CN204014223U - 低成本紧凑型led驱动电路芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供低成本紧凑型LED驱动电路芯片，包括三个管脚：漏端DRAIN脚、地端GND脚、电源脚VIN；还包括：高压启动模块，用以为芯片电源脚VIN充电；检测模块，用以实时检测电源脚VIN的电压，确定是否需要高压启动模块对VIN脚充电；基准和偏置模块，输出端输出一个相对于GND脚相对恒定的电压Vref1；零电流检测模块，用以检测变压器次级绕组是否放电至零电流；恒流模块，输入端接零电流检测模块，输出端接逻辑模块，用以确保输出电流恒流；基准产生模块，用以产生基准电压Vref；限流模块，用以限定外接的采样电阻上的峰值电流；逻辑模块，用以产生PWM信号；驱动模块和一MOS管。本实用新型可缩减外围应用成本以及IC自身的封装成本。

Description

低成本紧凑型LED驱动电路芯片

技术领域

本实用新型涉及LED电路，尤其是一种LED驱动电路芯片的架构。

背景技术

LED灯目前已广泛应用于照明领域，并因其独特的优势逐渐成为新一代的照明光源，各家公司在该领域的竞争异常激烈，如何缩减驱动电源应用方案的成本成为竞争者们必须要考虑的问题。

现有的隔离式电源模块变压器包含三个绕组；原边绕组储存能量；次级绕组为输出供电；辅助绕组为IC供电。图1为现有的LED驱动电路的应用原理图，101为交流电源；102～105为桥式整流器，106为滤波电容，与桥式整流器一起将交流电源转化为直流电源；107～108为IC电源脚的RC充电网络；109为连接辅助绕组的供电二极管；110为IC，内置功率管MOS；111～112为辅助绕组的分压电阻，电阻的连接点与芯片的FB脚相连；113为采样电阻；114为变压器，包括初级绕组N_P、次级绕组N_S及辅助绕组N_A；115为续流二极管；116为输出滤波电容；117为LED。

系统上电后，经整流后的直流电源通过RC充电网络对芯片电源VIN充电，当VIN电压达到芯片的启动点后，芯片内部模块开始工作，随后功率管MOS导通，功率管MOS导通后，原边绕组开始充电，电流逐渐升高，采样电阻113由于电流的逐渐升高，其电压也在不断上升。当采样电阻113的电压升到芯片基准Vref时，OCP(限流模块)翻转，并控制功率管MOS关闭，这时能量从原边绕组传至次级绕组。次级绕组通过放电的形式为输出供电，同时次级绕组上的电流逐渐减小。这时辅助绕组通过耦合的方式获得电压，并通过供电二极管109为芯片电源VIN供电。当次级绕组电流放电至零时，系统发生准谐振，芯片FB脚检测到准谐振，并通过ZCS(零电流检测)模块处理后，再经CC(恒流)模块处理，最终控制功率管重新导通。

现有技术常用的恒流原理参考图2，输出电流可表示如下：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{ps}}\·\frac{\mathrm{Tdem}}{\mathrm{Ton}+\mathrm{Tdem}+\mathrm{Td}}$

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{pk}}\frac{N_P}{N_S}\·\frac{\mathrm{Tdem}}{\mathrm{Ton}+\mathrm{Tdem}+\mathrm{Td}}$

式中，I_out表示输出电流，I_pk表示原边绕组峰值电流，I_ps表示次级绕组峰值电流，N_P表示原边绕组匝数，N_S表示次级绕组匝数，Ton表示导通时间，Tdem表示消磁时间，Td表示死区时间。ZCS模块用来采样消磁时间Tdem，CC模块用来固定消磁时间的占空比OCP模块用来固定原边绕组峰值电流I_pk。根据输出电流公式，系统可以实现恒流。

采用这种架构，只要IC及外围器件设计合理，可以获得很好的性能。但是这样一种架构对IC的封装要求较高，必须采用较多管脚的封装形式，封装成本高，同时需要匹配的外围器件数量多，这给整个系统的体积和成本造成了不小的压力。

发明内容

为了克服现有技术在缩减LED应用系统成本上的不足，本实用新型提供了一种低成本紧凑型的LED驱动电路芯片的架构，不但简化了芯片(下文简称IC)的封装，在应用方案上更是仅需很少的器件，可大大降低系统的体积和成本。本实用新型采用的技术方案是：

一种低成本紧凑型LED驱动电路芯片，包括三个管脚：漏端DRAIN脚、地端GND脚、电源脚VIN；还包括：

一高压启动模块，输入端连接DRAIN脚，输出端连接电源脚VIN，用以为芯片电源脚VIN充电；

一检测模块，输入端接电源脚VIN，控制端接高压启动模块，用以实时检测电源脚VIN的电压，确定是否需要高压启动模块对VIN脚充电，使得电源脚VIN能够在应用时稳定于预定值；

