CN112105123A - 一种低功耗恒流的控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗恒流控制电路，其第二比较器输出端连接第二开关单元，通过第二开关单元控制负载电流的恒定。第二比较器通过第二基准产生模块从母线直接取电保证其工作电压，避免从负载低电位端取电导致的主功率恒流控制模块的电压过高从而功耗过大的问题，从母线取电的方式有效降低电路的功耗，实现电路的高效率。本发明还公开了一种低功耗恒流的控制方法，该方法解决现在技术所存在的由于传统线性芯片的JFET和POWERMOS集成在一起，芯片从VLED‑端取电，导致主功率环路芯片的效率降低的问题，有效提高LED驱动电路的工作效率。本发明作用效果显著，适于广泛推广。

Description

一种低功耗恒流的控制电路及方法
技术领域
本发明涉及LED驱动电路技术领域，特别涉及，一种低功耗恒流的控制电路及方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode发光二极管)照明具有亮度高、效率高、寿命长等优势被广泛采用。近年来随着社会的进步，对LED照明有了更高的要求，要求高PF(Power Factor功率因数)、无频闪、高效率，从而降低对人眼的伤害，并且提高对能源的利用率。
目前，传统的LED驱动是通过两个单独的线性芯片配合使用来实现的，一颗芯片做充电环路来实现高PF；另一颗芯片做主功率恒流环路来实现无频闪(如图1至图5所示)，传统的LED驱动电路主要包括电源、电容和LED，传统线性芯片的JFET(Junction Field-Effect Transistor结型场效应晶体管)和POWERMOS是集成在一起的，芯片需要从VLED-端取电，且获取的电压要高于芯片正常工作所需的最小工作电压VST芯片才能正常工作，而VST一般远高于芯片正常工作时VG-VTH的电压，为了消除频闪，母线波谷的电压VIN必须大于VLED+VST，主功率环路芯片的功耗PLOSS＝ILED×VLED-＝ILED×VST，这无疑会使主功率环路芯片上产生更多的损耗，导致效率降低。
针对上述问题，亟需设计一种解决现有技术存在的由于传统线性芯片的JFET和POWERMOS是集成在一起的，芯片需要从VLED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低的问题的电路及方法。
发明内容
针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种低功耗恒流的控制电路及方法，以解决现在技术所存在的由于传统线性芯片的JFET和POWERMOS是集成在一起的，芯片需要从VLED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低的问题。
本发明提供了一种低功耗恒流控制电路包括整流模块、负载和主功率恒流控制模块，所述主功率恒流控制模块包括第二比较器、第二基准产生模块和第二开关单元，其中所述第二基准产生模块接入母线电源并为所述第二比较器提供第二基准参考值；所述第二比较器获取所述负载电信号并与所述第二基准参考值比较，进而控制所述第二开关单元工作。
优选地，还包括充电环路恒流控制模块，所述充电环路恒流控制模块包括第一比较器、第一基准产生模块和第一开关单元，其中所述第一基准产生模块接入母线电源并为所述第一比较器提供第一基准参考值；
所述充电环路恒流控制模块上连接有储能模块，所述储能模块和所述充电环路恒流控制模块连接在所述整流模块的两端；
所述第一比较器获取所述储能模块电信号并与所述第一基准参考值比较，进而控制所述第一开关单元工作；
所述储能模块低电位端通过二极管接地，所述二极管正极接地，负极与所述储能模块连接。
优选地，所述主功率恒流控制模块与所述充电环路恒流控制模块采用同一基准产生模块。
优选地，所述基准产生模块包括结型场效应晶体管、电压转换单元、带隙基准单元和基准电压单元，其中所述结型场效应晶体管从母线取电，将电压提供给所述电压转换单元；所述电压转换单元将母线电压转换为工作电压；所述带隙基准单元将工作电压转换为零温度系数电压；所述基准电压单元从零温度系数电压中获取预设参考值。
优选地，所述基准产生模块还包括过温保护模块，所述过温保护模块在温度高于预设值时，将所述基准电压单元输出值置零。
优选地，所述第二开关单元和所述第一开关单元皆为MOS管，所述MOS管在饱和区状态下工作。
优选地，所述充电环路恒流控制模块和所述储能模块之间设置有二极管，所述二极管用于防止电流倒流，所述二极管使电流从所述储能模块朝向所述充电环路恒流控制模块单向导通。
