CN204392619U - 驱动电路与发光二极管灯 - Google Patents

驱动电路与发光二极管灯 Download PDF

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Abstract

为了提供成本低、温度特性好的驱动电路,本实用新型提供的驱动电路包括:转换器电路,包括功率开关(Q1)和电流检测器,所述电流检测器用于检测功率电流并根据所述功率电控制所述功率开关的工作状态以进行功率转换;其特征在于,所述电流检测器包括:检测电阻(R5),用于容许所述功率电流流过,以在所述检测电阻上形成检测电压;带隙电路,包括正温度系数部分和负温度系数部分,所述带隙电路的阈值电压由正温度系数部分和负温度系数部分结合得到,所述带隙电路的输入连接到所述检测电阻获得所述检测电压,所述带隙电路的输出耦合到所述功率开关,当所述检测电压高于所述阈值电压时,所述带隙电路输出控制信号以操作所述功率开关。

Description

驱动电路与发光二极管灯
技术领域
本实用新型涉及驱动电路,尤其涉及LED驱动电路。
背景技术
在电路中,电流检测是一个重要功能。例如,在驱动电路中,电流检测通常用于检测功率转换器进行功率转换的情况以用于反馈控制,或者过电流/欠电流保护。一般来说,电流检测可以通过电压检测来实现,即将所需要检测的电流通过一检测电阻,并测量电阻上的电压以间接地获得所需要检测的电流。图1和图2给出了两种通常的电流检测电路。如图1所示,电流源I1表示待检测的电流,R1是检测电阻,V1是作为电压基准的一个电压源,A1是一个比较器,它用于将R1上的电压与V1提供的电压基准进行比较,并输出高电平或低电平Vo来表示比较结果。图2示出了一种简化的电流检测电路,相对于图1,比较器和电压源被一个NPN型三极管Q1所代替,该三极管的Vbe,即导通时的基极到发射极的电压阈值形成了电压基准。当R1上的电压大于该电压基准后,Q1开始导通,从Q1的集电极到发射极之间形成电流Io,该电流Io的存在与否被作为比较结果的输出。
图1所示的电流检测电路由于需要精确的基准电压(例如由电压源提供)和比较器,所以成本比较高。图2所示的电流检测电路成本较低,但是三极管的Vbe具有很强的负温度特性,即当温度变化时Vbe以相反的方向变化,使得电流检测结果与温度有很大关系。如果将该电流检测电路使用在驱动电路中,特别是灯驱动电路中时,由于灯驱动电路的工作温度范围很大,使用该电流检测电路的检测结果来对灯驱动电路中的功率转换器进行反馈与控制会使电流变得十分不精确。
实用新型内容
为了解决上述问题,渴望提供一种成本较低并且温度特性可控的驱动电路。基于此,本实用新型的一个方面提供了一种驱动电路,包括:转换器电路,用于将来自输入电源功率进行转换,以驱动负载;其中,所述转换器包括功率开关(Q1)和电流检测器,所述电流检测器用于检测所述转换器提供的功率电流并根据所述功率电流的大小控制所述功率开关的工作状态以进行功率转换;其特征在于,所述电流检测器包括:检测电阻(R5),用于容许待检测的所述功率电流流过,以在所述检测电阻上形成检测电压;带隙电路,包括正温度系数部分和负温度系数部分,所述带隙电路的阈值电压由正温度系数部分和负温度系数部分结合得到,所述带隙电路的输入连接到所述检测电阻获得所述检测电压,所述带隙电路的输出耦合到所述功率开关,当所述检测电压高于所述阈值电压时,所述带隙电路输出控制信号以操作所述功率开关。
带隙电路在传统使用中,一般是用于在IC中提供温度特性可控,例如零温度特性的电压源。本实用新型将其使用在驱动电路中,优点在于,利用了带隙电路的温度系数可控特性来进行电流检测,使得驱动电路的电流检测不受温度变化影响,提高了驱动电路进行功率转换的精确性和驱动性能。
