CN110856314A - 一种具有过热保护的led驱动电路 - Google Patents
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Abstract
一种具有过热保护的LED驱动电路，包括误差放大器VA、TA、二极管D1、D2、LED、N型场效应管和检测电阻，TA的正端连接温度参考基准值Tref，TA的负端连接电路芯片的温度值TDIE，TA的输出连接D1的负极，D1的正极连接偏置电流源IBIAS的负端以及D2的正极和N型场效应管的栅极，偏置电流源IBIAS的正端连接VCC和LED的正极，LED的负极连接N型场效应管的漏极，N型场效应管的源极连接检测电阻的一端和VA的负端，检测电阻的另一端接地，N型场效应管的衬底与源极互连或直接接地，VA的正端连接基准电压VREF，VA的输出连接D2的负极。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管LED的驱动电路，尤其涉及一种具有过热保护的LED的驱动电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
随着发光二极管LED广泛使用于工作和生活的各个方面，其发光效率和可靠性深受人们的喜爱。但是LED的可靠性取决于其驱动电路的恒流稳定性和温度稳定性。LED的电流不能超出额定值，否则可能造成LED的损坏。长时间处于高温，会导致LED的加速老化，发光亮度开始衰减，并严重缩减LED的使用寿命。目前的温度控制模式，很多都是采用高温关断，降温后再次开启的方法，导致LED在高温时出现闪烁，影响客户使用体验。
发明内容
为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种具有过热保护的LED的驱动电路，通过温度保护误差放大器和二极管，可以在控制LED发热功率，限制发热温度的同时，将LED电流平缓降低，直到达到温度和电流的平衡状态，从而保持在较低的电流水平工作，不会出现闪烁，进而实现控制温度的同时提供稳定的发光。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种具有过热保护的LED驱动电路，其特征至于：包括误差放大器VA、误差放大器TA、二极管D1和D2以及至少一个发光二极管LED、N型场效应管Npower和检测电阻Rsense，误差放大器TA的正输入端连接温度参考基准值Tref，误差放大器TA的负输入端连接LED驱动电路芯片的温度值TDIE，误差放大器TA的输出端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接偏置电流源IBIAS的负端以及二极管D2的正极和N型场效应管Npower的栅极，偏置电流源IBIAS的正端连接电源VCC和发光二极管LED的正极，发光二极管LED的负极连接N型场效应管Npower的漏极，N型场效应管Npower的源极连接检测电阻Rsense的一端和误差放大器VA的负输入端，检测电阻Rsense的另一端接地，N型场效应管Npower的衬底与源极互连或直接接地，误差放大器VA的正输入端连接基准电压VREF，误差放大器VA的输出端连接二极管D2的负极。
在发光二极管LED采用LED1～LEDn串联应用时，增设限流电阻Rlimit和齐纳二极管ZD，限流电阻Rlimit的一端连接电源VCC，限流电阻Rlimit的另一端连接齐纳二极管ZD的负极，齐纳二极管ZD的正极接地，误差放大器TA的正输入端连接基准温度Tref，温度误差放大器TA的负输入端连接芯片温度TDIE，误差放大器TA的输出端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接偏置电流源IBIAS的负端以及二极管D2的正极和N型场效应管Npower的栅极，偏置电流源IBIAS的正端连接限流电阻Rlimit与齐纳二极管ZD的连接端，电源VCC连接发光二极管LED1的正极，LED1的负极连接LED2的正极，LED2的负极连接LED3的正极，LED3的负极连接…LEDn的正极，LEDn的负极连接N型场效应管Npower的漏极，N型场效应管Npower的源极连接检测电阻Rsense的一端和电压误差放大器VA的负输入端，检测电阻Rsense的另一端接地，N型场效应管Npower的衬底与源极互连或直接接地，误差放大器VA的正输入端连接基准电压VREF，误差放大器VA的输出端连接二极管D2的负极。
上述LED驱动电路芯片的温度值TDIE是通过检测与芯片温度相关的电压得到的，采用双极晶体管的基级和发射极Vbe电压作为芯片温度值TDIE；所述温度参考基准值Tref采用零温度系数的基准电压VT作为温度参考基准值。