本发明还提供一种低功耗恒流的控制方法，具体步骤包括：基准产生模块从母线取电获取基准参考值，所述基准参考值分别为主功率恒流控制模块和充电环路恒流控制模块提供基准。
优选地，所述基准参考值包括第一基准参考值和第二基准参考值，第二比较器根据所述第二基准参考值和负载电信号控制第二开关单元工作，第一比较器根据所述第一基准参考值和储能模块电信号控制第一开关单元工作。
优选地，所述基准产生模块从母线取电获取基准参考值的具体步骤包括：从母线取电后，通过电压转换单元将母线电压转换为芯片工作电压，并提供给带隙基准模块，所述带隙基准模块将芯片工作电压转换为零温度系数电压，再通过基准电压单元产生基准参考值。
优选地，所述第一比较器控制所述第一开关单元工作的具体步骤包括：
当整流后母线电压大于储能模块两端的电压时，第一比较器控制所述第一开关单元导通，储能模块充电；
当整流后母线电压小于储能模块两端的电压时，第一比较器控制所述第一开关单元关断，二极管单向导通，储能模块放电。
由上述方案可知，本发明提供的一种低功耗恒流控制电路，其第二比较器输出端连接第二开关单元，通过第二开关单元控制负载电流的恒定。第二比较器通过第二基准产生模块从母线直接取电保证其工作电压，避免从负载低电位端取电导致的主功率恒流控制模块的电压过高从而功耗过大的问题，从母线取电的方式有效降低电路的功耗，实现电路的高效率，同时延长使用寿命。本发明还提供的一种低功耗恒流的控制方法，该方法解决现在技术所存在的由于传统线性芯片的JFET和POWERMOS是集成在一起的，芯片需要从VLED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低的问题，有效提高LED驱动电路的工作效率。本发明作用效果显著，适于广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统LED驱动电路的电路框图；
图2为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图一；
图3为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图二；
图4为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图三；
图5为图1所示的传统LED驱动电路的工作波形图四；
图6为本发明实施例提供的一种低功耗恒流控制电路的电路框图；
图7为图6所示的一种低功耗恒流控制电路的工作波形图一；
图8为图6所示的一种低功耗恒流控制电路的工作波形图二；
图9为图6所示的一种低功耗恒流控制电路的工作波形图三；
图10为图6所示的一种低功耗恒流控制电路的工作波形图四。
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。
请参阅图6，现对本发明提供的一种低功耗恒流控制电路的一种具体实施方式进行说明。该种低功耗恒流控制电路包括整流模块、负载和主功率恒流控制模块，主功率恒流控制模块包括第二比较器、第二基准产生模块和第二开关单元，其中第二基准产生模块接入母线电源并为第二比较器提供第二基准参考值；第二比较器获取负载电信号并与第二基准参考值比较，进而控制第二开关单元工作。第二比较器根据采样信号和基准信号控制第二开关通断，维持负载LED模块恒流。
请参阅图1，传统做法芯片采用LED负端取电的方式，此时LED负端电压必须高于芯片最小的工作电压，但是芯片最小工作电压高于LED负端电压。当LED负端电压低于芯片最小工作电压时，芯片工作不正常会造成频闪，为此母线的波谷电压必须大于LED负载电压与芯片最小工作电压之和。请一并参阅图7至图10，与现有技术相比，本发明将芯片通过母线直接取电避免从负载低电位端取电导致主功率恒流控制模块的电压过高从而功耗过大的问题，只需要保证开关管栅极电压与开关管开启电压差值小于LED负端电压就可以实现无频闪，此时芯片供电不受LED负端电压制约，有效降低功耗，大幅度提高系统效率，延长使用寿命。
在本实施例中，该种低功耗恒流控制电路还包括充电环路恒流控制模块，充电环路恒流控制模块包括第一比较器、第一基准产生模块和第一开关单元，其中第一基准产生模块接入母线电源并为第一比较器提供第一基准参考值；充电环路恒流控制模块上连接有储能模块，储能模块和充电环路恒流控制模块连接在整流模块的两端；第一比较器获取储能模块电信号并与第一基准参考值比较，进而控制第一开关单元工作；储能模块低电位端通过二极管接地，二极管正极接地，负极与储能模块连接。