一基准和偏置模块，输入端接电源脚VIN，输出端至少输出一个相对于GND脚相对恒定的电压Vref1；

一零电流检测(ZCS)模块，输入端接DRAIN脚，输出端接恒流模块，用以检测变压器次级绕组是否放电至零电流；

一恒流(CC)模块，输入端接零电流检测模块，输出端接逻辑模块，用以确保输出电流恒流；

一基准产生(Vref_gen)模块，输入端接电压Vref1，用以产生基准电压Vref；

一限流(OCP)模块，同相输入端接基准电压Vref，反相输入端接GND脚，用以限定外接的采样电阻上的峰值电流；

一逻辑模块，输入端分别接恒流模块和限流模块的输出端，用以产生PWM信号；

一驱动模块，输入端接逻辑模块，输出端接MOS管栅极，用以放大PWM信号；

一MOS管，栅极接驱动模块的输出端，漏极接芯片DRAIN脚，源极接芯片GND脚。

进一步地，所述基准产生模块包括一个传输门TG，一个电容C1；传输门的使能端为低电平有效，接PWM信号；传输门TG的输入端接电压Vref1，输出端接电容C1的一端，电容C1的另一端接电源脚VIN；传输门TG的输出端输出电压Vref。

本实用新型的优点：本实用新型所提出的LED驱动电路芯片的架构可以极大地缩减IC外围应用成本以及IC自身的封装成本。

附图说明

图1为现有技术下的LED驱动电路示意图。

图2为现有技术下LED驱动电路关键波形示意图。

图3为本实用新型的实施例结构框图。

图4为本实用新型的基准产生模块内部结构图。

图5为本实用新型Vref电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图3所示：本实用新型所提出的一种低成本紧凑型LED驱动电路芯片，包括三个管脚：漏端DRAIN脚、地端GND脚、电源脚VIN；还包括：一高压启动模块，输入端连接DRAIN脚，输出端连接电源脚VIN，用以为芯片电源脚VIN充电；一检测模块，输入端接电源脚VIN，控制端接高压启动模块，用以实时检测电源脚VIN的电压，确定是否需要高压启动模块对VIN脚充电，使得电源脚VIN能够在应用时稳定于预定值；一基准和偏置模块，输入端接电源脚VIN，输出端至少输出一个相对于GND脚相对恒定的电压Vref1；一零电流检测(ZCS)模块，输入端接DRAIN脚，输出端接恒流模块，用以检测变压器次级绕组是否放电至零电流；一恒流(CC)模块，输入端接零电流检测模块，输出端接逻辑模块，用以确保输出电流恒流；一基准产生(Vref_gen)模块，输入端接电压Vref1，用以产生基准电压Vref；一限流(OCP)模块，同相输入端接基准电压Vref，反相输入端接GND脚，用以限定外接的采样电阻上的峰值电流；一逻辑模块，输入端分别接恒流模块和限流模块的输出端，用以产生PWM信号；一驱动模块，输入端接逻辑模块，输出端接MOS管栅极，用以放大PWM信号；一MOS管，采用700v的功率MOS管，栅极接驱动模块的输出端，漏极接芯片DRAIN脚，源极接芯片GND脚。

在上述架构的驱动电路芯片的基础上，外围器件可以得到极大地简化，包括：一桥式整流电路，一滤波电容，用以整流；一变压器；一采样电阻，连芯片107的GND引脚；一电源电容，连芯片107的VIN引脚；一续流二极管；一输出滤波电容；一组LED灯。

图3是本实用新型的具体实施例，该系统包括：101为交流电源；D102～D105为桥式整流器，C106为滤波电容，与桥式整流器一起将交流电源转化为直流电源；107为驱动电路芯片IC，只需三个管脚；C108为电源电容，连接IC的电源脚VIN；R109为采样电阻，连接IC的GND引脚；T110为变压器，原边绕组分别连接桥式整流器和IC的引脚DRAIN，次级绕组连接续流二极管D111；C112为输出滤波电容；D113为输出LED灯串。

具体工作原理：系统上电后，经整流后的直流线电压Vbus经过原边绕组，送至IC引脚DRAIN，DRAIN端高电压通过IC内部的高压启动模块为VIN脚外接电容C108充电，当VIN脚电压到达预定值V1时，VIN检测模块输出信号Ctrl关闭高压启动模块，这时芯片IC没有了供电源，VIN脚电压由于IC内部的消耗必然下降，这时检测模块检测到VIN脚电压低于预定值V1后，输出Ctrl开启高压启动模块。就这样，检测模块实时检测VIN脚电压的变化，控制高压启动模块是否对VIN电容C108充电，最终使得IC的电源脚VIN电压稳定于预定值V1，这点很关键。

