CN216852440U - 恒流驱动电路以及恒流驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种恒流驱动电路及恒流驱动系统。恒流驱动电路用于控制流过负载的电流保持恒定，所述驱动电路包括：采样模块，用于检测流过所述负载的感应电流并输出采样电压；基准电压产生模块，用于提供基准电压；反馈控制模块，用于接收所述采样电压和所述基准电压，将所述采样电压和所述基准电压的差值进行放大和滤波，输出补偿电流；滞环控制模块，用于接收所述采样电压、所述基准电压以及所述补偿电流，产生控制信号；驱动模块，耦接功率管，所述功率管耦接所述负载，所述驱动模块用于根据所述控制信号控制所述功率管的导通和关断以控制流过所述负载的电流保持恒定。该恒流驱动电路电流控制精度高，负载调整率和线性调整率较小。

Description

恒流驱动电路以及恒流驱动系统

技术领域

本实用新型涉及电子电路，具体涉及一种恒流驱动电路以及恒流驱动系统。

背景技术

由于LED光源相对于传统光源有着高效节能的优势，目前在全球范围内节能减排的大背景下，LED光源正在越来越多地替代传统光源。绝大部分的LED都采用恒流控制，因此恒流控制模式成为LED驱动电路设计的关键。

在滞环控制恒流结构中，存在电流控制精度差，负载调整率和线性调整率较大等问题，因此，亟需一种可靠解决电流精度差等问题的技术方案。

实用新型内容

为解决现有技术中的滞环控制恒流结构中电流控制精度差，负载调整率和线性调整率较大等问题，尤其是当开关频率较高时，这种问题尤为突出。本实用新型提出了一种恒流驱动电路以及恒流驱动系统。

本实用新型的一个实施例提出了一种恒流驱动电路，用于控制流过负载的电流保持恒定，所述恒流驱动电路包括：采样模块，用于检测流过所述负载的感应电流并输出采样电压；基准电压产生模块，用于提供基准电压；反馈控制模块，用于接收所述采样电压和所述基准电压，将所述采样电压和所述基准电压的差值进行放大和滤波，输出补偿电流；滞环控制模块，用于接收所述采样电压、所述基准电压以及所述补偿电流，产生控制信号；和驱动模块，耦接功率管，所述功率管耦接所述负载，所述驱动模块用于根据所述控制信号控制所述功率管的导通和关断以控制流过所述负载的电流保持恒定。

本实用新型的另一实施例提出了一种恒流驱动系统，包括如上所述的恒流驱动电路以及所述功率管、所述负载、采样电阻以及电感。

本实用新型所提出的恒流驱动电路，在传统滞环控制电路的基础上叠加了反馈控制模块，形成了双环控制结构，原来的滞环部分响应快，属于开环、快环，而反馈控制部分响应慢，属于闭环、慢环。通过开环控制和闭环控制相结合，输出电流大部分通过开环控制，闭环反馈对输出电流进行微调，这样，既能克服开环控制的缺陷，提高输出电流的精度以及降低负载调整率和线性调整率，又能避免完全用闭环反馈控制所带来的动态调节易振荡的问题。

附图说明

在下面所有附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的恒流驱动电路的结构示意图；

图2示出了根据本实用新型另一实施例的恒流驱动电路的结构示意图；

图3a示出了根据本实用新型一个实施例的无补偿电流时理论上电感电流、输出电流以及功率管驱动信号的波形图；

图3b示出了根据本实用新型一个实施例的不同负载条件下采样电压(或者电感电流)的波形图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但此等元件不应受此等术语限制。此等术语乃用以区分一元件与另一元件。因此，下文论述的第一元件可称为第二元件而不偏离本实用新型概念的启示。如本文中所使用，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的任一者及一或多者的所有组合。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的恒流驱动电路10的结构示意图。降压电路是大家很熟悉的拓扑，以下以降压拓扑为例阐述本实用新型，但应用恒流驱动电路10的恒流驱动系统并不限于降压拓扑。如图1所示，恒流驱动系统采用了降压拓扑，该恒流驱动系统包括负载、滤波电容、电感、续流元件和功率管Q1，输入电压VIN为直流电压，恒流驱动电路10包括采样模块101、基准电压产生模块102、反馈控制模块103、滞环控制模块104以及驱动模块105。如图所示，采样模块101用于检测通过负载的感应电流IL并将该感应电流IL转换成内部电压，即输出采样电压VCS，该采样电压VCS表征感应电流IL的大小。基准电压产生模块102产生基准电压VREF，反馈控制模块103接收采样电压VCS和基准电压VREF，通过将所述采样电压VCS和所述基准电压VREF的差值进行放大和滤波，输出补偿电流Ic，滞环控制模块根据采样电压VCS、所述基准电压VREF以及所述补偿电流Ic产生控制信号，驱动模块105耦接功率管Q1，功率管Q1耦接上述负载，驱动模块105根据控制信号控制功率管Q1的导通和关断，从而控制流过负载的电流保持恒定，也即输出电流I0保持恒定。通常滞环控制恒流结构是开环的，没有反馈，结构简单，负载切换时响应快，且不会发生振荡等问题，但是电流控制精度差，负载调整率和线性调整率较大，尤其是当开关频率较高时，这种缺点尤为突出，本实用新型通过反馈控制模块103构成了闭环控制，叠加了反馈控制环路，其补偿电流Ic对输出电流I0进行微调，既能克服开环控制的缺陷，提高输出电流的精度以及降低负载调整率和线性调整率，又能避免完全用闭环反馈控制所带来的动态调节易振荡的问题。

