CN111432528B - Led驱动电源及其控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED驱动电源及其控制器，该控制器具有接地端、采样端及用于从供电模块取电的供电端，接地端与供电模块的输出地不同电位，功率开关管的漏极连接供电模块的正输出端，功率开关管的源极及采样端连接采样电阻的第一端，采样电阻的第二端连接接地端，还包括：采样检测单元，用于在功率开关管关断时，判断采样端输入的采样电压是否为零，若是，则生成第一控制信号；驱动控制单元，用于根据第一控制信号向功率开关管输出第一驱动信号；驱动供电单元，用于对供电端输入的供电电压进行降压处理，并使用降压处理后的电压为驱动控制单元供电，以使功率开关管在第一驱动信号的驱动下工作在饱和区。实施本发明的技术方案，节省体积及减小成本。

Description

LED驱动电源及其控制器
技术领域
本发明涉及LED照明领域，尤其涉及一种LED驱动电源及其控制器。
背景技术
在目前所使用的LED驱动电源结构中，非隔离降压型驱动结构使用最为广泛，因为对比其他的电路结构，非隔离降压型电路的结构简单，所需的外围电路也较为简单，也造就了使用该型电路结构实现的LED驱动电源成本较低，并且可靠性高。
但是，对于浮地(控制芯片地与供电模块的输出地不同电位)结构的降压型LED驱动电源，供电电容是必不可少的，例如，在如图1所示的LED驱动电源中，控制芯片103必须需要一个供电电容107，该电容的作用是在功率开关管104导通时给控制芯片103供电。根据电路原理，当功率开关管104导通时，功率开关管104的两端电压(即Vds)会趋向于0V，由于控制芯片103的供电端(HV)与功率开关管104的漏极相连，控制芯片103的接地端(GND)与功率开关管104的源极之间只是隔着一个采样电阻105，所以控制芯片103的供电端(HV)与接地端(GND)之间的电压几乎等于功率开关管104的两端电压。所以根据以上分析，因为当功率开关管104导通时，功率开关管的两端电压趋向于0V，也即，控制芯片的供电端(HV)与接地端(GND)之间的电压趋向于0V，如图2的波形200所示，如果此时没有供电电容107，控制芯片103将无法供电，也就无法正常工作。而当功率开关管104关断时，功率开关管104的两端电压几乎等于输入电容102上的电压，此时控制芯片的供电端(HV)与接地端(GND)之间的电压也等于输入电容102的电压，所以在功率开关管104关断期间，控制芯片103通过其供电端(HV)从输入电容102上取电，一部分用于芯片的工作电流，另外一部分存于供电电容107内，以备功率开关管导通期间给芯片供电。因此，对于浮地结构的降压型LED驱动电源，供电电容107是必不可少的，但这必然导致LED驱动电源的体积和成本较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的LED驱动电源的体积和成本较大的缺陷，提供一种LED驱动电源及其控制器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种LED驱动电源的控制器，用于控制功率开关管，所述控制器具有接地端、采样端及用于从供电模块取电的供电端，而且，所述接地端与所述供电模块的输出地不同电位，所述功率开关管的漏极连接所述供电模块的正输出端，所述功率开关管的源极及所述采样端分别连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端连接所述接地端，所述控制器包括：
采样检测单元，用于在所述功率开关管关断时，判断所述采样端输入的采样电压是否为零，若是，则生成第一控制信号；
驱动控制单元，用于根据所述第一控制信号向所述功率开关管输出第一驱动信号；
驱动供电单元，用于对所述供电端输入的供电电压进行降压处理，并使用降压处理后的电压为所述驱动控制单元供电，以使所述功率开关管在所述第一驱动信号的驱动下工作在饱和区。
优选地，所述驱动供电单元包括电阻和降压电路，其中，
所述电阻的第一端连接所述供电端，所述电阻的第二端连接所述降压电路的输入端，所述降压电路的输出端连接所述驱动控制单元的正输入端；或者，所述降压电路的输入端连接所述供电端，所述降压电路的输出端连接所述电阻的第一端，所述电阻的第二端连接所述驱动控制单元的正输入端。