根据一个更加具体的实施方式,所述带隙电路包括:第一三极管,集电极通过第一电阻连接到所述带隙电路的输入,集电极与基极短接,发射极连接到地;第二三接管,集电极通过第二电阻连接到所述带隙电路的输入,基极与所述第一三极管的基极连接,发射极通过第三电阻连接到地;第三三极管,基极与所述第二三极管的集电极连接,发射极连接到地,集电极作为所述带隙电路的输出;其中,所述第一、第二和第三三极管为NPN型。该实施方式提供了带隙电路的一种具体实现方式。
根据一个更加具体的实施方式,所述阈值电压由所述第三三极管的基极与发射极导通电压和所述第一与第二三极管导通时所述第二 电阻上的电压降决定,其中,所述第三三极管的基极与发射极阈值电压具有负温度系数,所述第一与第二三极管导通时所述第二电阻上的电压降具有正温度系数。该实施方式示出了带隙电路的阈值电压的实现方式。
根据一个更加具体的实施方式,所述第一电阻和所述第三电阻的阻值的比率等于1,且为第二电阻的十分之一,使得所述阈值电压不依赖于温度变化。在该实施方式中,第一、第二和第三电阻的阻值比率使得电流检测电路具有零温度特性,因此该驱动电路的功率转换器能够不受温度的影响而提供稳定的输出功率。
根据一个替代的实施方式,所述第一、第二和第三电阻的阻值比率使得所述阈值电压具有负温度特性。当温度过高时,由于负温度特性的存在,使得阈值电压变低,相应地,较低的检测电流就能够触发电流检测器以控制功率开关,因此降低了转换器所提供的功率,所以提供了一定的过温保护功能。
根据一个具体的实施方式,所述转换器电路包括降压转换器,其中包括:续流线圈,串联在输入电源功率、负载端、所述功率开关、以及地之间形成充电回路;续流二极管,从所述续流线圈的电流流出端向所述负载端的输入端正向偏置,用于当所述功率开关断开时允许所述续流线圈中的电流流出、通过所述负载端、并流回所述续流线圈以形成续流回路;其中,所述检测电阻串联在所述充电回路中。
以上实施方式提供了本实用新型与降压(Buck)转换器的结合应用。可以理解,根据本实用新型的构思,该电流检测电路能够与其他适应类型的转换器进行结合,以向这些转换器提供电流检测功能,例如升压(Boost)转换器,降压-升压转换器(Buck-boost)、反激转换器(flyback)等开关电源类型的转换器,或者线性类型(例如基于工作在线性区域/放大区域的功率开关)的转换器均可与本实用新型的电流检测电路相结合。
根据一个更具体的实施方式,所述转换器电路基于RCC振荡,还包括:次级线圈(L2),与所述续流线圈耦合,并连接到所述功率开 关的控制极,当所述功率开关开始闭合以使所述续流线圈中开始有电流流动时,所述次级线圈上的感应电势在所述功率开关的控制极上产生额外电流,以加快所述功率开关的闭合。
以上实施方式进一步提供了本实用新型与RCC(Ring Choke Converter)相结合。
根据一个更具体的实施方式,当所述检测电压大于所述阈值电压时,所述第三三极管导通以在集电极上输出低电位;否则输出高电位。所述功率开关包括第四三极管,所述驱动电路还包括:控制电路,连接到所述第四三极管的基极,用于从所述第四三极管的基极抽取电流以将所述第四三极管关断;所述控制电路连接到所述带隙电路的输出。所述控制电路包括:第五三极管,是PNP型三极管,发射极连接到输入电源功率和所述功率开关的控制极,基极连接到所述带隙电路的输出,集电极通过电阻连接到地;第六三极管,是NPN型三极管,集电极通过电阻连接到所述功率开关的控制极以及所述带隙电路的输出,基极连接到所述第五三极管的集电极,发射极连接到地。
该实施方式提供了电流检测电路如何对功率开关进行控制的更加具体的电路结构。
作为使用NPN型三极管来实现带隙电路的一种替代的实现方式,也可以使用PNP型三极管来实现带隙电路。所述带隙电路包括:第七三极管,集电极通过第四电阻连接到地,集电极与基极短接,发射极连接到所述带隙电路的输入;第八三接管,集电极通过第五电阻连接到地,基极与所述第七三极管的基极连接,发射极通过第六电阻连接到所述带隙电路的输入;第九三极管,基极与所述第八三极管的集电极连接,发射极连接到所述带隙电路的输入,集电极作为所述带隙电路的输出;其中,所述第七、第八和第九三极管为PNP型。
