电源和高压MOSFET管的漏极；

-产生电压模块，与JFET管的栅极和源极连接，用于产生系统中各模块工作所需的电压；

-驱动控制模块以及逻辑控制模块，逻辑控制模块控制驱动控制模块，驱动控制模块用于控制MOSFET管栅极的通断；

-采样电阻RS,一端连接MOSFET管的源极，另一端经电容CP后连接产生电压模块产生的工作电压，且采样电阻Rs另一端还连接照明电路中电感L1的一端，电感L1的另一端接地；

-CS采样计算模块，连接MOSFET管的源极，用于计算照明电路中LED的等效电流；

所述CS采样计算模块包括一个运算放大器，运算放大器的正极接入采样电阻RS的一端的电压，在运算放大器的正极还设置有开关S1，开关S1和运算放大器的正极之间的节点还连接一个电容C1，电容C1接地，运算放大器的输出端设置有开关S2，开关S2连接电阻R2，电阻R2输出信号OUT，开关S2和电阻R2之间的节点还连接一个开关S3,开关S3接地，电阻R2的输出端还连接一个电容C2，电容C2连接开关S3的接地端；

-内部补偿模块，连接CS采样计算模块，且输入端还接入基准电压，内部补偿模块还连接一个电容CM,电容CM还连接采样电阻RS；所述内部补偿模块包括两个运算放大器，其中一个运算放大器的正极接入CS采样模块的输出信号OUT，输出端连接一个MOS管的栅极，该MOS管的源极连接该运算放大器的负极，且源极接入电阻R2后接地，漏极连接PMOS管M2的源极，且输出COMP电压信号；另一个运算放大器的正极接入基准电压，输出端连接一个MOS管的栅极，该MOS管的源极接入该运算放大器的负极，且接入电阻R1后接地，该MOS管的漏极连接PMOS管M1的源极和栅极，PMOS管M1和PMOS管M2的漏极相连接且接入电压，并且共栅极连接；

-锯齿电压发生器，用于对内部补偿模块产生的COMP电压进行调制，产生具有脉宽的电压信号，该电压信号连接逻辑控制模块用于控制高压MOSFET管的启闭；

-过零检测模块，用于检测电感L1在退磁结束后的谐振模式中的波谷，当检测到谐振波谷时，发出控制信号给逻辑控制模块，逻辑控制模块只有在过零检测模块检测到波谷信号时，才打开高压MOSFET管。