优选地，所述降压电路包括：
一个或相串联的多个MOS管；
一个或相串联的多个二极管；
稳压二极管。
优选地，还包括连接所述供电端及所述驱动供电单元之间的JFET管。
优选地，还包括连接在所述JFET管之后的内部供电单元。
优选地，所述采样检测单元包括：第一比较器、第二比较器和RS触发器，其中，所述第一比较器的同相输入端及所述第二比较器的反向输入端分别连接所述采样端，所述第一比较器的反向输入端输入参考电压，所述第二比较器的同向输入端输入零电压，所述第一比较器的输出端连接所述RS触发器的复位端，所述第二比较器的输出端连接所述RS触发器的置位端，所述RS触发器的输出端连接所述驱动控制单元的控制端。
优选地，所述驱动控制单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，其中，所述第一开关管及所述第二开关管为P型开关管，所述第三开关管及所述第四开关管为N型开关管，而且，所述第一开关管的源极及所述第二开关管的源极分别连接所述驱动供电单元的输出端，所述第一开关管的漏极与所述第三开关管的漏极相连，所述第二开关管的漏极与所述第四开关管的漏极相连，所述第三开关管的源极及所述第四开关管的源极分别连接所述接地端，所述第一开关管的栅极与所述第三开关管的栅极分别连接所述采样检测单元的输出端，第二开关管的栅极与所述第四开关管的栅极分别连接所述第一开关管的漏极。
本发明还构造一种LED驱动电源，用于驱动LED光源，且包括供电模块、功率开关管、采样电阻、储能电感和续流二极管，其特征在于，还包括以上所述的控制器，而且，
所述储能电感的第一端连接所述采样电阻的第二端，所述储能电感的第二端连接所述LED光源的正极，所述LED光源的负极分别连接所述供电模块的输出地及所述续流二极管的正极，所述续流二极管的负极连接所述采样端。
优选地，还包括：
连接在所述供电模块的正输出端及输出地之间的输入电容；
连接在所述LED光源的正负极之间的输出电容。
优选地，所述供电模块包括整流桥。
实施本发明的技术方案，当控制器向功率开关管输出高电平时，功率开关管导通，而由于此时功率开关管工作在饱和区，控制器的供电端相对于接地端的电压差足够高，所以可保证控制器能够从其供电端取电，即使不设置供电电容，也能确保控制器正常工作，因此，可节省LED驱动电源的体积及减小成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术的LED驱动电源的电路图；
图2是图1的LED驱动电源的工作时序图；
图3是本发明LED驱动电源实施例一的电路图；
图4是图3的LED驱动电源的工作时序图；
图5是本发明LED驱动电源的控制器实施例一的电路图；
图6A是本发明控制器的降压电路实施例一的电路图；
图6B是本发明控制器的降压电路实施例二的电路图；
图6C是本发明控制器的降压电路实施例三的电路图；
图6D是本发明控制器的降压电路实施例四的电路图；
图7是本发明LED驱动电源的控制器实施例二的电路图；
图8是图7的LED驱动电源的工作时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3是本发明LED驱动电源实施例一的电路图，该实施例的LED驱动电源为浮地结构的降压型LED驱动电源，该LED驱动电源用于驱动LED光源310，而且，具体包括有：供电模块301、控制器303、功率开关管304、采样电阻305、储能电感306和续流二极管307。控制器303的外部端口包括供电端(HV)、接地端(GND)、驱动端(Drv)和采样端(CS)。
在该实施例中，控制器303的供电端(HV)连接供电模块301的正输出端，用于从供电模块301取电。控制器303的驱动端(Drv)连接功率开关管304的栅极，功率开关管304的漏极连接供电模块301的正输出端，功率开关管304的源极及采样端(CS)分别连接采样电阻305的第一端，采样电阻305的第二端连接接地端(GND)，而且，接地端(GND)与供电模块301的输出地不同电位。储能电感306的第一端连接采样电阻305的第二端，储能电感306的第二端连接LED光源310的正极，LED光源310的负极分别连接供电模块301的输出地及续流二极管307的正极，续流二极管307的负极连接采样端(CS)。
