CN209949499U - 大功率led线性恒流驱动控制芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微电子技术领域，尤其是大功率LED线性恒流驱动控制芯片；包括直流母线、多个串并联关系的LED灯珠和若干个外置功率管，直流母线分别连接第一个LED灯珠的第一端和JFET管的漏极，所述JFET管的栅极接地，所述JFET管的源极连接电源分离器的输入端，所述电源分离器的VDD输出端作为芯片内部其它功能模块的电源，所述电源分离器的GV输出端连接热敏电阻的第一端和外置功率管的栅极，所述带隙基准模块参考电压输出端分别连接电源分离器的参考电压输入端和第一运算放大器的正极输入端，采用双温度保护设计提高了整个系统的可靠性；采用外置功率MOS管与芯片内部功率调整管组成的共源共栅结构有效地降低了无用功耗，提高了整机系统的效率。

Description

大功率LED线性恒流驱动控制芯片

技术领域

本实用新型涉及微电子技术领域，尤其是大功率LED线性恒流驱动控制芯片。

背景技术

LED具有超低功耗，电光功率转换率高，在相同照明效果下比传统光源节能80％以上，且使用寿命比传统光源长，LED光源可以利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，形成不同光色的组合，LED组合的光色变化多端，可以实现丰富多彩的动态变化效果和各种图像。由于LED的诸多优点，使得LED被广泛使用并取代了传统的光源，LED灯的驱动设计变得越来越重要。

目前LED驱动主要以两类为主，一类是脉宽调制LED驱动，另一类为线性恒流LED驱动。脉宽调制LED驱动具有良好的线性调制率以及负载调制率，但是脉宽调制LED驱动由于成本相对高，系统相对复杂。而线性恒流LED驱动不支持全电压输入，具有有限的负载调制率，但线性恒流LED驱动的系统应用简单以及系统成本低等优点，使得它在追逐成本的 LED照明市场占据一席之地。

线性恒流LED驱动目前市场上大多是以中小功率线性恒流驱动或者通过由中小功率线性恒流驱动通过串并联方式实现大功率的形式存在，而通过中小功率线性恒流驱动通过串并联方式实现的大功率普遍存在效率低，各中小功率驱动之间电流不一致等问题。但由于MOS 管制造工艺，封装工艺的差异，导致MOS管间导通状态不一致，且整机效率不高。

设计一种不易受功率外置MOS导通状态不一致的影响，且整机效率更高的大功率线性恒流LED驱动设计成了必然。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种不易受功率外置MOS导通状态不一致的影响，整机效率更高的大功率线性恒流LED驱动。

本实用新型的技术方案为：

大功率LED线性恒流驱动控制芯片，其特征在于：它包括直流母线、多个串并联关系的 LED灯珠以及和若干个外置功率管，所述直流母线分别连接第一个LED灯珠的第一端和JFET 管的漏极，最后一个LED灯珠的第二端分别连接所有外置功率管的漏极，所有外置功率管的栅极共同连接热敏电阻的第一端，所述热敏电阻的第二端接地，所述JFET管的栅极接地，所述JFET管的源极连接电源分离器的输入端，所述电源分离器的VDD输出端连接带隙基准模块，所述电源分离器的GV输出端连接热敏电阻的第一端，带隙基准模块的参考电压输出端分别连接电源分离器的参考电压输入端和第一运算放大器的正极输入端，所述第一运算放大器的负极输入端连接第一场效管的源极，所述第一运算放大器的输出端连接第一调整管的栅极，所述第一调整管的漏极分别连接所有外置功率管的源极。

进一步地，所述大功率LED线性恒流驱动控制芯片还包括第一基准电流模块、第二基准电流模块、第一电阻、第二电阻、第二运算放大器、外置限流电阻、第一三极管和使能管，所述第二基准电流模块连接第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端分别连接第二电阻的第一端和第二运算放大器的正极输入端，所述第一基准电流模块分别连接第一三极管的集电极、基极和第二运算放大器的负极输入端，所述第一三极管的基极和发射极共同连接第二电阻的第二端，所述第二运算放大器的输出端连接使能管的栅极，所述使能管的漏极连接第一调整管的栅极，所述使能管的源极、第二电阻的第二端第一三极管的发射极共同接地，所述外置限流电阻的第二端连接第一场效管的源极，所述外置限流电阻的第一端通过导线接地。

进一步地，所述JFET管采用超高耐压700VJFET管。

进一步地，所述电源分离器包括输入端、参考电压输入端、GV输出端、VDD输出端、第三运算放大器、第二调整管、电容、第三电阻、第四电阻和第五电阻，输入端分别连接第三运算放大器的VCC端和第二调整管的源极，所述参考电压输入端连接第三运算放大器的负极输入端，所述第三运算放大器的输出端分别连接第二调整管的栅极和电容的第一端，所述电容的第二端接地，所述第二调整管的漏极分别连接第三电阻的第一端和GV输出端，所述第三电阻的第二端分别连接第四电阻的第一端和VDD输出端，所述第四电阻的第二端分别连接第三运算放大器的正极输入端和第五电阻的第一端，所述第五电阻的第二端接地，所述输入端外接JFET管的源极，所述参考电压输入端外接带隙基准模块的参考电压输出端，所述GV输出端外接热敏电阻的第一端，所述VDD输出端连接芯片内除了电源分离器外的其它功能模块的电源输入端。