在一个更具体的实施方式中,所述驱动电路用于驱动发光二极管。相应地,本实用新型的第二个方面提供了一种发光二极管灯,包括发光二极管,其特征在于,前述的驱动电路所驱动。
以上实施方式提供了本实用新型在LED驱动中的应用。可以理 解,其他适合的负载也可以采用本实用新型的实施方式的驱动电路而驱动。
附图说明
通过参照下面的实施例并结合以下附图的详细阐述,本实用新型的上述和其它方面和优点将变得更为清楚。
图1和图2是现有的电流检测电路的原理图;
图3是根据本实用新型的一个实施方式的驱动电路图;
图4是图3中的驱动电路里的电流检测电路的示意图;
图5是根据本实用新型的另一个实施方式的驱动电路图;
图6是图5中的驱动电路里的电流检测电路的示意图。
其中,相同或相似的附图标记表示相同或对应的电路部件。
具体实施方式
本实用新型提供了一种驱动电路,包括:
-转换器电路,用于将来自输入电源功率进行转换,以驱动负载;
其中,所述转换器包括功率开关和电流检测器,所述电流检测器用于检测所述转换器提供的功率电流并根据所述功率电流的大小控制所述功率开关的工作状态以进行功率转换;
其特征在于,所述电流检测器包括:
-检测电阻,用于容许待检测的所述功率电流流过,以在所述检测电阻上形成检测电压;
-带隙电路,包括正温度系数部分和负温度系数部分,所述带隙电路的阈值电压由正温度系数部分和负温度系数部分结合得到,所述带隙电路的输入连接到所述检测电阻获得所述检测电压,所述带隙电路的输出耦合到所述功率开关,当所述检测电压高于所述阈值电压时,所述带隙电路输出控制信号以操作所述功率开关。
下面将结合一个基于降价转换器的驱动电路,对本实用新型的具体实施方式进行详述。可以理解,降压转换器也可以被替代为升压转 换器、降压-升压转换器、反激转换器或线性转换器等其他功率转换器,只要这些转换器需要电流检测功能,那么本实用新型的实施方式就可与其组合。
整个驱动电路以AC交流电作为输入,通过由二极管D1-D4构成的整流桥后被整流为DC信号,而后有平滑滤波电容器C1进行滤波,滤除其中的高频杂波,并作为输入功率输入至降压转换器。
降压转换器的主要部件包括:
-功率开关Q1;
-续流线圈L1,串联在输入电源功率、负载端、功率开关Q1、以及地之间。
-续流二极管D5,从续流线圈L1的电流流出端向负载端的输入端正向偏置。
如图3所示,负载端已经接入了作为负载的发光二极管LED。可以理解,其他负载也可通过本实用新型的实施方式的驱动电路所驱动。
降压转换器的基本原理是,当所述功率开关Q1闭合时,形成充电回路,输入功率流入LED负载、续流线圈L1、功率开关Q1并回到大地(回到AC输入)。当所述功率开关Q1断开时,充电回路断开,续流线圈L1中的电流无法经过功率开关回到AC输入,而是通过续流二极管D5、通过所述负载LED、流回所述续流线圈L1以形成续流回路。
下面再简要描述RCC的工作原理。上电后,经过C1滤波后的输入电压流过R1、R3、C2,然后流经L2到地,在这个过程中对C2进行充电。随着C2的电压的上升,当Q1的基极的电压达到0.7V后,Q1开通。此时主功率电路/充电回路开始工作,电流流经LED负载,L1,Q1,R5到地。流过L1的电流会线性上升,此时在辅助绕组L2上产生感应电流,流经C2,R3,达到Q1的基极,从而加速Q1的开通。当流经R5的电流到达设定值(例如1A)时,需要将Q1关断,该电流检测就是由电流检测电路所完成,R5上的电压在A点处被提 供给电流检测电路,后文将更加详细地描述。
在图3所示的实施方式中,电流检测电路在电流达到设定值后操作控制电路去关断Q1。具体的,控制电路由PNP型三极管Q2和Q3组成。Q2的发射极连接到所述功率开关Q1的控制极,基极连接到电流检测电路的输出B,集电极通过电阻R2连接到地。Q3的集电极通过电阻连接到功率开关Q1的控制极以及电流检测电路的输出B,基极连接到Q2的集电极,发射极连接到地。
