CN107979895B - 一种基于浮地buck架构的输出过压保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,包括:电感L0,一端接正电压输出端,另一端接地;电阻R3,一端接负电压输出端;二极管D5,阳极接负电压输出端;电阻R0,一端接L0的另一端及D5的阴极,另一端接R3的另一端;运算放大器,正输入端接R0的一端;MOS管M1,栅极接运放的输出端,源极接运放的负输入端;电阻R1,一端接M1的源极,另一端接R0的另一端;电流镜模块,输入端接M1的漏极,输出端通过一电容C0接地;电压检测模块,第一输入端接电流镜模块的输出端,第二输入端接收一开关控制信号,第三输入端接收一退磁检测信号。本发明能避免过压保护的误触发和失效,还能在不增加外围元器件的前提下避免负载高频振荡对外部设备的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及LED驱动领域,尤其涉及一种基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路。
背景技术
LED驱动芯片通常需要集成输出过压保护功能以防止异常情况下输出电压过高损坏电路。当LED驱动电路的输出端开路或者异常过压时,LED驱动芯片必须触发输出过压保护功能关断输出功率管以控制输出电压的进一步上升,否则会使输出电压失控持续升高,从而超出器件的极限耐压造成系统损坏。
随着LED应用的普及和成本的降低,LED驱动应用的环境也越来越复杂恶劣,因此面对各种极端情况时必然要求芯片的保护功能能够在不影响正常应用前提下可靠及时地触发,从而有效保护电路。目前,常见的过压保护方案有以下两种:第一种,通过电阻分压采样退磁阶段电感两端的电压来监测输出电压,当在退磁阶段检测到电感两端的电压高于预设的过压阈值时,触发过压保护;第二种,通过芯片内设最小退磁时间,输出电压上升时,电感退磁时间逐渐减小,当退磁时间小于设定的最小退磁时间则触发输出过压保护。
上述方案存在以下问题:(1)两种方案都不是直接采样输出电压,当电感的退磁时间短至小于芯片内部允许的最小关断时间则无法触发过压保护,即输出过压保护失效;(2)第一种方案在电阻分压采样存在噪声干扰时容易误触发过压保护;第二种方案在输入电压过低励磁不够时会导致退磁时间过短而误触发过压保护,即这两种方案都存在误触发的可能,容易导致灯闪。
针对过压保护失效和误触发的问题,专利申请CN201711403476.X中公开了改进的过压保护方案。如图1所示,该方案将电感L0设置在续流二极管D5的阳极与LED-之间,这样芯片(芯框所示)可以通过外置电阻R4与内部电阻R0直接采样LED+到LED-之间的输出电压。当输出电压升高时,流过电阻R4与内部电阻R0的电流也增加,Rovp管脚相对于芯片地gnd的负压也更负,芯片内部通过运算放大器amp、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、电阻R1将流过R0的电流镜像采样后流过电阻R2,在电阻R2上产生的电压将与内部参考电压vref比较。当输出电压升高至过压阈值时,比较器comp输出OVP=1触发过压保护。该方案虽然可以直接检测输出电压,并在输出过压时可靠及时地触发过压保护,但是由于输出负载与开关节点即芯片地gnd处直接相连,导致输出负载随开关节点高频振荡。当输出负载对外存在寄生电容时,系统将对外部设备产生干扰。
对此,该专利申请作了进一步改进。具体如图2所示,将电感L0移到芯片地gnd与LED+之间,芯片通过内部电阻R0、外部电阻R4、R5检测芯片地到LED-的电压,该电压随功率管M0通断呈现脉动信号。由于电感是储能原件通直流阻交流,所以芯片地到LED-的脉动信号的直流平均值依然等于LED+到LED-之间的输出电压。因此通过在芯片地与R4、R5之间接滤波电容C3,使得芯片Rovp管脚的脉动信号衰减呈现小纹波近似直流,芯片内部再将该近似直流电压加在R0上的电流采样镜像处理后与内部vref比较触发过压保护。该方案虽然能够避免图1因负载与开关节点相连导致的高频振荡干扰问题,但是在芯片外围需要增加电阻电容,从而增加了电路成本。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,以有效避免过压保护的误触发和失效,在可靠触发输出过压保护的同时,还能在不增加外围元器件成本的前提下避免负载高频振荡对外部设备的干扰。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,用于LED驱动电路中,该保护电路包括:
电感L0,其一端接正电压输出端,另一端接地;
电阻R3,其一端接负电压输出端;
二极管D5,其阳极接负电压输出端;
电阻R0,其一端接电感L0的另一端及二极管D5的阴极,另一端接电阻R3的另一端;
运算放大器,其正输入端接电阻R0的一端;
MOS管M1,其栅极接所述运算放大器的输出端,源极接所述运算放大器的负输入端;
电阻R1,其一端接所述MOS管M1的源极,另一端接所述电阻R0的另一端;
电流镜模块,其输入端接所述MOS管M1的漏极,输出端通过一电容C0接地;以及
电压检测模块,其第一输入端接所述电流镜模块的输出端,第二输入端接收一控制所述输出功率管M0的开关控制信号,第三输入端接收一退磁检测信号,所述电压检测模块根据所述电容C0的电压信号、所述开关控制信号和所述退磁检测信号输出一过压保护信号。
进一步地,所述电压检测模块包括:
或门or,其第一输入端接收所述开关控制信号,第二输入端接收一过压比较信号;
MOS管M4,其栅极接收所述电容C0的电压信号,漏极通过一电流源I1接电源端;
MOS管M5,其栅极接所述或门的输出端,漏极接所述MOS管M4的栅极,源极通过一电流源I0接地;
电阻R4,其一端接述MOS管M4的源极,另一端接地;
MOS管M6,其漏极接所述MOS管M4的源极,源极接地;
反相器inv0,其输入端接所述MOS管M4的漏极,输出端接所述MOS管M6的栅极并输出所述过压比较信号;
触发器,其第一输入端接所述反相器inv0的输出端,第二输入端接收所述退磁检测信号;
反相器inv1,其输入端接所述触发器的输出端,输出端输出所述过压保护信号。
进一步地,所述触发器包括:
与非门nand0,其第一输入端接所述反相器inv0的输出端,输出端接所述反相器inv1的输入端;
与非门nand1,其第一输入端接所述与非门nand0的输出端,第二输入端接收所述退磁检测信号,输出端接所述与非门nand0的第二输入端。
进一步地,所述电流镜模块包括:
MOS管M2,其源极接电源端,漏极接所述MOS管M1的漏极;以及
MOS管M3,其栅极接所述MOS管M2的栅极和漏极,源极接电源端,漏极接所述电压比较模块的第一输入端。
进一步地,所述电阻R0、运算放大器、MOS管M1、电阻R1、电流镜模块、电阻R2和电压检测模块集成在LED驱动芯片中。
通过采用上述技术方案,本发明相对现有技术具有如下有益效果:
本发明能够有效避免过压保护的误触发和失效而可靠地触发输出过压保护,同时即能避免因负载与开关节点直接相连而导致的高频振荡,又不需要额外增加电阻电容,从而降低了系统成本。
附图说明
图1为现有技术输出过压保护电路的一个实例的电路原理图;
图2为现有技术输出过压保护电路的另一个实例的电路原理图;
图3为本发明基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路的一个实施例的电路原理图;
图4为图3中电压检测模块的一个实施例的电路原理图;
图5为图4中关键节点的波形图。
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。
为了防止LED驱动电路的输出电压过压,本发明提供了基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路。如图4所示,该过压保护电路连接在LED驱动电路中,包括设置在LED驱动芯片(芯片如虚框所示)外的电感L0、电阻R3以及二极管D5,还包括设置在LED驱动芯片内的电阻R0、运算放大器amp、MOS管M1、电容C0、电阻R1、由MOS管M2和M3构成的电流镜模块以及电压检测模块1。