CN201418176Y - 一种升压电路及led驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于集成电路领域，提供了一种升压电路及LED驱动器，其中升压电路包括电感、功率管、二极管，所述电感的一端连接输入电压，所述电感的另一端连接至所述功率管的漏极，所述电感的另一端还与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极输出电压；所述升压电路还包括：电荷泵电路，所述电荷泵电路的输入端与所述输入电压连接，所述电荷泵电路的输出端连接至所述功率管的栅极，所述功率管的源极接地。本实用新型提供的升压电路通过电荷泵电路对功率管的栅源极之间的电压进行升压，从而减小了功率管的整体功率损耗，提高了升压效率。

Description

一种升压电路及LED驱动器

技术领域

本实用新型属于集成电路领域.，尤其涉及一种升压电路及LED驱动器。

背景技术

现有技术提供的升压电路如图1所示，输入电压V_IN经过电感L后分成两路，一路流向功率管1的漏极D，另一路经过二极管D1后输出电压V_OUT，功率管1的栅极G连接信号驱动单元201；由于用于驱动功率管1的电压为输入电压V_IN，当输入电压V_IN的大小与功率管1的阈值电压V_TH大小接近时，功率管1导通时的导通电阻R_ON的阻值会变大，这样会增加功率管的功率损耗，降低升压效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种升压电路，旨在解决现有的升压电路中当输入电压与功率管的阈值电压接近时，功率管的导通电阻变大导致功率损耗大、升压效率低的问题。

本实用新型是这样实现的，一种升压电路，包括电感、功率管、二极管，所述电感的一端连接输入电压，所述电感的另一端连接至所述功率管的漏极，所述电感的另一端还与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极输出电压；所述升压电路还包括：

电荷泵电路，所述电荷泵电路的输入端与所述输入电压连接，所述电荷泵电路的输出端连接至所述功率管的栅极，所述功率管的源极接地。

在本实用新型实施例中，电荷泵电路包括升压模块，所述升压模块进一步包括：

信号驱动单元、第一控制开关、第二控制开关以及储释能元件；

所述第一控制开关的固定端通过所述储释能元件与所述第二控制开关的固定端连接；

所述第一控制开关的第一触点接地，所述第一控制开关的第二触点与所述信号驱动单元的输出端连接；

所述第二控制开关的第一触点与所述输入电压连接，所述第二控制开关的第二触点连接至所述功率管的栅极；

所述信号驱动单元的输入端与所述输入电压连接，所述信号驱动单元的接地端接地，所述信号驱动单元的控制端连接控制信号，在所述控制信号的控制下由所述信号驱动单元的输出端输出电压信号。

作为本实用新型的一个实施例，所述升压模块还包括：

开关，所述开关的一端连接至所述功率管的栅极，所述开关的另一端接地。

作为本实用新型的一个实施例，所述第一控制开关以及所述第二控制开关为单刀双掷开关。

作为本实用新型的另一个实施例，所述储释能元件为电容。

作为本实用新型的另一个实施例，所述信号驱动单元进一步包括：

第一MOS管以及第二MOS管；

所述第一MOS管的栅极与所述第二MOS管的栅极连接并作为所述信号驱动单元的控制端连接控制信号，所述第一MOS管的源极作为所述信号驱动单元的输入端连接输入电压，所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极连接并作为所述信号驱动单元的输出端，所述第二MOS管的源极作为所述信号驱动单元的接地端接地。

作为本实用新型的一个实施例，所述升压电路还包括：滤波电容，所述滤波电容的一端连接至所述二极管的阴极，另一端接地。还包括负载电阻，所述负载电阻的一端连接至所述二极管的阴极，另一端接地。

本实用新型的另一目的在于提供一种采用上述升压电路的LED驱动器。

本实用新型实施例提供的升压电路通过电荷泵电路对功率管的栅源极之间的电压进行升压，从而减小了功率管的整体功率损耗，提高了升压效率。

附图说明

图1是现有技术提供的升压电路的电路图；

图2是本实用新型实施例提供的升压电路的电路图；

图3是本实用新型第一实施例提供的升压电路的电路图；

图4是本实用新型实施例提供的升压电路中信号驱动单元的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供的升压电路通过电荷泵电路对功率管的栅源极之间的电压进行升压，从而减小了功率管的导通电阻的损耗，提高了升压效率。