电流检测电路在电流达到设定值后在其输出B输出低电平,使得Q2和Q3相继饱和导通。由于Q2,Q3饱和导通会把Q1的基极电压拉低到0.4以下,从而使Q1关断。当Q1关断后,流过L1的电流开始流向D5,LED负载,形成续流回路,同时电流开始线性下降。当电流降到零时,此时L1与Q1的集电极和发射极间的分布电容形成谐振,从而使L1电流先反向流通,再正向流通。当正向流通时,在辅助绕组L2感应到的正电压通过C2,R3开通再次开通Q1。当Q1开通后,会让L2的感应电压加强,从而加速开通Q1,这时主功率电路再次开始工作,周而复始,以此循环。
图3的右下角和图4示出了本实用新型的驱动电路所使用的带隙电路的结构。在图3和图4中,带隙电路中的三极管由NPN型所实现。作为替代,如图5和图6所示,带隙电路中的三极管由PNP型所实现。作为带隙电路,它们的原理实质上是相同的,下文中以图3和图4为例进行详述,图4沿用图3中的附图标记。
第一三极管Q4的集电极通过第一电阻R6连接到带隙电路的输入,即连接到需要检测的电压,集电极与基极短接,发射极连接到地。第二三接管Q5的集电极通过第二电阻R8连接到所述带隙电路的输入,基极与第一三极管Q4的基极连接,发射极通过第三电阻R7连接到地。第三三极管Q6的基极与第二三极管Q5的集电极连接,发射极连接到地,集电极作为所述带隙电路的输出,其中,第一、第二和第三三极管Q4、Q5和Q6为NPN型。
在一个实施方式中,令R6的阻值与R7相同,并且为R8的十分 之一,有如下等式(1)
R6=R7=0.1R8    (1) 
使得三极管Q6导通时的A点的阈值电压VR5trip应满足以下等式(2):
VR5trip=VR6+VbeQ4=VR8+VbeQ6    (2) 
其中,VR6是R6上的电压,VbeQ4是三极管Q4导通时的基极到发射极的结节压降,VR8是R8上的电压,VbeQ6是三极管Q6导通时的基极到发射极的结压降。
由于Q4和Q6采用相同工艺,VbeQ4与VbeQ6大致相等,所以VR6与VR8大致相等,得到以下等式
VbeQ4≈VbeQ6,VR6≈VR8    (3) 
根据等式(1)和(3),能够得到以下等式
IR6≈10IR8,or IcQ4≈10IcQ5    (4) 
其中,IcQ4是三极管Q4的集电极电流,IcQ5是是三极管Q5的集电极电流。
Q4和Q5是匹配的三极管,具有相同的发射极面积,所以以下等式(5)成立:
VR7=VbeQ4-VbeQ5=Vt In(IcQ4/IcQ5)    (5) 
其中,Vt是K*T/q,即热电压。它在25℃时是26mv并且具有正温度系数为+0.085mV/℃。
将等式(4)带入等式(5),可以得到等式(6)
VR7=Vt In10=2.3Vt    (6) 
基于等式(1)和(6),可以得到等式(7)
VR8≈10VR7≈23Vt    (7) 
将等式(7)带入等式(2),可以得到等式(8)
VR5trip=23Vt+VbeQ6    (8) 
其中,在室温时,由等式(8)所定义的VR5trip为约1.2V。那么待检测电流的阈值为VR5trip/R5,即当R5上的电流等于VR5trip/R5时,带隙电路的三极管Q6导通,在Q6的集电极上输出低电平。通过设 计合理阻值的R5,该电流检测电路可以检测所需要的电流阈值。
并且,由于热电压Vt具有0.085mV/℃的正温度系数,所以23*Vt具有大致+2mV/℃的正温度系数;而VbeQ6具有-2mV/℃的负温度系数。所以、VR5trip整体而言在很大的温度范围内具有零温度系数,即不依赖于温度变化而变化。这将极大改进检测电路的电流阈值的温度特性。
通过以上分析,可以了解电压阈值VR5trip与R6、R7和R8的阻值比率有关。相应地,通过调节它们的阻值比率,能够调节热电压Vt的系数“23”,进而能够调整电压阈值的幅度,还能够获得正温度系数或负温度系数的电压阈值。
