CN201928475U - 具有升压和升降压功能的大功率led灯驱动单片集成电路 - Google Patents
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Abstract
用于大功率LED灯驱动的单片集成电路，其特征是包括101欠压锁定、102软启动、103电压基准、104误差放大器、105频率补偿、106比较器、107加法器、108振荡器、109锁存器、110开路保护、111过热保护、112驱动器、113过流保护和114高压开关；其特征还在于具有五个管脚，对应管脚号P1是GND、P2是DIM、P3是SW、P4是VIN、P5是CS；其中，P4为外部直流电源输入端；P3为开关信号输出端；P1为集成电路的公共地端；P5为外部恒流采样电压的反馈端；P2为LED灯亮度调整控制端。
Description
技术领域
本实用新型专利是一颗具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路。本专利可以直接恒流驱动各种常规的LED模块或LED发光单元，实现简单、高效、节能的大功率LED照明方案，诸如大功率LED路灯、LED日光灯、LED广告灯、LED警示灯、LED幕墙、LED背光等方案。
背景技术
LED照明作为一种新型的光源，以其高可靠性、简单高效、节能环保、长寿等优异的特性正在不断成长发展和逐渐得到大规模的应用和普及。
从技术上看，除了LED发光器件本身的性能外，决定LED照明灯性能的核心是LED驱动电路的品质，驱动电路的优劣决定了LED灯的发光效率、寿命、可靠性、光衰减等关键特性。
单颗LED管芯常规单元有0.5W、1W、3W、5W等，LED正常工作时电压常规为3.2V～3.6V左右，如果需要更大功率的LED照明需求，就需要若干个单颗的LED管芯通过串联，并联来组合为更大功率的模组使用；考虑到多个LED组合时，必须要求每个LED管芯的亮度要相互匹配并保持很好的一致性，LED管芯自身的亮度由恒流驱动电流来决定，如果驱动电流能够保持一致性，就能够间接保持每个LED管芯亮度的一致性；因此，LED串联组合相对灵活简单，能够保证每颗LED管芯上的电流完全相等，从而保证每颗LED管芯亮度的一致性；但是最大串联的数量有限(取决于恒流驱动集成电路的最高耐压)，当单独靠串联满足不了所要求的最大功率时，就需要若干个LED串来并联组合，为了保持LED串相互之间亮度的一致性，就要通过驱动集成电路来平衡和维持每串的电流一致性。
因此，常规的大功率LED照明灯驱动集成电路通过输出LED串联来实现大功率照明，由于多颗LED串联时的电压比较高，故驱动集成电路一般选取升压恒流输出的结构；集成电路的最高输出电压能力决定了能够串联的最大LED的数量；特殊的，有时候供电的直流电源不一定刚好小于输出LED串的电压，这时候可能需要具有升-降压变换恒流输出的结构；鉴于此，市场期望能有支持更多颗LED串联，同时又具有升压和升-降压功能的大功率LED恒流驱动集成电路。
本实用新型专利提供一颗简单、高效、长寿、小巧的大功率LED恒流单片驱动集成电路，同时具有升压和升降压两种功能，通过简单的系统设计和连接，可以设计出符合小体积和大功率需求的具有调光功能的LED照明灯。
发明内容
本专利采用创新的电路结构和独立开发的制造工艺，设计制造出一颗具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路，这颗芯片可以工作在升压和升降压两种模式(根据外部器件连接方式不同)；由于采用自主开发的高压60V BCD(Biploar & CMOS & DMOS process)制造工艺，可以支持到输出最多16颗LED管芯的串联组合。
本专利是一颗用于大功率LED照明灯驱动的单片集成电路恒流驱动器，包括欠压锁定、软启动、电压基准电路、误差放大器、频率补偿、比较器、加法器、振荡器、锁存器、开路保护、过热保护、驱动器、过流保护电路和高压开关功率管；其中欠压锁定电路检测到输入工 作电压低于4V时，锁定输出，芯片不工作；软启动电路控制芯片的输出脉冲宽度(PWM)在上电时，占空比慢慢张开，从而减小输入电源的浪涌电流，提高可靠性安全性；电压基准电路提供整个芯片内各模块工作所需要的偏置电流源，工作电压3V，基准电压0.22V等；误差放大器对两个输入信号(输出电压采样引脚端CS和基准电压0.22V)进行误差放大；误差放大器的输出端接比较器的负输入端，频率补偿电路在误差放大器的输出端做整个开关电源回路的动态补偿，来确保回路工作的稳定性；输出开关管的开关峰值电流采样端和振荡器输出的三角波信号在加法器中做运算后输出连接到比较器的正输入端，经过比较放大后输出到锁存器；锁存器经过驱动器后驱动高压开关管(60V VDMOS)工作在开关状态；另外还有开路保护电路、过热保护电路、过流保护电路来时时检测输出电压、芯片温度、开关电流等信息，如果超出正常值就输出控制信号给锁存器，从而关断输出开关管，起到安全保护作用。
本专利的工作原理是：工作在开关状态，直接把低压直流电高效率的变换为高压直流电，具有输出恒定电流采样端，适时监测输出电流的变化，根据输出电流的变化来快速调整高压开关管的占空比(导通时间)，从而达到输出恒流的功能。
附图说明
图1是本专利“具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路”内部方框图；
图2是本专利“具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路”实现的升压型大功率LED灯典型应用电路示意图；