本实用新型实施例提供的升压电路主要应用于LED驱动器中，其电路如图2所示，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下。

升压电路包括：电感L、功率管1、二极管D1以及电荷泵电路2，电感L的一端连接输入电压V_IN，电感L的另一端连接至功率管1的漏极D，电感L的另一端还与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极输出电压V_OUT，电荷泵电路2的输入端与输入电压V_IN连接，电荷泵电路2的输出端连接至功率管1的栅极G，功率管1的源极S接地。

在本实用新型实施例中，电荷泵电路2包括升压模块20，其中升压模块20的电路如图3所示，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

升压模块20进一步包括：信号驱动单元201、第一控制开关S3、第二控制开关S4以及储释能元件202；第一控制开关S3的固定端B2通过储释能元件202与第二控制开关S4的固定端A2连接；第一控制开关S3的第一触点B0接地，第一控制开关S3的第二触点B1与信号驱动单元201的输出端C3连接；第二控制开关S4的第一触点A0与输入电压V_IN连接，第二控制开关S4的第二触点A1连接至功率管1的栅极G；信号驱动单元201的输入端C2与输入电压V_IN连接，信号驱动单元201的接地端C4接地，信号驱动单元201的控制端C1连接控制信号，在控制信号的控制下由信号驱动单元201的输出端C3输出电压信号。

作为本实用新型的一个实施例，升压模块20还包括：开关S5，开关S5的一端连接至功率管1的栅极G，开关S5的另一端接地。

在本实用新型实施例中，第一控制开关S3以及第二控制开关S4可以为单刀双掷开关；储释能元件202可以为电容C0。

在本实用新型实施例中，信号驱动单元201的电路如图4所示，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下。

信号驱动单元201包括：第一MOS管2011以及第二MOS管2012；其中，第一MOS管2011的栅极G与第二MOS管2012的栅极连接并作为信号驱动单元201的控制端C1连接控制信号，第一MOS管2011的源极S作为信号驱动单元201的输入端C2连接输入电压V_IN，第一MOS管2011的漏极D与第二MOS管2012的漏极D连接并作为信号驱动单元201的输出端C3，第二MOS管2012的源极S作为信号驱动单元201的接地端C4接地。作为本实用新型的一个实施例，第一MOS管2011为PMOS管，而第二MOS管2012为NMOS管。

在本实用新型实施例中，升压电路还包括：滤波电容C_OUT，滤波电容C_OUT的一端连接至二极管D1的阴极，另一端接地。进一步还包括负载电阻R_LOAD，负载电阻R_LOAD的一端连接至二极管D1的阴极，另一端接地。

为了更进一步的说明本实用新型，现结合图1和图3举例说明如下：

当采用图1所示的电路时，在一个周期内，导通电阻R_ON损耗的功率W_RON为：

$W_{\mathrm{R\; ON}}={\∫}_0^T{I}_d^2{R}_{ON}\mathrm{dt}$

$={\∫}_0^{T_{\mathrm{ON}}}{\left(\frac{I_{\mathrm{PEAK}}}{T_{\mathrm{ON}}}t\right)}^2{R}_{\mathrm{ON}}\mathrm{dt}$

$=\frac{I_{\mathrm{PEAK}}^2}{T_{\mathrm{ON}}^2}{R}_{\mathrm{ON}}\frac{t^3}{3}{|}_0^{T_{\mathrm{ON}}}$ 因为： $\frac{I_d}{I_{\mathrm{PEAK}}}=\frac{t}{T_{\mathrm{ON}}}$

$=\frac{I_{\mathrm{PEAK}}^2{R}_{\mathrm{ON}}{T}_{\mathrm{ON}}}{3}$

一个周期内，升压电路输出端的输出功率W_OUT＝V_OUTI_OUTT，其中，T为周期；那么导通电阻R_ON损耗的功率W_RON与输出功率W_OUT之比为：

$\frac{W_{\mathrm{R\; ON}}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{I_{\mathrm{PEAK}}^2{R}_{\mathrm{ON}}{T}_{\mathrm{ON}}}{3V_{\mathrm{OUT}}{I}_{\mathrm{OUT}}T},=\frac{I_{\mathrm{PEAK}}^2{R}_{\mathrm{ON}}D}{3V_{\mathrm{OUT}}{I}_{\mathrm{OUT}}}---\left[1\right]$