例如,在一个实施方式中,当选择R6=0.5*R7=0.1*R8时,能够得到等式(9)
VR5trip=11.5Vt+VbeQ6    (9) 
在常温25℃时,VR5trip的值为0.9V,并且具有负温度系数-1mV/℃。这个实施方式的一个优点在于负温度系数能够在需要进行过温度保护的场合,自动地降低阈值电压,即降低阈值电流从而使得驱动电路提供较少的功率以降低温度;另一个优点在于由于阈值电压较低,用于检测一定电流检测阈值的检测电阻阻值可以降低,那么在该电流检测阈值不变的情况下,检测电阻上消耗的功率也会较少。
在另一个替代的实施方式中,选择R6=2*R7=0.1*R8,能够得到等式(10)
VR5trip=46Vt+VbeQ6    (10) 
在常温25℃时,VR5trip的值为1.8V,并且具有正温度系数+2mV/℃。
图4和图5示出了使用PNP型三极管来实现电流检测电路中的带隙电路的实施方式。其中,带隙电路的工作原理和图3中的带隙电路本质是类似的,在此不再赘述。令R6p=R7p=0.1*R8p,则VR5trip=23*Vt+VebQ6p。如图5所示,当检测电流大于VR5trip/R5时,带隙电路的三极管Q6p闭合,在控制电路的三极管Q3上基极上施加高 电平,使得Q3饱和导通,并使得Q2饱和导通,从而断开Q1。
本领域的技术人员应当理解:提供下述说明是为了举例说明的目的而非限制。本领域的技术人员应当明白本实用新型可以以脱离这些具体细节的其它实现方式来实现。而且为了不模糊本实用新型,在当前的说明中省略了已知的功能和结构的并非必要的细节。
虽然在这里已图解和描述了特定的实施例,但本领域技术人员会认识到,可以用旨在达到同样目的的任何安排来替换所显示的特定实施例,且本实用新型在其它环境下具有其它的应用。本申请旨在覆盖本实用新型的任何改变或变例。以下的权利要求决不应被理解为本实用新型的范围被限制于这里描述的特定实施例。

Claims (12)

1.一种驱动电路,包括:
-转换器电路,用于将来自输入电源功率进行转换,以驱动负载;
其中,所述转换器包括功率开关(Q1)和电流检测器,所述电流检测器用于检测所述转换器提供的功率电流并根据所述功率电流的大小控制所述功率开关的工作状态以进行功率转换;
其特征在于,所述电流检测器包括:
-检测电阻(R5),用于容许待检测的所述功率电流流过,以在所述检测电阻上形成检测电压;
-带隙电路,包括正温度系数部分和负温度系数部分,所述带隙电路的阈值电压由正温度系数部分和负温度系数部分结合得到,所述带隙电路的输入连接到所述检测电阻获得所述检测电压,所述带隙电路的输出耦合到所述功率开关,当所述检测电压高于所述阈值电压时,所述带隙电路输出控制信号以操作所述功率开关。
2.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,所述带隙电路包括:
-第一三极管(Q4),集电极通过第一电阻(R6)连接到所述带隙电路的输入,集电极与基极短接,发射极连接到地;
-第二三接管(Q5),集电极通过第二电阻(R8)连接到所述带隙电路的输入,基极与所述第一三极管(Q4)的基极连接,发射极通过第三电阻(R7)连接到地;
-第三三极管(Q6),基极与所述第二三极管(Q5)的集电极连接,发射极连接到地,集电极作为所述带隙电路的输出;
其中,所述第一三接管(Q4)、所述第二三接管(Q5)和所述第三三极管(Q6)为NPN型。
3.根据权利要求2所述的驱动电路,其特征在于,所述阈值电压由所述第三三极管的基极与发射极导通电压和所述第一与第二三极管导通时所述第二电阻(R8)上的电压降决定,其中,所述第三三极 管的基极与发射极阈值电压具有负温度系数,所述第一与第二三极管导通时所述第二电阻(R8)上的电压降具有正温度系数。