IC启动后，逻辑模块控制功率管MOS第一次导通，采样电阻R109由于流过电流，导致IC的GND引脚电压升高，GND电压为：I_P·R_cs，I_P为原边绕组电流，R_cs为采样电阻R109的阻值。在功率管导通期间，IC内的所有电压(VIN、Vref除外)的实际电压都应加上GND电压I_P·R_cs，且随着导通时间而增大。当GND引脚的电压到达基准电压Vref值时，OCP模块翻转，最终控制功率管MOS关断。系统进入消磁时间，这时IC的GND电压回到零，次级绕组开始放电，电流以某一斜率下降，当次级绕组电流下降至零时，系统发生准谐振，这时ZCS模块能够检测准谐振，即次级绕组零电流时刻。系统进入死区时间，由CC模块控制死区时间的长度，为实现输出LED的恒流(这点与现有技术原理相同)，当死区时间到达一定长度时，再次控制功率管的导通。

因此，本实用新型只要能固定电源脚VIN电压及基准电压Vref时，即在功率管导通时不随GND电压的升高而升高，该系统就能够像现有技术一样实现恒流驱动功能。前文已经描述，通过高压启动模块与VIN检测模块可以稳定IC电源脚VIN电压，因此仅需对基准电压Vref作特殊处理，使其不随GND脚电压的变化而变化。

IC内部的基准产生模块(图3中的Vref_gen模块)就是通过电容的采样保持原理实现了基准电压Vref的固定。图4为Vref_gen模块的内部结构图，包括一个传输门TG，一个电容C1；传输门的使能端为低电平有效，接PWM信号；传输门TG的输入端接电压Vref1，输出端接电容C1的一端，电容C1的另一端接电源脚VIN；传输门TG的的输出端输出电压Vref。

TG的输入端Vref1来自基准和偏置模块，在功率管导通时，Vref1的电压值会随着GND电压的升高而升高(图5中左边部分的Ton时段)。传输门TG的使能端为PWM信号，且低电平有效，也就是说，功率管导通时(PWM为高电平)，传输门TG不通；功率管关闭时(PWM为低电平)，传输门导通。传输门TG的输出接一个大电容C1，C1另一端接电源脚电压VIN。该模块的工作原理：当功率管关闭时(IC的GND电压为零，PWM为低)，传输门TG导通，电容C1采样电压并得到Vref；当功率管导通时(IC的GND电压上升，PWM为高)，传输门TG不通，电容C1两端的电压保持。VIN脚电压是一个固定的电压，在采样时段(图5中左边部分的Toff时段)Vref1电压是恒定的，因此采样得到的Vref必然也固定。图5为基准电压Vref在整个周期内的波形示意图。左半部分为Vref1电压的变化波形图，Vref1电压相对于GND端固定，Ton时段，由于GND端电压抬升使得Vref1电压抬升，所以采样的是在Toff时段Vref1电压恒定不变的部分。右半部分是Vref电压波形。

综上所述，本实用新型提出的IC芯片架构可以极大地缩减外围应用成本以及IC自身的封装成本。

这里本实施例的描述和应用是说明性的，并非像将本实施例的范围限制在上述实施例中。这里的实施例的变形和改变是可能的，凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围内。

Claims (2)

1.一种低成本紧凑型LED驱动电路芯片，其特征在于，包括三个管脚：漏端DRAIN脚、地端GND脚、电源脚VIN；还包括：

一高压启动模块，输入端连接DRAIN脚，输出端连接电源脚VIN，用以为芯片电源脚VIN充电；

一检测模块，输入端接电源脚VIN，控制端接高压启动模块，用以实时检测电源脚VIN的电压，确定是否需要高压启动模块对VIN脚充电，使得电源脚VIN能够在应用时稳定于预定值；

一基准和偏置模块，输入端接电源脚VIN，输出端至少输出一个相对于GND脚相对恒定的电压Vref1；

一零电流检测模块，输入端接DRAIN脚，输出端接恒流模块，用以检测变压器次级绕组是否放电至零电流；

一恒流模块，输入端接零电流检测模块，输出端接逻辑模块，用以确保输出电流恒流；

一基准产生模块，输入端接电压Vref1，用以产生基准电压Vref；

一限流模块，同相输入端接基准电压Vref，反相输入端接GND脚，用以限定外接的采样电阻上的峰值电流；

一逻辑模块，输入端分别接恒流模块和限流模块的输出端，用以产生PWM信号；

一驱动模块，输入端接逻辑模块，输出端接MOS管栅极，用以放大PWM信号；

一MOS管，栅极接驱动模块的输出端，漏极接芯片DRAIN脚，源极接芯片GND脚。

2.如权利要求1所述的低成本紧凑型LED驱动电路芯片，其特征在于：

所述基准产生模块包括一个传输门TG，一个电容C1；传输门的使能端为低电平有效，接PWM信号；传输门TG的输入端接电压Vref1，输出端接电容C1的一端，电容C1的另一端接电源脚VIN；传输门TG的输出端输出电压Vref。