由于临界非连续模式的占空比为：

$D=\frac{V_{\mathrm{OUT}}-V_{\mathrm{IN}}}{V_{\mathrm{OUT}}}---\left[2\right]$ 而

$\mathrm{\η}\frac{I_{\mathrm{PEAK}}}{2}{V}_{\mathrm{IN}}=V_{\mathrm{OUT}}{I}_{\mathrm{OUT}}---\left[3\right],$ 其中η为升压电路的升压效率；

将公式[2]和[3]代入公式[1]中得出：导通电阻R_ON损耗的功率W_RON与输出功率W_OUT之比为：

$\frac{W_{\mathrm{RON}}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{4R_{\mathrm{ON}}{I}_{\mathrm{OUT}}(V_{\mathrm{OUT}}-V_{\mathrm{IN}})}{3{\mathrm{\η}}^2{V}_{\mathrm{IN}}^2}---\left[4\right]$

其中，R_ON即为功率管1导通时的导通电阻。

当采用本实用新型提供的如图3所示的电路时，利用电荷泵电路2中的升压模块20将输入电压V_IN增加一倍后驱动功率管1：当第一控制开关S3的固定端B2与其第一触点B0接通且第二控制开关S4的固定端A2与其第一触点A0接通时，输入电压V_IN给电容C0充电，充电后电容C0两端的电压等于输入电压V_IN；由于功率管1的栅源极之间存在一个电容C_GS，且电容C0远远大于C_GS，当第一控制开关S3的固定端B2与其第二触点B1接通且第二控制开关S4的固定端A2与其第二触点A1接通时，此时，功率管1的栅源极电压V_GS等于信号驱动单元201的输出端C3输出的电压与电容C0两端的电压之和，即：V_GS＝2V_IN。

在一个周期内，电容C_GS充电一次在其上损耗的功率W_CGS为：

而在一个周期内，升压电路输出端输出功率W_OUT为：

W_OUT＝V_OUTI_OUTT

因此， $\frac{W_{\mathrm{CGS}}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{GS}}{V}_{\mathrm{GS}}^2}{V_{\mathrm{OUT}}{I}_{\mathrm{OUT}}T}=\frac{C_{\mathrm{GS}}{V}_{\mathrm{GS}}^{2}f}{2V_{\mathrm{OUT}}{I}_{\mathrm{OUT}}}---\left[5\right]$

其中，f为工作频率；假设系统工作频率为200KHZ；

综合上述可知，功率管1的功率损耗百分比为：

$\frac{W_{\mathrm{TOTAL}}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{W_{\mathrm{RON}}}{W_{\mathrm{OUT}}}+\frac{W_{\mathrm{CGS}}}{W_{\mathrm{OUT}}}---\left[6\right]$

现以具体的实例进行说明：假设某功率管1为NTD3055型MOS管，其当栅源极电压为5V时的导通电阻为：

R_ON(VGS＝5V)＝104mΩ，V_TH＝1.6V，C_GS＝700pF，利用MOS管的长沟模型，估计当栅源极电压V_GS＝3v时的导通电阻R_ON为：

$R_{\mathrm{ON}}=\frac{1}{K(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}---\left[7\right]$

104mΩ×K(5V-1.6V)＝R_ON(VGS＝3V)×K(3V-1.6V)，

R_ON(VGS＝3V)＝253mΩ

当输入电压V_IN＝3V时，由公式[4]可知，导通电阻R_ON的功率损耗百分比为：

$\frac{W_{\mathrm{RON}(\mathrm{VGS}=3V)}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{4\×253\mathrm{m\Ω}\×20\mathrm{mA}\×(60V-3V)}{3\×{0.8}^2\×3^2{V}^2},=6.68\%$

当通过本实用新型提供的电荷泵电路将NTD3055型MOS管的栅源极之间的电压增加一倍后，栅源极电压V_GS因电荷泵升至6V，由公式[7]可得出功率管的导通电阻R_ON为80mΩ；由公式[4]可知，导通电阻R_ON的功率损耗百分比为：