其中,各元件之间的连接关系如下:电感L0的一端接正电压输出端LED+,另一端接芯片的接地管脚gnd(简称芯片地)并通过电阻Rcs接LED驱动电路的输出功率管M0的源极;电阻R3的一端接负电压输出端LED-,另一端接芯片的一Rovp管脚;二极管D5的阳极接负电压输出端LED-,阴极接芯片地;电阻R0的一端接芯片地,另一端接芯片的Rovp管脚;运算放大器amp的正输入端接电阻R0的一端;MOS管M1的栅极接运算放大器amp的输出端,源极接运算放大器amp的负输入端;电阻R1的一端接MOS管M1的源极,另一端接电阻R0的另一端;MOS管M2的源极接电源端vdda,漏极接MOS管M1的漏极;MOS管M3的栅极接MOS管M2的栅极和漏极,源极接电源端vdda;电容C0的上极板接MOS管M3的漏极,下极板接地;电压检测模块1的第一输入端接MOS管M3的漏极,第二输入端接收一控制输出功率管M0导通关断的开关控制信号swon,第三输入端接收LED驱动芯片内部产生的一退磁检测信号tdfinb,输出端输出一过压保护信号ovp,电压检测模块1用于在退磁检测信号tdfinb来临时,通过检测Vovp电压来判LED驱动电路是否输出过压。
在本发明中,电压检测模块1的内部结构如图4所示,包括:或门or,其第一输入端接收开关控制信号swon,第二输入端接收一过压比较信号ovpcomp,ovpcomp初始值为0;MOS管M4,其栅极接收电容C0的电压Vovp,漏极通过一电流源I1接电源端;MOS管M5,其栅极接或门or的输出端,漏极接MOS管M4的栅极,源极通过一电流源I0接地;电阻R4,其一端接述MOS管M4的源极,另一端接地;MOS管M6,其漏极接MOS管M4的源极,源极接地;反相器inv0,其输入端接MOS管M4的漏极,输出端接MOS管M6的栅极并输出前述过压比较信号ovpcomp;触发器,其第一输入端接反相器inv0的输出端,第二输入端接收退磁检测信号tdfinb;反相器inv1,其输入端接触发器的输出端,输出端输出过压保护信号ovp。其中,触发器包括:与非门nand0,其第一输入端接反相器inv0的输出端,输出端接反相器inv1的输入端;与非门nand1,其第一输入端接与非门nand0的输出端,第二输入端接收退磁检测信号tdfinb,输出端接与非门nand0的第二输入端。
本发明的工作原理如下:
众所周知,对于BUCK架构而言输出电压Vout=Vin*D,其中,Vin为输入电压,D为输出功率管M0通断的占空比。因此,在整个开关周期内,对输出电压的采样其实就是对Vin*D的采样。
由于LED-到芯片地gnd之间是脉动负压,当功率管M0导通时,该电压为-Vin,则对Rovp管脚抽取电流为-Vin/(R3+R0)。该电流通过运算放大器amp、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和电阻R1产生流向电容C0的电流。当功率管M0关断时,LED-到芯片地gnd之间的电压为续流二极管D5的压降,可近似为0,对Rovp管脚抽取电流为0。因此在整个开关周期内,对Rovp管脚的平均抽电流即反映输出电压。
在整个开关周期内,Rovp管脚采样到的电流经MOS管M2和M3镜像后与电压检测模块1内部的下拉电流I0比较,并在电容C0上产生电压Vovp。电压检测模块1用于对电容C0的电压Vovp进行检测。当Vovp高于Vthn+I1*R4时(Vthn为MOS管M4的阈值电压),触发ovpcomp=1;当Vovp低于Vthn时,触发ovpcomp=0。因为Vovp从低到高时,ovpcomp初始为0,则Vovp需要高于M4管的阈值加R4上的压降才能使M4导通,ovpcomp翻转为1。当Vovp从高到低时,ovpcomp初始值为1,R4被M6短路,Vovp需要低于M4的阈值才能使其关断,ovpcomp翻转为0。
在功率管导通期间,给C0充电的电流大于I0,则Vovp上升超过阈值Vthn+I1*R4,触发ovpcomp=1。在功率管关断期间,C0的充电电流等于0,下拉电流I0将Vovp下拉,当Vovp下拉至Vthn时,停止下拉保持Vovp,并触发ovpcomp=0。因此每次开关周期开始时,电容C0都是从Vovp=Vthn处开始充电,放电至Vthn处。
如果输出电压升高,则Vin*D也增加,Rovp管脚采样到的平均抽电流也增大,芯片内部流向电容C0的电流也随之增加。电容C0上的电压表现为在功率管导通期间Vovp上升,在功率管关断后由于输出电压升高,退磁时间减小,I0的下拉时间也减小。当对C0充电的平均电流大于I0时,Vovp无法被I0在退磁结束之前下拉到Vthn,ovpcomp在退磁检测信号tdfinb到来时一直保持高电平,从而触发过压保护OVP。