通过充电环路恒流控制模块控制储能模块进行充放电，当整流后的输入电压大于储能模块的电压时，储能模块进入充电过程，此时，整流模块、储能模块和充电环路恒流控制模块构成充电回路，充放电产生电路产生由母线到接地端的电流，该电流可以是恒定电流，也可以是随驱动电路中的某个或某些电压或电流的变化而变化的电流，通过充电环路恒流控制模块可以控制储能模块充电电流的大小；当整流后的输入电压小于储能模块的充电电压时，储能模块进入放电过程，此时储能模块、LED负载、主功率恒流控制模块和充电环路恒流控制模块构成放电回路，充电环路恒流控制模块中电流接地端指向母线方向。
当母线电压大于储能模块的电压时，母线电压对储能模块充电并同时提供负载电流，当母线电压小于储能模块的电压时，通过储能模块为被控负载供电，从而被控负载供电稳定，消除了纹波。特别对于LED负载，储能模块的电压始终稍大于LED负载的负载电压，可实现无频闪。并且，储能模块的充电电流作为交流输入电流的一部分，可实现交流输入电流与交流输入电压呈公共对称轴关系，交流输入电流与交流输入电压的波形一致性提高，从而提高PF。其中储能模块可以为电容。
当整流后母线电压大于电容两端的电压时，第一开关单元导通，产生由母线至接地端方向的电流，整流模块、电容和开关单元构成充电回路，由母线电压向LED负载和电容供电；当整流后母线电压小于电容C1两端的电压时，第一开关单元关断，在二极管D1产生由接地端至母线方向的电流，电容、LED负载、负载电流控制电路和二极管D1构成放电回路，由电容C1向LED负载供电。其中第一开关单元、第二开关单元可以为NMOS或PMOS等电子元件。
在本实施例中，主功率恒流控制模块与充电环路恒流控制模块采用同一基准产生模块。基准产生模块包括结型场效应晶体管、电压转换单元、带隙基准单元和基准电压单元，其中结型场效应晶体管从母线取电，将电压提供给电压转换单元；电压转换单元将母线电压转换为芯片工作电压；带隙基准单元将芯片工作电压转换为零温度系数电压；基准电压单元从零温度系数电压中获取预设参考值。基准产生模块还包括过温保护模块，过温保护模块在温度高于预设值时，将基准电压单元输出值置零。与现有技术相比，该种设置方式省略一个基准产生模块，极大的节省成本。
预设参考值包括VREF1和VREF2，第一比较器接收VREF1电压信号在其内部进行电压的比较，进而输出控制信号控制第一开关单元导通或断开；第二比较器接收VREF2电压信号在其内部进行电压的比较，进而输出控制信号控制第二开关单元导通或断开。第二开关单元和第一开关单元皆为MOS管，MOS管在饱和区状态下工作。基准产生模块还包括过温保护模块，过温保护模块可以为独立的JFET，实际中不限于独立的JFET，在此，只要能够实现上述过温保护模块相关性能作用的均在本申请文件保护的范围之内。
在本实施例中，充电环路恒流控制模块和储能模块之间设置有二极管，二极管用于防止电流倒流，二极管使电流从储能模块朝向充电环路恒流控制模块单向导通。
请一并参阅图1至图10，现对本发明提供的一种低功耗恒流的控制方法的一种具体实施方式进行说明。该种低功耗恒流的控制方法的具体步骤包括：基准产生模块从母线取电获取基准参考值，基准参考值分别为主功率恒流控制模块和充电环路恒流控制模块提供基准。
基准参考值包括第一基准参考值和第二基准参考值，第二比较器根据第二基准参考值和负载电信号控制第二开关单元工作，第一比较器根据第一基准参考值和储能模块电信号控制第一开关单元工作。
第二基准产生模块从母线取电获取第二基准参考值的具体步骤包括：从母线取电后，通过电压转换单元将母线电压转换为芯片工作电压，并提供给带隙基准模块，带隙基准模块将芯片工作电压转换为零温度系数电压，再通过基准电压单元产生基准参考值。
具体的实现步骤可以为：
第二基准产生模块从母线VIN取电，并为第二比较器正输入端提供第二基准参考值VREF2；
第二比较器负输入端从负载处获取第二比较值；
第二比较器根据第二基准参考值VREF2和第二比较值控制第二开关单元POWERMOS2工作。
第一基准产生模块从母线VIN取电，并为第一比较器正输入端提供第一基准参考值VREF1；
第一比较器负输入端从储能模块处获取第一比较值；
第一比较器根据第一基准参考值VREF1和第一比较值控制第一开关单元POWERMOS1工作。
第一比较器控制第一开关单元工作的具体步骤包括：
当整流后母线电压大于储能模块两端的电压时，第一比较器控制第一开关单元导通，储能模块充电；
当整流后母线电压小于储能模块两端的电压时，第一比较器控制第一开关单元关断，二极管单向导通，储能模块放电。
第二开关单元工作在饱和区，即满足VG2-VTH≤VLED-，其中VLED-为LED模块低电位端的电压，VG2为第二开关单元的栅极电压，VTH为第二开关单元的开启电压，从而保证LED无频闪。
主功率恒流控制模块的功耗为PLOSS＝ILED×VLED-＝ILED×(VG2-VTH)，其中ILED为经过LED模块的电流。