$\frac{W_{\mathrm{RON}(\mathrm{VGS}=6V)}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{4\×80\mathrm{m\Ω}\×20\mathrm{mA}\×(60V-3V)}{3\×{0.8}^2\×3^2{V}^2},=2.11\%$

而NTD3055型MOS管的栅源极之间的电容为：C_GS＝700pF；

通过公式[5]可以算出当输入电压V_IN＝3V，栅源极电压V_GS＝3v时，电容C_GS的功率损耗百分比为：

$\frac{W_{\mathrm{CGS}(\mathrm{VGS}=3V)}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{700\mathrm{pF}\×3^2{V}^2\×200\mathrm{kHz}}{2\×60V\×20\mathrm{mA}},=0.05\%$

当通过本实用新型提供的电荷泵电路将NTD3055型MOS管的栅源极之间的电压增加一倍后，即输入电压V_IN＝3V，而栅源极电压V_GS＝6v时，电容C_GS的功率损耗百分比为：

$\frac{W_{\mathrm{CGS}(\mathrm{VGS}=6V)}}{W_{\mathrm{OUT}}}=\frac{700\mathrm{pF}\×6^2{V}^2\×200\mathrm{kHz}}{2\×60V\×20\mathrm{mA}},=0.21\%$

由公式[6]可知，现有技术中功率管1的总损耗为：6.68％+0.05％＝6.73％；而采用本实用新型提供的升压电路后，功率管1的总损耗为：2.11％+0.21％＝2.32％；因此，采用本实用新型实施例提供的电荷泵电路对功率管1的栅源极之间的电压进行升压后，功率损耗百分比相对于现有技术可以降低几个百分点，大大的提高了升压电路的升压效率。

本实用新型实施例提供的升压电路通过电荷泵电路对功率管的栅源极之间的电压进行升压，从而减小了功率管的整体功率损耗，提高了升压效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种升压电路，包括电感、功率管、二极管，所述电感的一端连接输入电压，所述电感的另一端连接至所述功率管的漏极，所述电感的另一端还与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极输出电压；其特征在于，所述升压电路还包括：

电荷泵电路，所述电荷泵电路的输入端与所述输入电压连接，所述电荷泵电路的输出端连接至所述功率管的栅极，所述功率管的源极接地。

2、如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述电荷泵电路包括升压模块，所述升压模块进一步包括：

信号驱动单元、第一控制开关、第二控制开关以及储释能元件；

所述第一控制开关的固定端通过所述储释能元件与所述第二控制开关的固定端连接；

所述第一控制开关的第一触点接地，所述第一控制开关的第二触点与所述信号驱动单元的输出端连接；

所述第二控制开关的第一触点与所述输入电压连接，所述第二控制开关的第二触点连接至所述功率管的栅极；

所述信号驱动单元的输入端与所述输入电压连接，所述信号驱动单元的接地端接地，所述信号驱动单元的控制端连接控制信号，在所述控制信号的控制下由所述信号驱动单元的输出端输出电压信号。

3、如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述升压模块还包括：

开关，所述开关的一端连接至所述功率管的栅极，所述开关的另一端接地。

4、如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述第一控制开关以及所述第二控制开关为单刀双掷开关。

5、如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述储释能元件为电容。

6、如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述信号驱动单元进一步包括：

第一MOS管以及第二MOS管；

所述第一MOS管的栅极与所述第二MOS管的栅极连接并作为所述信号驱动单元的控制端连接控制信号，所述第一MOS管的源极作为所述信号驱动单元的输入端连接输入电压，所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极连接并作为所述信号驱动单元的输出端，所述第二MOS管的源极作为所述信号驱动单元的接地端接地。

7、如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路还包括：

滤波电容，所述滤波电容的一端连接至所述二极管的阴极，另一端接地。

8、如权利要求7所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路还包括：

负载电阻，所述负载电阻的一端连接至所述二极管的阴极，另一端接地。

9、一种LED驱动器，其特征在于，所述LED驱动器包括权利要求1-8任一项所述的升压电路。

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