所述误差放大器VA、误差放大器TA以及驱动电路芯片的温度值TDIE是如何通过检测与芯片温度相关的电压和采用双极晶体管的基级和发射极Vbe电压作为芯片温度值TDIE以及温度参考基准值Tref如何采用零温度系数的基准电压VT作为温度参考基准值的具体电路结构可参看本申请人已在先申请的专利201910720697.2。
本发明的优点及显著效果：本发明过热保护的LED的驱动电路，通过引入温度误差放大器TA和二极管D1，可以在控制LED发热功率，限制发热温度的同时，将LED电流平缓降低，直到达到温度和电流的平衡状态，从而保持在较低的电流水平工作，LED不会出现闪烁，进而实现控制安全温度范围的同时提供稳定的发光，提高客户使用体验。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明的高压应用实施例；
图3是本发明误差放大器TA、VA及D1、D2的一种实施电路。
具体实施方式
如图1，VA为电压误差放大器，TA为温度误差放大器，D1和D2为二极管，LED为发光二极管，IBIAS为偏置电流源，Npower为N型场效应管，Rsense为电流检测电阻，VREF为基准电位，Tref为基准温度值，TDIE为电路芯片的温度。发光二极管LED的正端接电源VCC，负端接场效应管Npower的漏级，场效应管Npower的源极与衬底互连并连接至检测电阻Rsense的一端，检测电阻Rsense的另一端接地(或衬底也可直接接地)。源极输出信号到电压误差放大器VA的负端，电压误差放大器VA的正端接至基准电位VREF，其输出端接二极管D2的负端。二极管D2的正端接至Npower的栅极，同时连接至二极管D1的正端和偏置电流源IBIAS的负端，偏置电流源IBIAS的正端连接至电源VCC，偏置电流源从VCC流向Npower的栅极。二极管D1的负端接温度误差放大器TA的输出端，TA的正端接基准温度值Tref，负端接芯片温度TDIE。具体现实电路中，TDIE温度是通过检测和芯片温度相关的电压来实现，可以使用双极晶体管的基级和射极Vbe电压，因为该电压呈现负温度系数，即随着温度升高而减小。而Tref是采用零温度系数的基准电压,即基准电压不随温度变化。本发明的TDIE和Tref检测方法及电路可参看本申请人的已申请专利201910720697.2。
图1电路的运行原理及过程如下：
两个二极管D1和D2构成“或”电路，用于选择优先控制权。因为二极管的单向导通特性，当二极管的正向端电压大于负相端电压时，二极管导通，有电流流过；当二极管负相端电压大于正向端时，二极管截止，没有电流流过。利用这种单向导通的特性，通过TA和VA输出电压比较高低，输出电压较低的，相应输出端的二极管就导通，即取得对电路的控制权；而输出电压较高的，输出端二极管就截止，就被取消对电路的控制权，从而实现优先控制权的选择。众所周知，当场效应管Npower源极电压固定时，减小栅极电压，会减小漏源电流。上拉电流源用于设置Npower管栅极的基础电压，以保证那个更低输出的运放(TA和VA)能够精确设置Npower管栅极。
图1的LED驱动电路开始工作时，当芯片温度低于基准温度Tref时，误差放大器TA的输出电压为正，二极管D1不导通，就会阻止TA影响Npower的栅极；同时由于刚启动时，LED电流为0，因此Rsense分压为0，此时电压误差放大器VA的输出为正，二极管D2不导通；但是由于电流源IBIAS会将Npower管的栅极拉高，Npower开始导通，LED电流开始增加，Rsense的分压开始增加，直到Rsense的分压开始接近VREF时，电压误差放大器VA的输出开始由正转负，D2开始导通，LED电流开始处于电压误差放大器VA控制，最终电压放大器VA稳定控制Npower管输出，以确保电流检测电阻Rsense的分压为额定输出电压值，即实现LED通路的额定输出电流为VREF/Rsense。当LED电流低于额定值时，即Rsense分压小于基准电压VREF时，VA输出高电位，二极管D2截止，VA不能控制LED环路；当LED电流超过额定值时，即Rsense分压大于基准电压VREF时，VA输出低电位，即二极管D2导通，将Npower的栅极拉低，减小LED电流，从而实现LED电流的稳定。
任何时候，当LED驱动的功率消耗导致温度上升超过基准温度Tref时，温度运放TA的输出电压下降的足够低，开启二极管D1，从而开始控制power管栅极电位降低，此时由于栅极电位降低导致LED电流减小，进而导致Rsense分压下降，低于VREF，VA输出电压升高，导致二极管D2阻止VA输出对Npower的控制，LED电流处于温度误差放大器TA控制，LED的功率损耗和其温度成比例。这样，温度运放TA可以将LED控制在一个恒定的温度，即LED保持恒定的功率消耗。