而且，控制器303包括有采样检测单元3031、驱动控制单元3032和驱动供电单元3033，其中，采样检测单元3031用于根据采样端输入的采样电压生成控制信号，具体地，在功率开关管304关断时，判断该采样电压是否为零，若是，则生成第一控制信号；在功率开关管304导通时，判断该采样电压是否大于参考电压，若是，则生成第二控制信号；驱动控制单元3032用于根据第一控制信号向功率开关管304输出第一驱动信号，及根据第二控制信号向功率开关管304输出第二驱动信号；驱动供电单元3033用于对供电端(HV)输入的供电电压进行降压处理，并使用降压处理后的电压为驱动控制单元3032供电，以使功率开关管304在第一驱动信号的驱动下工作在饱和区。
另外，在该实施例中，供电模块301为整流桥，而且，整流桥301的两输入端接入交流市电300。该实施例的LED驱动电源还包括输入电容302、输出电容308和电阻309，而且，输入电容302连接在供电模块301的正输出端及输出地之间，输出电容308及电阻309均连接在LED光源310的正负极之间。
结合图4，当控制器303的采样端(CS)输入的采样电压为零时，其驱动端(Drv)输出第一驱动信号(高电平)时，功率开关管304导通，在忽略采样电阻305的电压的情况下，控制器303的供电端(HV)相对于接地端(GND)的电压差约为功率开关管304的两端电压(Vds)，而由于此时功率开关管304工作在饱和区，Vds足够高，所以可保证控制器303能够从供电端(HV)取电。对比图2与图4，二者的区别是：在功率开关管304(103)导通期间，控制器303(103)的供电端(HV)相对于接地端(GND)的电压差，具体地：图2中该电压差几乎为零，而图4中该电压差约为Vds。而由于工作在饱和区的功率开关管304的Vds足够高，所以可确保控制器303能够正常工作，也就不需要设置供电电容，因此该实施例的LED驱动电源可节省体积及减小成本。
图5是本发明LED驱动电源的控制器实施例一的电路图，该实施例的控制器包括有JFET管500、内部供电单元503、采样检测单元、驱动控制单元505、驱动供电单元，其中，该JFET 500为耐高压JFET管，且其第一端连接供电端(HV)，第二端分别连接驱动供电单元和内部供电单元503。该JFET管500主要的功能为高压隔离作用，即把高压转换成内部电路能承受的电压。
在该实施例中，采样检测单元包括：第一比较器506、第二比较器507和RS触发器504，其中，第一比较器506的同相输入端及第二比较器507的反向输入端分别连接采样端(CS)，第一比较器506的反向输入端输入参考电压(Vcs)，第二比较器507的同向输入端输入零电压，第一比较器506的输出端连接RS触发器504的复位端，第二比较器507的输出端连接RS触发器504的置位端，RS触发器504的输出端连接驱动控制单元505的控制端。
在该实施例中，驱动供电单元包括电阻501和降压电路502，其中，电阻501的第一端连接JFET管500的第二端，电阻501的第二端连接降压电路502的输入端，降压电路502的输出端连接驱动控制单元505的正输入端。当然，在其它实施例中，也可将电阻501与降压电路502的位置互换，即，降压电路的输入端连接供电端(HV)，降压电路的输出端连接电阻的第一端，电阻的第二端连接驱动控制单元的正输入端。
关于降压电路，只要保证其“+”和“-”之间的压差固定为ΔV的电路均在本专利的范围内，因此，包括但不限于以下几种实现方式：一个或相串联的多个MOS管；一个或相串联的多个二极管；稳压二极管。在一些具体实施例中，如图6A所示，降压电路由n个NMOS管600、601、…、602串联组成，且第一个NMOS管600的漏极为输入端，最后一个NMOS管602的源极为输出端，此时，ΔV＝n*Vgs(n)，其中，Vgs(n)为NMOS管的栅源电压；如图6B所示，降压电路由n个PMOS管603、604、…、605串联组成，且第一个PMOS管603的漏极为输入端，最后一个PMOS管605的源极为输出端，此时，ΔV＝n*Vgs(p)，其中，Vgs(p)为PMOS管的栅源电压；如图6C所示，降压电路由n个二极管606、607、…、608串联组成，且第一个二极管606的阳极为输入端，最后一个二极管608的阴极为输出端，此时，ΔV＝n*VF，其中，VF为二级管的正向导通电压；如图6D所示，降压电路为稳压二极管609，且稳压二极管609的阴极为输入端，稳压二极管609的阳极为输出端，此时，ΔV＝Vzd，其中，Vzd为稳压二级管的稳定电压。
