CN202889702U - 一种基于pfm的led控制器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PFM的LED控制器电路，采用共阳充电控制方式实现太阳能电池对可充电电池充电；通过电流检测电路对电感检测：电感处于放电状态时，与电路SW端相连接的那端输出为高电压状态，此时电感对负载LED放电，使其点亮；当电流检测电路检测到电感电流到设定值时通过电路使电感转为充电状态，此时电感与电路SW端相连接的那端输出为低电压状态，电感对负载LED关断，使其灯灭。本实用新型提高产品一致性、稳定性，且可实现低内阻充电控制、更高效率地利用太阳能能源，使客户产品在同类产品中性能更优。

Description

一种基于PFM的LED控制器电路

技术领域

本实用新型属于电子产品控制电路领域，涉及一种基于PFM（Pulse frequencymodulation，脉冲频率调制）的LED驱动电路。

背景技术

在目前倡导节能高效的大环境下，户外庭院、景观等照明开始普遍采用太阳能补充能源及控制方式，该方式不仅能利用可持续能源、节省当前传统能源消耗而且可实现自动开、关；且发光体采用LED发光二极管。LED发光二极管具有寿命长、体积小、低能耗等优点，市场已经大量采用LED替代传统米泡灯发光体实现户外装饰、亮化工程。

在实际使用中，不同的客户有不同的照明要求：有的客户要求亮度高、功率大，晚上可以起到亮化环境的作用，而有的客户只需要起到点缀作用即可、因此电流较小。因此对于生产厂商而言，则需要驱动器控制电路能很方便地实现电流调节功能。

目前，市场上此类驱动器电路主要有：开环PWM控制电路、恒压控制电路、恒流控制。其中恒压控制电路和恒流控制电路属于早期应用方式、其外围管脚多且还需要一些外围元件配合才能应用太阳能充电及控制，其市场应用范围已经很小。如图1和图2所示的恒压控制电路和恒流控制电路，恒压和恒流控制电路需要整流滤波然后再通过VDD和Ifb反馈形成闭合环路。而开环PWM控制电路则是相对于恒压控制电路和恒流控制电路而言不同，如图3所示的基于固定占空比PWM控制的太阳能LED控制电路结构图和图4所示的基于带电压反馈的PWM控制的太阳能LED控制电路结构图，这两种是通过内部特定控制方式形成特定的小环路，此种方式芯片管脚少、使用简单、成本低，只需调整外围电感的电感量就可以调整LED驱动功率，更适合目前户外LED驱动要求。

LED有单色LED和彩色LED，单色LED分红、黄、蓝、绿、白等颜色LED，不同颜色的LED工作电压是不一样的，图3芯片带载这些不同负载LED时其占空比是不变的、只有电池电压变化时其占空比才会有一定比例的变化，根据DC-DC最基本的原理，对于相同输入电压、其升压（负载）输出电压不一样时，电路占空比是不一样的。因此，图3芯片带载不同类型的LED时，其电流变化比较大，对于生产厂家而言不易控制、增加难度。

图4则通过比较器监控SW输出端的波形电压，T1时间段是电感充电时间，T2时间段是电感放电时间，比较器检测到电压到设定值时电路重新转入充电时间，T3时间段是放电时间转入充电时间的一个电路延迟时间，实际上属于放电时间。这样，通过比较器，图4电路带不同负载LED时，其占空比是可以自动调节的，根据三角形原理可以简单算出：只要充电时间固定则电流平均值是固定的，因此图4电流稳定性比图3更稳定。但是，PWM由于比较器的影响，回路增益及响应速度受到限制，需要进一步提升效率。

另外，从太阳能充电及其控制来看，目前市场上电路产品采用的都是共阳接法，即在电路中采用的是PMOS充电管（如图3、图4），该充电方法在相同成本下其充电效果不高、降低了太阳能的利用率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于PFM的LED控制器电路，提供更高性能、满足不同LED负载的驱动控制方式、更高的太阳能利用效率，降低客户产品成本、库存压力并提高生产效率。

为达到以上目的，本实用新型所采用的解决方案是：

一种基于PFM的LED控制器电路，电池BATT的阴极接地，其阳极接太阳能电池的阳极和电感L一端，电感L另一端接负载LED的阳极，负载LED的阴极接地；电感L两端并联电流检测电路Isense，且在与负载LED阳极相接的电感L另一端与电流检测电路Isense之间设有开关SW；电流检测电路Isense的输出端与逻辑电路Logic的输入端连接；第一场效应管MN的漏极与太阳能电池的阴极和逻辑电路Logic输入端连接，其栅极与逻辑电路Logic输出端连接，其源极接地；逻辑电路Logic的输出端与振荡电路OSC的输入端连接，振荡电路OSC的输出端与驱动电路Driver的输入端连接，驱动电路Driver的输出端与开关SW相连接。