图2是本发明针对图1高压电源VCC的扩展应用，此时LED采用串联方式，分别为LED1到LEDn。和图1相比，还新增了限流电阻Rlimit和齐纳二极管ZD，限流电阻Rlimit的一端接VCC，另一端接齐纳二极管ZD的负端，齐纳二极管ZD的正端接地电位。齐纳二极管ZD与限流电阻Rlimit的连接点形成低压VDD，分别给TA、VA以及偏置电流源IBIAS供电。LED1正端连接VCC，负端连接LED2的正端，并且LED采用串联方式，一直连接到LEDn，LEDn的负端接Npower漏极，Npower的源衬相接(或衬底直接接地)，再连接至Rsense的一端，并输出信号到VA的负端，Rsense的另一端接地电位，电压误差放大器VA的正端接至基准电位VREF，VA输出端接二极管D2的负端。二极管D2的正端接至Npower的栅极，同时连接至二极管D1的正端以及偏置电流源IBIAS的负端。偏置电流源IBIAS的正端连接至VDD，二极管D1的负端接温度误差放大器TA的输出端。TA的正端接基准温度Tref，负端接芯片温度TDIE。
图3为本发明使用与201910720697.2相同的误差放大器TA。连接关系为：P3源衬相接，连至VCC，栅极接bias偏置电压，漏极接P1和P2的源极和衬极。P1的栅极为TA的负端in-，连接TDIE，漏极接N1的栅漏；N1的源衬相接并连接至地；N2的栅极接至N1的漏极，漏极接至P2的漏极，同时连接N3的栅极以及电阻R1的一端。R1的另一端连接电容C1，C1的另一端连接N3的漏极,并连接P4的漏极，并输出TA_out电压。P2的栅极为TA的正端in+，连接Tref。P4的栅极连接bias偏置电压，源衬相接连至VCC。图中二极管D1采用NMOS管栅漏连接成二极管形式，栅漏相当于D1正端，输出Dout1，源极相当于D1负端，连接TA输出TA_out。
图1、2中的误差放大器VA及D2可采用与图3中TA和D1相同的电路结构。
Claims (3)
1.一种具有过热保护的LED驱动电路，其特征至于：包括误差放大器VA、误差放大器TA、二极管D1和D2以及至少一个发光二极管LED、N型场效应管Npower和检测电阻Rsense，误差放大器TA的正输入端连接温度参考基准值Tref，误差放大器TA的负输入端连接LED驱动电路芯片的温度值TDIE，误差放大器TA的输出端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接偏置电流源IBIAS的负端以及二极管D2的正极和N型场效应管Npower的栅极，偏置电流源IBIAS的正端连接电源VCC和发光二极管LED的正极，发光二极管LED的负极连接N型场效应管Npower的漏极，N型场效应管Npower的源极连接检测电阻Rsense的一端和误差放大器VA的负输入端，检测电阻Rsense的另一端接地，N型场效应管Npower的衬底与源极互连或直接接地，误差放大器VA的正输入端连接基准电压VREF，误差放大器VA的输出端连接二极管D2的负极。
2.根据权利要求1所述的具有过热保护的LED驱动电路，其特征至于：在发光二极管LED采用LED1～LEDn串联应用时，增设限流电阻Rlimit和齐纳二极管ZD，限流电阻Rlimit的一端连接电源VCC，限流电阻Rlimit的另一端连接齐纳二极管ZD的负极，齐纳二极管ZD的正极接地，误差放大器TA的正输入端连接基准温度Tref，温度误差放大器TA的负输入端连接芯片温度TDIE，误差放大器TA的输出端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接偏置电流源IBIAS的负端以及二极管D2的正极和N型场效应管Npower的栅极，偏置电流源IBIAS的正端连接限流电阻Rlimit与齐纳二极管ZD的连接端，电源VCC连接发光二极管LED1的正极，LED1的负极连接LED2的正极，LED2的负极连接LED3的正极，LED3的负极连接…LEDn的正极，LEDn的负极连接N型场效应管Npower的漏极，N型场效应管Npower的源极连接检测电阻Rsense的一端和电压误差放大器VA的负输入端，检测电阻Rsense的另一端接地，N型场效应管Npower的衬底与源极互连或直接接地，误差放大器VA的正输入端连接基准电压VREF，误差放大器VA的输出端连接二极管D2的负极。
3.根据权利要求1或2所述的具有过热保护的LED驱动电路，其特征在于：所述LED驱动电路芯片的温度值TDIE是通过检测与芯片温度相关的电压得到的，采用双极晶体管的基级和发射极Vbe电压作为芯片温度值TDIE；所述温度参考基准值Tref采用零温度系数的基准电压VT作为温度参考基准值。
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