图3是本专利“具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路”实现的升降压型大功率LED灯典型应用电路示意图。
具体实施方式
图1是本专利“具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路”100的内部方框图；欠压锁定电路101检测到芯片100输入工作电压VIN(管脚序号P4)低于4V时，锁定输出，芯片不工作；软启动电路102控制芯片100的输出脉冲宽度(PWM)在上电时，占空比慢慢张开，从而减小输入电源的浪涌电流，提高可靠性安全性；电压基准电路103提供整个芯片100内各模块工作所需要的偏置电流源，工作电压3V，基准电压0.22V等；误差放大器104对两个输入信号(输出电压采样引脚端CS(管脚序号P5)和基准电压0.22V)进行误差放大；误差放大器的输出端接比较器106的负输入端，频率补偿电路105在误差放大器的输出端做整个开关电源回路的动态补偿，来确保回路工作的稳定性；输出开关管的开关峰值电流采样端和振荡器108输出的三角波信号在加法器107中做运算后输出连接到比较器106的正输入端，经过比较放大后输出到锁存器109；锁存器经过驱动器112后驱动高压开关管114(60V VDMOS)工作在开关状态(开关输出端SW管脚序号P3)；另外还有开路保护电路110、过热保护电路111、过流保护电路113来时时检测输出电压、芯片温度、开关电流等信息，如果超出正常值就输出控制信号给锁存器，从而关断输出开关管，起到安全保护作用；芯片的调光信号控制端DIM(管脚序号P2)可以打开或关断芯片，可以在此管脚输入脉宽调制信号通过控制占空比的变化来实现调光功能；GND为芯片的公共地线端(管脚序号P1)。
图2是本专利“具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路”实现的升压型大功率LED灯典型应用电路示意图200；图中的所有器件的参考指标见下表：
| 器件编号 | 器件类型 | 参数指标 |
| 100 | 集成电路 | XL60XX |
| 201 | 滤波电容 | 220uf/50V |
| 202 | 电感线圈 | 47uh/3A |
| 203 | 肖特基二极管 | SK36 |
| 204 | 滤波电容 | 100uf/50V |
| 205 | 恒流采样电阻 | ILED＝0.22V/RS |
| 206 | LED管芯组成的串 | 16颗1W/3W/5W LED串 |
对于要驱动16颗LED管芯串联的模组，串联电压为51V左右(每个LED管芯3.2V)，输出恒流电流常规为350ma(1W LED管芯)或1050ma(3W LED管芯)或1750ma(5W LED管芯)，常规直流电源一般为12V～36V左右，这就需要通过高效率的升压直流电源变换且恒流输出电路来驱动。
常规直流电源(12V～36V)经滤波电容201滤波后直接输入到芯片100的电源输入端(管脚序号P4)和储能电感202的一端；电感202的另一端接肖特基二极管203的阳极和芯片100的开关信号输出端SW(管脚序号P3)；肖特基二极管203的阴极接输出滤波电容204的正端和输出LED串联模组206的阳极；恒流采样电阻205串联在LED模组206的阴极和地线(GND)之间，采样电阻205采集流过LED串的电流并反馈给芯片100的CS端(管脚序号P5)，芯片内部根据采集到的输出电流大小来调整输出开关信号的占空比，从而使输出电流稳定达到恒流的目的，输出恒流电流的大小通过205来设置(ILED＝0.22V/RS)；芯片的调光控制端DIM(管脚序号P2)可以用来实现LED灯的调光功能，在该引脚输入脉宽调制信号，控制占空比的变化可以调整LED发光的亮度。
图3是本专利“具有升压和升降压功能的大功率LED灯驱动单片集成电路”实现的升降压型大功率LED灯典型应用电路示意图300；图中的所有器件的参考指标见下表：
| 器件编号 | 器件类型 | 参数指标 |
| 100 | 集成电路 | XL60XX |
| 301 | 滤波电容 | 220uf/50V |
| 302/303 | 开关变压器源/副边绕组 | 匝数比1∶1，电感量10uh |
| 304 | 耦合电解电容 | 22uf/50V |
| 305 | 肖特基二极管 | SK36 |
| 306 | 滤波电容 | 220uf/25V |
| 307 | 恒流采样电阻 | ILED＝0.22V/RS |
| 308 | LED管芯组成的串 | 6颗1W/3W/5W LED串 |
在很多LED灯的应用中，往往存在这样一种情况，LED模组的功率和串联的数量已确定(即输出电压和输出电流确定)，但是输入的电压却变化范围很大(比如说太阳光供电、风力发电、市电波动等)，输入的电压有可能比输出电压低，也有可能比输出电压高，这就需要驱动芯片具有升降压变换功能，来确保输出LED灯模组能够正常工作；