进一步，所述电流检测电路Isense包括形成镜像关系的第二场效应管MP1和第三场效应管MP2，放大器A1和电阻Rs，第二场效应管MP1的栅极与第三场效应管MP2的栅极连接，第二场效应管MP1的源极连接于上述电感L的一端，第三场效应管MP2的源极与电感L另一端的开关SW连接，第二场效应管MP1的漏极和栅极接在一起形成偏置，第三场效应管MP2的漏极连接电阻Rs和放大器A1，电阻Rs另一端接地，放大器A1具有施密特特性，其另一端与逻辑电路Logic的输入端连接。

所述第二场效应管MP1的漏极具有偏置电流Ibias，其给第三场效应管MP2作为电流参考。

所述负载LED是单色LED灯串或是由多种颜色LED组成的LED灯串。

所述太阳能板与电池BATT是共阳接法，太阳能电池阳极与电池BATT阳极接在一起，太阳能阴极接电路充电控制端。

由于采用了以上技术方案，本实用新型具有以下特点：

1、在相同外围电感条件下，采用不同规格LED负载时，电路放电电流是一样的，

其批量生产时一致性非常好。

2、太阳能电池给电池充电时，太阳能充电效率更高。

附图说明

图1是现有的DC-DC恒压升压电路示意图。

图2是现有的DC-DC恒流升压电路示意图。

图3是固定占空比PWM控制的LED控制电路结构图。

图4是带电压反馈的PWM控制的LED控制电路结构图。

图5是本实用新型基于PFMLED控制结构图。

图6是电池放电电流波形图。

图7是电流检测电路Isense结构示意图。

图8是现有的太阳能充电共阴接法拓扑结构示意图。

图9是本实用新型太阳能充电共阳接法拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图5所示本实用新型基于PFM的LED控制结构示意图。电池BATT的阴极接地，其阳极接太阳能电池的阳极和电感L一端，电感L另一端接负载LED的阳极，负载LED的阴极接地。电感L两端并联电流检测电路Isense，且在与负载LED阳极相接的电感L另一端与电流检测电路Isense之间设有开关SW。电流检测电路Isense的输出端与逻辑电路Logic的输入端连接。第一场效应管MN的漏极与太阳能电池的阴极和逻辑电路Logic输入端连接，其栅极与逻辑电路Logic输出端连接，其源极接地。逻辑电路Logic的输出端与振荡电路OSC的输入端连接，振荡电路OSC的输出端与驱动电路Driver的输入端连接，驱动电路Driver的输出端与开关SW相连接。

图7是本实用新型的电流检测电路Isense的简易结构示意图。电流检测电路Isense包括形成镜像关系的第二场效应管MP1和第三场效应管MP2，放大器A1和电阻Rs，第二场效应管MP1的栅极与第三场效应管MP2的栅极连接，第二场效应管MP1的源极连接于上述电感L的一端，第三场效应管MP2的源极与电感L另一端的开关SW连接，第二场效应管MP1的漏极和栅极接在一起形成偏置，具有偏置电流Ibias，其给第三场效应管MP2作为电流参考，第三场效应管MP2的漏极连接电阻Rs和放大器A1，电阻Rs另一端接地，放大器A1具有施密特特性，其另一端与逻辑电路Logic的输入端连接。第二场效应MP1、第三场效应管MP2和电阻Rs组成电流取样电路，若Ibias=2uA电流，则第三场效应管MP2是以2uA电流作为参考，并考虑第二场效应MP1、第三场效应管MP2比例及电阻（Imp2*Rs电压>放大器翻转电压）等计算，可以算出第三场效应管MP2及电感所需要的检测电流值：20uA或其它电流参数。也就是说，第二场效应管MP1与第三场效应管MP2大小比例及Rs阻值大小决定电流取样值。

本实用新型电路属于升压LED驱动电路，当SW端电压低于LED工作电压时，LED将不会从电感中抽电流，此时电感较容易形成阻尼振荡，此时SW端电压不能很准确地反映出LED的工作状态。当电感中能量充足时，V1点（第三场效应管MP2的漏极）电压为高，当电感能量快放完、电感中没有电流输出时V1点电压为低，此时放大器A1输出信号到逻辑电路Logic模块，是电路转为充电状态、即图6中的T1时间段。