本实用新型的有益效果为：

1.采用双温度保护设计提高了整个系统的可靠性。

2.采用外置功率MOS管与芯片内部功率调整管组成的共源共栅结构有效的降低了无用功耗，提高了整机系统的效率。

3.外置功率NMOS与芯片内功率调整管组成的共源共栅接法，使得对芯片内功率调整管的击穿耐压需求变得更低，耐压需求越低，功率调整管所占芯片面积越少，产出的颗粒数越多，芯片成本越低。

4.由于外置功率管可以并联使用，故而使得芯片节省了管脚数量，并且使得整机系统的 PCB布图走线更简单。

5.此结构设计对并联外置功率NMOS管一致性要求降低，适合标准化、自动化、批量化生产。

附图说明

图1为本实用新型的电路图；

图2为本实用新型的电源分离器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，大功率LED线性恒流驱动控制芯片，其特征在于：它包括直流母线DUBUS、多个串联的LED灯珠以及和若干数量的外置功率管(N1-Nn)，所述直流母线DCBUS分别连接第一个LED灯珠的第一端和JFET管J1的漏极，最后一个LED灯珠的第二端分别连接所有外置功率管(N1-Nn)的漏极，所有外置功率管(N1-Nn)的栅极共同连接热敏电阻NTC的第一端，所述热敏电阻NTC的第二端接地，所述JFET管J1的栅极接地，所述JFET管J1的源极连接电源分离器的输入端，所述电源分离器的VDD输出端连接带隙基准模块，所述电源分离器的GV输出端连接热敏电阻NTC的第一端，带隙基准模块的参考电压输出端分别连接电源分离器的参考电压输入端和第一运算放大器OP1的正极输入端，所述第一运算放大器OP1 的负极输入端连接第一调整管M1的源极，所述第一运算放大器OP1的输出端连接第一调整管M1的栅极，所述第一调整管M1的漏极分别连接所有外置功率管(N1-Nn)的源极。

所述大功率LED线性恒流驱动控制芯片还包括第一基准电流模块IB1、第二基准电流模块IB2、第一电阻R1、第二电阻R2、第二运算放大器OP2、外置限流电阻RCS、第一三极管Q1和使能管M2，所述第二基准电流模块IB2连接第一电阻R1的第一端，所述第一电阻 R1的第二端分别连接第二电阻R2的第一端和第二运算放大器OP2的正极输入端，所述第一基准电流模块IB1分别连接第一三极管Q1的集电极、基极和第二运算放大器OP2的负极输入端，所述第一三极管Q1的发射极共同连接第二电阻R2的第二端，所述第二运算放大器 OP2的输出端连接使能管M2的栅极，所述使能管M2的漏极连接第一调整管M1的栅极，所述第二场效管M2的源极分别连接第二电阻R2的第二端和外置限流电阻RCS的第一端，所述外置限流电阻RCS的第二端连接第一调整管M1的源极，所述外置限流电阻RCS的第一端通过导线接地。

所述JFET管J1采用超高耐压700VJFET管。

该系统芯片中使用的超高耐压700VJFET管J1对高压进行降压处理得到一个电压V1,V1 经过电源分离器生成为内部其它模块供电电源电压VDD和为外置功率管栅极提供恒定电压 GV(Gate Voltage)，GV电压需要恒定且尽可能的向接近V1电压，通过电源分离器分离后的 GV电压，GV电压的误差范围控制在2％以内，根据MOS管IV特性曲线可知，GV的电压越高则外置NMOS功率管的导通电阻越小，这样可以提高系统的效率，减少使用外置NMOS 的数量，从而减小系统应用成本。带隙基准模块是为电源分离器和运放OP1提供参考电压，为电源分离器提供基准以便可以产生一个相对稳定的GV电压以及VDD电压(GV电压大于 VDD电压)。在电流远小于外置功率管的最大电流时，功率管的导通电阻将变得很小，从而使得外置功率管的发热功率减小，再则由于恒压GV的存在，从而使得OUT脚电压被限定. 故M1为中低压MOS管即可。此实用新型采用双温度保护功能，提高了系统的可靠性，无需使用多个GATE输出脚与外置功率MOS相连，只需一个OUT输出脚与并联的外置功率相连即可实现大功率LED驱动系统，由于减少了芯片的管脚数量，从而减小了系统的PC面积以和使得PCB布局更容易，功率NMOS内阻的减小使得整机系统的效率得到提高。