图7是本发明LED驱动电源的控制器实施例二的电路图，该实施例的控制器包括有JFET管700、内部供电单元703、采样检测单元、驱动控制单元705、驱动供电单元，其中，该JFET 700为耐高压JFET管，且其第一端连接供电端(HV)，第二端分别连接驱动供电单元和内部供电单元703。该JFET管700主要的功能为高压隔离作用，即把高压转换成内部电路能承受的电压。
在该实施例中，采样检测单元包括第一比较器(未示出)、第二比较器(未示出)和RS触发器704，而且，第一比较器、第二比较器和RS触发器704之间的连接关系与图5所示的采样检测单元类似，在此不做赘述。
在该实施例中，驱动供电单元包括电阻701和降压电路702，其中，电阻701的第一端连接JFET管700的第二端，电阻701的第二端连接降压电路702的输入端，降压电路702的输出端连接驱动控制单元705的正输入端。当然，在其它实施例中，也可将电阻701与降压电路702的位置互换。
在该实施例中，驱动控制单元705包括第一开关管P1、第二开关管P2、第三开关管N1及第四开关管N2，其中，第一开关管及第二开关管为P型开关管，第三开关管及第四开关管为N型开关管，而且，第一开关管P1的源极及第二开关管P2的源极分别连接驱动供电单元的输出端，第一开关管P1的漏极与第三开关管N1的漏极相连，第二开关管P2的漏极与第四开关管N2的漏极相连，第三开关管N1的源极及第四开关管N2的源极分别连接接地端(GND)，第一开关管P1的栅极与第三开关管N1的栅极分别连接RS触发器704的输出端，第二开关管P2的栅极与第四开关管N2的栅极分别连接第一开关管P1的漏极。
该实施例的技术方案可保证控制器在任何时候其供电端(HV)与接地端(GND)之间的压差都大于最小的工作电压。根据工作原理，控制器的供电端(HV)与接地端(GND)之间的压差最小时发生在功率开关管706导通期间，特别是在功率开关管706导通瞬间。
结合图7和图8，控制器的驱动端(Drv)与供电端(HV)的电压相差ΔV。当RS触发器704输出高电平时，该高电平信号通过驱动控制单元702输出到功率开关管706的栅极，功率开关管706开始导通，功率开关管706的两端电压(即MOS FET的漏-源电压Vds)开始下降。当功率开关管706两端电压降得太低时，驱动端(Drv)的电压无法保持功率开关管706完全导通，也即，功率开关管706进入饱和区，这会造成功率开关管706两端电压Vds开始上升，而Vds上升会引起功率开关管706的栅极上的驱动电压上升，最终功率开关管706的两端电压Vds稳定在一个电压附近。
根据MOS的特性，为了使得功率开关管706导通，其驱动电压(控制器的驱动端Drv的电压)必须大于阈值Vth。而驱动端(Drv)的电压等于供电端(HV)的电压减去ΔV，所以为了保证功率开关管706能够导通，必须保证Drv>Vth，也即Drv＝HV-ΔV>Vth，从而得到：HV>ΔV+Vth。假如功率开关管706流经的电流为Id，根据MOS管的特性，对应Id电流所需的栅-源电压为Vgs，则在功率开关管导通期间的HV的电压为：HV＝Vds＝Vgs+ΔV。假设降压电路如图6A所示，并且n＝3，则ΔV＝3*0.7V＝2.1V(其中0.7V为NMOS的阈值电压Vth)。由于功率开关管706为高压功率开关，其阈值电压一般为2.5V左右，由于功率开关管706工作在饱和区，所以Vgs≈2.5V。综上所述，控制器的供电端(HV)在功率开关管导通期间的电压为：HV＝Vgs+ΔV≈2.5V+2.1＝4.6V，该电压足够保证控制器的内部供电，从以上分析可以看出，控制器的供电端(HV)电压可以通过改降压电路702的电压ΔV来进行调整。
另外，关于与降压电路串联的电阻，其作用主要是为了减慢功率开关管的驱动电压的上升斜率。结合图7，功率开关管706的两端电压Vds通过供电端(HV)经过电阻701、降压电路701后反馈到功率开关/706的驱动信号上。由于各个电路节点都有寄生电容存在，必然造成环路的响应速度不会太快，这样可避免以下情况的发生：如果功率开关管706的驱动电压Drv上升太快，引起功率开关管的两端的电压Vds降低，但是供电端(HV)到驱动端(Drv)的响应速度很慢，必然造成功率开关管706两端电压降得过低，也即供电端(HV)的电压过低，控制器无法供电。