在本实施例中，主功率恒流控制模块与充电环路恒流控制模块采用同一基准产生模块；基准产生模块从母线取电，并获取第一基准参考值和第二基准参考值；基准产生模块将第一基准参考值传输至第一比较器，将第二参考值传输至第二基准比较器。
在本实施例中，控制器内部集成独立的JFET，该JFET从母线取电，芯片的供电不再受LED-端电压的制约，POWERMOS模块保证VG2-VTH≤VLED-即可实现无频闪，主功率环路芯片的功耗PLOSS＝ILED×VLED-＝ILED×(VG2-VTH)，而(VG2-VTH)电压远远小于传统线性芯片的最小工作电压VST，从而大幅度改善了系统的工作效率。该方法解决现在技术所存在的由于传统线性芯片的JFET和POWERMOS是集成在一起的，芯片需要从VLED-端取电，导致主功率环路芯片的效率降低的问题，有效提高LED驱动电路的工作效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种低功耗恒流控制电路，包括整流模块、负载和主功率恒流控制模块，其特征在于，所述主功率恒流控制模块包括第二比较器、第二基准产生模块和第二开关单元，其中所述第二基准产生模块接入母线电源并为所述第二比较器提供第二基准参考值；所述第二比较器获取所述负载电信号并与所述第二基准参考值比较，进而控制所述第二开关单元工作。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，还包括充电环路恒流控制模块，所述充电环路恒流控制模块包括第一比较器、第一基准产生模块和第一开关单元，其中所述第一基准产生模块接入母线电源并为所述第一比较器提供第一基准参考值；
所述充电环路恒流控制模块上连接有储能模块，所述储能模块和所述充电环路恒流控制模块连接在所述整流模块的两端；
所述第一比较器获取所述储能模块电信号并与所述第一基准参考值比较，进而控制所述第一开关单元工作；
所述储能模块低电位端通过二极管接地，所述二极管正极接地，负极与所述储能模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述主功率恒流控制模块与所述充电环路恒流控制模块采用同一基准产生模块。
4.根据权利要求3所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述基准产生模块包括结型场效应晶体管、电压转换单元、带隙基准单元和基准电压单元，其中所述结型场效应晶体管从母线取电，将电压提供给所述电压转换单元；所述电压转换单元将母线电压转换为工作电压；所述带隙基准单元将工作电压转换为零温度系数电压；所述基准电压单元从零温度系数电压中获取预设参考值。
5.根据权利要求4所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述基准产生模块还包括过温保护模块，所述过温保护模块在温度高于预设值时，将所述基准电压单元输出值置零。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述第二开关单元和所述第一开关单元皆为MOS管，所述MOS管在饱和区状态下工作。
7.根据权利要求2-5任一项所述的一种低功耗恒流控制电路，其特征在于，所述充电环路恒流控制模块和所述储能模块之间设置有二极管，所述二极管用于防止电流倒流，所述二极管使电流从所述储能模块朝向所述充电环路恒流控制模块单向导通。
8.一种低功耗恒流的控制方法，其特征在于，具体步骤包括：基准产生模块从母线取电获取基准参考值，所述基准参考值分别为主功率恒流控制模块和充电环路恒流控制模块提供基准。
9.根据权利要求8所述的一种低功耗恒流的控制方法，其特征在于，所述基准参考值包括第一基准参考值和第二基准参考值，第二比较器根据所述第二基准参考值和负载电信号控制第二开关单元工作，第一比较器根据所述第一基准参考值和储能模块电信号控制第一开关单元工作。
10.根据权利要求9所述的一种低功耗恒流的控制方法，其特征在于，所述基准产生模块从母线取电获取基准参考值的具体步骤包括：从母线取电后，通过电压转换单元将母线电压转换为芯片工作电压，并提供给带隙基准模块，所述带隙基准模块将芯片工作电压转换为零温度系数电压，再通过基准电压单元产生基准参考值。
11.根据权利要求10所述的一种低功耗恒流的控制方法，其特征在于，所述第一比较器控制所述第一开关单元工作的具体步骤包括：
当整流后母线电压大于储能模块两端的电压时，第一比较器控制所述第一开关单元导通，储能模块充电；
当整流后母线电压小于储能模块两端的电压时，第一比较器控制所述第一开关单元关断，二极管单向导通，储能模块放电。
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