热敏电阻NTC为外置温度保护元件。基准电流IB1流过BC短接的NPN管与OP2负输入端相连，V1随芯片内温度上升而下降，基准电流IB2流过R1和R2,V2随芯片温度上升而上升，与运放OP2正输入端相连，当芯片内温度上升到设定值时,使能管M2的栅极变为高电平，M2导通，电压V3被拉低，功率调整管电流变小，从而减小芯片发热功率达到温度保护的功能，对于大功率LED驱动系统而言，LED灯板的温度上升相对芯片内部温度要快，由于芯片内外温度的差异，所以设置芯片外部温度保护很有必要，此实用新型设计中使用了热敏电阻限定外置功率MOS管NM1的栅极电压，从而减小流过LED灯的电流，从而减小LED 灯板的发热。芯片内外的温度保护使得整个系统的可靠性和稳定性得到保证。

如图2所示：所述电源分离器包括输入端、参考电压输入端、GV输出端、VDD输出端、第三运算放大器OP3、第二调整管MP1、电容C、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5，输入端分别连接第三运算放大器OP3的VCC端和第二调整管MP1的源极，所述参考电压输入端连接第三运算放大器OP3的负极输入端，所述第三运算放大器OP3的输出端分别连接第二调整管MP1的栅极和电容C的第一端，所述电容C的第二端接地，所述第二调整管MP1 的漏极分别连接第三电阻R3的第一端和GV输出端，所述第三电阻R3的第二端分别连接第四电阻R4的第一端和VDD输出端，所述第四电阻R4的第二端分别连接第三运算放大器OP3 的正极输入端和第五电阻R5的第一端，所述第五电阻R5的第二端接地，所述输入端外接JFET 管J1的源极，所述参考电压输入端外接带隙基准模块的参考电压输出端，所述GV输出端外接热敏电阻的第一端，所述VDD输出端外接芯片内其它模块的电源端。

电源分离器是产生芯片内部低压模块供电电压VDD以及提供外置功率MOS管MN1栅极电压GV。V1电压为JFET管源极电压，且为电源分离器的电源电压，为了使得GV电压尽可能的接近电压V1,故而使用P型调整管MP1,C为环路补偿电容，电压GV和VDD电压表达式分别如下：

带隙基准，英文Bandgap voltage reference，常常有人简单地称它为Bandgap。最经典的带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25V。故带隙基准模块可以产生参考电压(1.25V)。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理和最佳实施例，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (4)

1.大功率LED线性恒流驱动控制芯片，其特征在于：它包括直流母线、多个串联的LED灯珠和若干个外置功率管，所述直流母线分别连接第一个LED灯珠的第一端和JFET管的漏极，最后一个LED灯珠的第二端分别连接所有外置功率管的漏极，所有外置功率管的栅极共同连接热敏电阻的第一端，所述热敏电阻的第二端接地，所述JFET管的栅极接地，所述JFET管的源极连接电源分离器的输入端，所述电源分离器的VDD输出端连接芯片内其它模块的电源端，所述电源分离器的GV输出端连接热敏电阻的第一端和外置功率管的栅极，带隙基准模块参考电压输出端分别连接电源分离器的参考电压输入端和第一运算放大器的正极输入端，所述第一运算放大器的负极输入端连接第一调整管的源极，所述第一运算放大器的输出端连接第一调整管的栅极，所述第一调整管的漏极分别连接所有外置功率管的源极。

2.根据权利要求1所述的大功率LED线性恒流驱动控制芯片，其特征在于：所述大功率LED线性恒流驱动控制芯片还包括第一基准电流模块、第二基准电流模块、第一电阻、第二电阻、第二运算放大器、外置限流电阻、第一三极管和使能管，所述第二基准电流模块连接第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端分别连接第二电阻的第一端和第二运算放大器的正极输入端，所述第一基准电流模块分别连接第一三极管的集电极和基极与第二运算放大器的负极输入端，所述第一三极管的发射极与第二电阻的第二端共同接地，所述第二运算放大器的输出端连接使能管的栅极，所述使能管的漏极连接第一调整管的栅极，所述使能管的源极分别与第二电阻的第二端、第一三极管的发射极和外置限流电阻共同接地。

3.根据权利要求2所述的大功率LED线性恒流驱动控制芯片，其特征在于：所述JFET管采用超高耐压700VJFET管。

4.根据权利要求3所述的大功率LED线性恒流驱动控制芯片，其特征在于：所述电源分离器包括输入端、参考电压输入端、GV输出端、VDD输出端、第三运算放大器、第二调整管、电容、第三电阻、第四电阻和第五电阻，输入端分别连接第三运算放大器的VCC端和MP场效管的源极，所述参考电压输入端连接第三运算放大器的负极输入端，所述第三运算放大器的输出端分别连接第二调整管的栅极和电容的第一端，所述电容的第二端接地，所述第二调整管的漏极分别连接第三电阻的第一端和GV输出端，所述第三电阻的第二端分别连接第四电阻的第一端和VDD输出端，所述第四电阻的第二端分别连接第三运算放大器的正极输入端和第五电阻的第一端，所述第五电阻的第二端接地，所述输入端外接JFET管的源极，所述参考电压输入端外接带隙基准模块的参考电压输出端，所述GV输出端外接热敏电阻的第一端和所有外置功率管的栅极，所述VDD输出端连接芯片内除了电源分离器外的其它功能模块的电源输入端。

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