最后需说明的是，图2、图4及图8所示的时序图中的各个波形均以控制器的接地端(GND)作为参考地。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种LED驱动电源的控制器，用于控制功率开关管，所述控制器具有接地端、采样端及用于从供电模块取电的供电端，而且，所述接地端与所述供电模块的输出地不同电位，所述功率开关管的漏极连接所述供电模块的正输出端，所述功率开关管的源极及所述采样端分别连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端连接所述接地端，其特征在于，所述控制器包括：
采样检测单元，用于在所述功率开关管关断时，判断所述采样端输入的采样电压是否为零，若是，则生成第一控制信号；
驱动控制单元，用于根据所述第一控制信号向所述功率开关管输出第一驱动信号；
驱动供电单元，用于对所述供电端输入的供电电压进行降压处理，并使用降压处理后的电压为所述驱动控制单元供电，以使所述功率开关管在所述第一驱动信号的驱动下工作在饱和区，进而使所述控制器的供电端相对于所述接地端的电压差保证所述控制器能够从所述供电端取电。
2.根据权利要求1所述LED驱动电源的控制器，其特征在于，所述驱动供电单元包括电阻和降压电路，其中，
所述电阻的第一端连接所述供电端，所述电阻的第二端连接所述降压电路的输入端，所述降压电路的输出端连接所述驱动控制单元的正输入端；或者，
所述降压电路的输入端连接所述供电端，所述降压电路的输出端连接所述电阻的第一端，所述电阻的第二端连接所述驱动控制单元的正输入端。
3.根据权利要求2所述LED驱动电源的控制器，其特征在于，所述降压电路包括：
一个或相串联的多个MOS管；
一个或相串联的多个二极管；
稳压二极管。
4.根据权利要求1所述LED驱动电源的控制器，其特征在于，还包括连接所述供电端及所述驱动供电单元之间的JFET管。
5.根据权利要求4所述LED驱动电源的控制器，其特征在于，还包括连接在所述JFET管之后的内部供电单元。
6.根据权利要求1所述LED驱动电源的控制器，其特征在于，所述采样检测单元包括：第一比较器、第二比较器和RS触发器，其中，所述第一比较器的同相输入端及所述第二比较器的反向输入端分别连接所述采样端，所述第一比较器的反向输入端输入参考电压，所述第二比较器的同向输入端输入零电压，所述第一比较器的输出端连接所述RS触发器的复位端，所述第二比较器的输出端连接所述RS触发器的置位端，所述RS触发器的输出端连接所述驱动控制单元的控制端。
7.根据权利要求1所述LED驱动电源的控制器，其特征在于，所述驱动控制单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，其中，所述第一开关管及所述第二开关管为P型开关管，所述第三开关管及所述第四开关管为N型开关管，而且，所述第一开关管的源极及所述第二开关管的源极分别连接所述驱动供电单元的输出端，所述第一开关管的漏极与所述第三开关管的漏极相连，所述第二开关管的漏极与所述第四开关管的漏极相连，所述第三开关管的源极及所述第四开关管的源极分别连接所述接地端，所述第一开关管的栅极与所述第三开关管的栅极分别连接所述采样检测单元的输出端，第二开关管的栅极与所述第四开关管的栅极分别连接所述第一开关管的漏极。
8.一种LED驱动电源，用于驱动LED光源，且包括供电模块、功率开关管、采样电阻、储能电感和续流二极管，其特征在于，还包括权利要求1-7任一项所述的控制器，而且，
所述储能电感的第一端连接所述采样电阻的第二端，所述储能电感的第二端连接所述LED光源的正极，所述LED光源的负极分别连接所述供电模块的输出地及所述续流二极管的正极，所述续流二极管的负极连接所述采样端。
9.根据权利要求8所述的LED驱动电源，其特征在于，还包括：
连接在所述供电模块的正输出端及输出地之间的输入电容；
连接在所述LED光源的正负极之间的输出电容。
10.根据权利要求8所述的LED驱动电源，其特征在于，所述供电模块包括整流桥。
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