整个电路原理是：电路起始状态电感中无电流、V1输出低电平，通过放大器A1将信号送到逻辑电路Logic模块、逻辑电路Logic模块控制振荡电路OSC使电路转为充电状态，充电时间是由振荡电路OSC固定控制的，充电时间到后驱动电路Driver被关断、并与开关SW断开，电感L的SW端电压上升通过LED到地形成回路开始放电、此时驱动LED发光同时V1输出高电平；当电感能量放完，第二场效应管MP1、第三场效应管MP2和电阻Rs模块检测不到电流时V1输出低电平，通过放大器A1将信号送到逻辑电路Logic模块、逻辑电路Logic模块控制振荡电路OSC使电路再次转为充电状态，如此反复，电路通过电感充放电给LED驱动。电池放电波形如图6所示：Iaverage=Iin(max)(T1+T2)/{(T1+T2+T3)*2}，由于PFM的响应速度较快，T3可以忽略不记：Iaverage=Iin(max)/2，而理论上、不考虑其它损耗时Iin(max)=V*T1/L，因此只要确保充电时间T1固定不变，生产厂家只要需要合适的电感值可以的所需要的稳定的驱动电流值。

另外，电池BATT、太阳能电池和第一场效应管MN形成另一充电电路。其原理图如图9。图9中采用的是共阳接法，不同与现有的图8中所示的共阴接法。图9的共阳接法是电池阳极与太阳能电池阳极相连，二极管（电路中用充电控制管代替，其特性与二极管一样：正向导通、反向阻断）阳极与电池阴极相连、其阴极与太阳能电池阴极相连，当太阳能电池电压大于电池电压与二极管电压之和时，电池阴极电压与太阳能电池电压差使二极管导通，太阳能板给充电电池充电；在集成电路中共阴接法充电管采用的是PMOS管，共阳接法则为NMOS管，相同芯片（面积）成本下，NMOS充电能力是PMOS的约2.5倍，因此在同等情况下共阳接法太阳能电池利用率更高。在本实用新型中体现为图5中所示的电池BATT阳极与太阳能电池阳极相连，第一场效应管MN的漏极与太阳能电池的阴极相连、其栅极与电池BATT的阴极连接并接地。当太阳能电池电压大于电池BATT的电压与第一场效应管MN的电压之和时，电池BATT阴极电压与太阳能电池电压差使第一场效应管MN导通，太阳能电池给电池BATT充电。

上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型的范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PFM的LED控制器电路，其特征在于：电池BATT的阴极接地，其阳极接太阳能电池的阳极和电感L一端，电感L另一端接负载LED的阳极，负载LED的阴极接地；电感L两端并联电流检测电路Isense，且在与负载LED阳极相接的电感L另一端与电流检测电路Isense之间设有开关SW；电流检测电路Isense的输出端与逻辑电路Logic的输入端连接；第一场效应管MN的漏极与太阳能电池的阴极和逻辑电路Logic输入端连接，其栅极与逻辑电路Logic输出端连接，其源极接地；逻辑电路Logic的输出端与振荡电路OSC的输入端连接，振荡电路OSC的输出端与驱动电路Driver的输入端连接，驱动电路Driver的输出端与开关SW相连接。

2.如权利要求1所述的基于PFM的LED控制器电路，其特征在于：所述电流检测电路Isense包括形成镜像关系的第二场效应管MP1和第三场效应管MP2，放大器A1和电阻Rs，第二场效应管MP1的栅极与第三场效应管MP2的栅极连接，第二场效应管MP1的源极连接于上述电感L的一端，第三场效应管MP2的源极与电感L另一端的开关SW连接，第二场效应管MP1的漏极和栅极接在一起形成偏置，第三场效应管MP2的漏极连接电阻Rs和放大器A1，电阻Rs另一端接地，放大器A1具有施密特特性，其另一端与逻辑电路Logic的输入端连接。

3.如权利要求2所述的基于PFM的LED控制器电路，其特征在于：所述第二场效应管MP1的漏极具有偏置电流Ibias，其给第三场效应管MP2作为电流参考。

4.如权利要求1所述的基于PFM的LED控制器电路，其特征在于：所述负载LED是单色LED灯串或是由多种颜色LED组成的LED灯串。

5.如权利要求1所述的基于PFM的LED控制器电路，其特征在于：所述太阳能板与电池BATT是共阳接法，太阳能电池阳极与电池BATT阳极接在一起，太阳能阴极接电路充电控制端。

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