4.根据权利要求3所述的驱动电路,其特征在于,所述第一电阻和所述第三电阻的阻值的比率等于1,且为第二电阻的十分之一,使得所述阈值电压不依赖于温度变化;或
所述第一、第二和第三电阻的阻值比率使得所述阈值电压具有负温度特性。
5.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,所述转换器电路包括:
-降压转换器,其中包括:
续流线圈(L1),串联在输入电源功率、负载端、所述功率开关、以及地之间形成充电回路;
续流二极管(D5),从所述续流线圈的电流流出端向所述负载端的输入端正向偏置,用于当所述功率开关断开时允许所述续流线圈中的电流流出、通过所述负载端、并流回所述续流线圈以形成续流回路;
其中,所述检测电阻串联在所述充电回路中。
6.根据权利要求5所述的驱动电路,其特征在于,所述转换器电路基于RCC振荡,还包括:
-次级线圈(L2),与所述续流线圈耦合,并连接到所述功率开关的控制极,当所述功率开关开始闭合以使所述续流线圈中开始有电流流动时,所述次级线圈上的感应电势在所述功率开关的控制极上产生额外电流,以加快所述功率开关的闭合。
7.根据权利要求2所述的驱动电路,其特征在于,当所述检测电压大于所述阈值电压时,所述第三三极管(Q6)导通以在集电极上输出低电位;否则输出高电位。
8.根据权利要求7所述的驱动电路,其特征在于,所述功率开关包括第四三极管(Q1),所述驱动电路还包括:
控制电路,连接到所述第四三极管(Q1)的基极,用于从所述第 四三极管(Q1)的基极抽取电流以将所述第四三极管(Q1)关断;
所述控制电路连接到所述带隙电路的输出。
9.根据权利要求8所述的驱动电路,其特征在于,所述控制电路包括:
-第五三极管(Q2),是PNP型三极管,发射极连接到所述功率开关的控制极,基极连接到所述带隙电路的输出,集电极通过电阻连接到地;
-第六三极管(Q3),是NPN型三极管,集电极通过电阻连接到所述功率开关的控制极以及所述带隙电路的输出,基极连接到所述第五三极管的集电极,发射极连接到地。
10.根据权利要求2所述的驱动电路,其特征在于,所述带隙电路包括:
-第七三极管(Q4p),集电极通过第四电阻(R6p)连接到地,集电极与基极短接,发射极连接到所述带隙电路的输入;
-第八三接管(Q5p),集电极通过第五电阻(R8p)连接到地,基极与所述第七三极管(Q4p)的基极连接,发射极通过第六电阻(R7p)连接到所述带隙电路的输入;
-第九三极管(Q6p),基极与所述第八三极管(Q5p)的集电极连接,发射极连接到所述带隙电路的输入,集电极作为所述带隙电路的输出;
其中,所述第七、第八和第九三极管为PNP型;
所述功率开关包括第四三极管(Q1),所述驱动电路还包括:
控制电路,连接到所述第四三极管(Q1)的基极,用于从所述第四三极管(Q1)的基极抽取电流以将所述第四三极管(Q1)关断,所述控制电路包括:
-第五三极管(Q2),是PNP型三极管,发射极连接到所述功率开关的控制极,集电极通过电阻连接到地且连接到所述第九三极管(Q6p)的集电极;
-第六三极管(Q3),是NPN型三极管,集电极通过电阻连接到 所述功率开关的控制极以及所述第五三极管的基极,基极连接到所述第五三极管的集电极,发射极连接到地。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的驱动电路,其特征在于,所述驱动电路用于驱动发光二极管(LED)。
12.一种发光二极管灯,包括发光二极管(LED),其特征在于,所述发光二极管由根据权利要求11所述的驱动电路所驱动。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114035643A (zh) * 2022-01-10 2022-02-11 上海奥简微电子科技有限公司 温控保护电路

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