下面结合图5的波形详细描述本发明各关键工作节点的动作关系:
给电容C0充电的电流I_M3通过对Rovp管脚的抽电流采样得到,开关导通时有电流,开关关断时电流为0。
Vovp电压在开关导通时,由于充电电流大于放电电流I0而上升,当大于Vthn+I1*R4阈值时,触发ovpcomp=1。
Vovp在开关关断时,充电电流为0,由放电电流I0放电而下降,当下降到Vthn时,触发ovpcomp=0,关断下拉电流I0,Vovp保持。
Tdfinb为退磁检测型号,当退磁结束时,翻转为低电平,并触发swon=1,随后swon=1将tdfinb复位为高电平。
当输出电压升高,退磁时间减小,占空比增大,Vout=Vin*D,Rovp检测到的平均抽电流增大。Vovp将无法在退磁时间内下降到Vthn,当tdfinb=0且ovpcomp=1时,则触发过压保护信号ovp。
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 (5)
1.一种基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,其特征在于,该保护电路包括:
电感L0,其一端接正电压输出端,另一端接地;
电阻R3,其一端接负电压输出端;
二极管D5,其阳极接负电压输出端;
电阻R0,其一端接电感L0的另一端及二极管D5的阴极,另一端接电阻R3的另一端;
运算放大器,其正输入端接电阻R0的一端;
MOS管M1,其栅极接所述运算放大器的输出端,源极接所述运算放大器的负输入端;
电阻R1,其一端接所述MOS管M1的源极,另一端接所述电阻R0的另一端;
电流镜模块,其输入端接所述MOS管M1的漏极,输出端通过一电容C0接地;以及
电压检测模块,其第一输入端接所述电流镜模块的输出端,第二输入端接收开关控制信号,所述开关控制信号用于控制输出功率管M0,第三输入端接收一退磁检测信号,所述电压检测模块根据所述电容C0的电压信号、所述开关控制信号和所述退磁检测信号输出一过压保护信号。
2.根据权利要求1所述的基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,其特征在于,所述电压检测模块包括:
或门or,其第一输入端接收所述开关控制信号,第二输入端接收一过压比较信号;
MOS管M4,其栅极接收所述电容C0的电压信号,漏极通过一电流源I1接电源端;
MOS管M5,其栅极接所述或门or的输出端,漏极接所述MOS管M4的栅极,源极通过一电流源I0接地;
电阻R4,其一端接述MOS管M4的源极,另一端接地;
MOS管M6,其漏极接所述MOS管M4的源极,源极接地;
反相器inv0,其输入端接所述MOS管M4的漏极,输出端接所述MOS管M6的栅极并输出所述过压比较信号;
触发器,其第一输入端接所述反相器inv0的输出端,第二输入端接收所述退磁检测信号;
反相器inv1,其输入端接所述触发器的输出端,输出端输出所述过压保护信号。
3.根据权利要求2所述的基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,其特征在于,所述触发器包括:
与非门nand0,其第一输入端接所述反相器inv0的输出端,输出端接所述反相器inv1的输入端;
与非门nand1,其第一输入端接所述与非门nand0的输出端,第二输入端接收所述退磁检测信号,输出端接所述与非门nand0的第二输入端。
4.根据权利要求1所述的基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,其特征在于,所述电流镜模块包括:
MOS管M2,其源极接电源端,漏极接所述MOS管M1的漏极;以及
MOS管M3,其栅极接所述MOS管M2的栅极和漏极,源极接电源端,漏极接所述电压检测模块的第一输入端。
5.根据权利要求1所述的基于浮地BUCK架构的输出过压保护电路,其特征在于,所述电阻R0、运算放大器、MOS管M1、电阻R1、电流镜模块、电阻R2和电压检测模块集成在LED驱动芯片中。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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