假定输出驱动6颗LED管芯(1W或者3W或者5W)组成的串，但是输入电压范围是12V～36V时，芯片100必须工作在升降压的工作模式，输入直流电压(12V～36V)经滤波电容301滤波后直接输入到芯片100的电源输入端(管脚序号P4)和开关变压器的源边线圈302的一端，源边线圈302的另一端接到芯片100的开关信号输出端SW(管脚序号P3)和藕合电容304的正端；开关变压器的副边线圈303的一端(同名端)接地，303的另一端接肖特基二极管305的阳极和耦合电容304的负端；肖特基二极管305的阴极接输出滤波电容306的正端和输出LED串联模组308的阳极；恒流采样电阻307串联在LED模组308的阴极和地线(GND)之间，采样电阻307采集流过LED串的电流并反馈给芯片100的CS端(管脚序号P5)，芯片内部根据采集到的输出电流大小来调整输出开关信号的占空比，从而使输出电流稳定达到恒流的目的，输出恒流电流的大小通过307来设置(ILED＝0.22V/RS)；芯片的调光控制端DIM(管脚序号P2)可以用来实现LED灯的调光功能，在该引脚输入脉宽调制信号，控制占空比的变化可以调整LED发光的亮度。
本专利芯片100的技术核心是：
[1]用于大功率LED恒流驱动的单片全功能集成设计，使得外围器件少，系统体积小，效率高，系统设计方便、灵活、容易集成到LED灯具内；
[2]采用创新的电路结构和独立开发的制造工艺(高压60V BCD)，可以支持到输出最多16颗LED管芯的串联组合；
[3]可以同时工作在升压和升降压两种模式(根据外部器件连接方式不同)；
[4]由于芯片100内功能全集成，同时具备过温保护、过流保护、短路保护、输出LED开路保护等完善的安全保护机制，因此系统的可靠性、稳定性、安全性更高。
Claims (2)
1.用于大功率LED灯驱动的单片集成电路，其特征是包括欠压锁定、软启动、电压基准、误差放大器、频率补偿、比较器、加法器、振荡器、锁存器、开路保护、过热保护、驱动器、过流保护和高压开关；其中欠压锁定检测到输入工作电压低于4V时，锁定输出；电压基准提供整个芯片内各模块工作所需要的偏置电流源，工作电压3V，基准电压0.22V；误差放大器对输出电压采样引脚端CS和基准电压0.22V进行误差放大；误差放大器的输出端接比较器的负输入端，频率补偿在误差放大器的输出端做回路频率补偿；输出开关管的开关峰值电流采样端和振荡器输出的三角波信号在加法器中做运算后输出连接到比较器的正输入端，经过比较放大后输出到锁存器；锁存器经过驱动器后驱动高压开关管工作。
2.如权利要求1所述集成电路，其特征还在于本集成电路具有五个管脚，对应管脚号P1是GND、P2是DIM、P3是SW、P4是VIN、P5是CS；其中，P4为外部直流电源输入端；P3为开关信号输出端；P1为集成电路的公共地端；P5为外部恒流采样电压的反馈端；P2为LED灯亮度调整控制端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 201206 Shanghai city Pudong New Area gold Yulu No. 251 Building 2 floor 2 West Patentee after: Shanghai Xinlong Semiconductor Co., Ltd. Address before: 201208, Shanghai, Pudong New Area East Tong Road No. 240 navigation building on the third floor Patentee before: Shanghai Xinlong Semiconductor Co., Ltd. |
|
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI XINLONG SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CO., LTD Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI XINLONG SEMICONDUCTOR CO., LTD. Effective date: 20120919 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20120919 Address after: 201206 Shanghai city Pudong New Area gold Yulu No. 251 Building 2 floor 2 West Patentee after: SHANGHAI XINLONG SEMICONDUCTOR CO., LTD. Address before: 201206 Shanghai city Pudong New Area gold Yulu No. 251 Building 2 floor 2 West Patentee before: Shanghai Xinlong Semiconductor Co., Ltd. |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20151231 Address after: 201206 Shanghai city Pudong New Area gold Yulu No. 251 Building 2 floor 2 West Patentee after: Li Ruiping Address before: 201206 Shanghai city Pudong New Area gold Yulu No. 251 Building 2 floor 2 West Patentee before: SHANGHAI XINLONG SEMICONDUCTOR CO., LTD. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20110810 |