进一步，以负载为LED，采样模块101为差分采样为例进行阐述，该采样模块也可以通过其他方式进行采样，本申请不做任何限制。如图2所示，通过采样电阻Rcs来检测电感电流并输出采样电压VCS，差分采样电路分别连接在采样电阻Rcs的两端，采样电路包括运放AMP0，由运放采样Rcs电阻两端的电压VRcs，并且将VRcs转换成内部电压，即采样电压VCS并输出。由于Rcs电阻跟电感串联，因此Rcs电阻上的电流就是电感电流，且其平均值就是输出电流I0，差分采样的优势是输出电流通常工作在连续模式，适合大电流的应用。

进一步的，恒流驱动电路10还包括基准电压产生模块102和反馈控制模块103，基准电压产生模块产生基准电压VREF，反馈控制模块103接收该基准电压VREF和采样电压VCS，反馈控制模块103进一步包括一低通滤波器和跨导放大器GM2，低通滤波器包括跨导放大器GM1和电容Ccomp，跨导放大器GM1的正端接收上述采样电压VCS，跨导放大器GM1的负端接收上述基准电压VREF，该低通滤波器将采样电压VCS和所述基准电压VREF的差值进行放大和滤波，并输出补偿电压Vcomp，该补偿电压Vcomp表征流过负载的感应电流的平均值大小，也即输出电流I0的大小。该低通滤波器的带宽可设置为采样电压VCS频率的1/5到1/10，因为VCS的频率就是开关频率，因此滤波器的带宽设置在开关频率的1/5到1/10之间。跨导放大器GM2的正端接收该补偿电压Vcomp，负输入端接收上述参考电压VREF，将补偿电压Vcomp与基准电压VREF的差值电压转换成补偿电流Ic并输出。

进一步的，如图2，恒流驱动电路还包括滞环控制模块，滞环控制模块接收上述补偿电流Ic、基准电压VREF以及采样电压VCS，产生控制信号。进一步的，该滞环控制模块包括阈值产生模块1041、触发复位信号产生模块1042以及触发器1043。该阈值产生模块包括一运放AMP、第一电阻RH和第二电阻RL，运放AMP的正输入端接收基准电压VREF，其输出端和所述第一电阻RH的第一端连接，且形成第一节点A，第一电阻RH的第二端和第二电阻RL的第一端连接，且形成第二节点B，运放AMP的负输入端连接第二节点B，且接收补偿电流Ic，第二电阻的第二端形成第三节点C且连接一电流源，该电流源控制流过第二电阻RL的电流为I，第一节点A输出最大阈值电压VMAX，所述第三节点C输出所述最小阈值电压VMIN。触发复位信号产生模块1042包括第一比较器CMP1和第二比较器CMP2，第一比较器CMP1的正输入端连接上述第一节点A并接收最大阈值电压VMAX，第一比较器CMP1的负输入端连接第二比较器的负输入端，且接收采样电压VCS，第二比较器的正输入端连接第三节点C并接收最小阈值电压VMIN，第二比较器的负输入端接收采样电压VCS，在所述采样电压VCS低于所述最小阈值电压VMIN时产生触发信号，用于控制功率管Q1导通，促使采样电压VCS(即感应电流IL)上升，第一比较器CMP1在采样电压VCS高于最大阈值电压VMAX时产生复位信号，复位信号用于控制功率管Q1关断，促使采样电压VCS(即感应电流IL)下降。也即触发器1043根据复位信号和触发信号控制产生控制信号，驱动电路根据控制信号控制功率管Q1的导通和关断从而调节采样电压VCS(即感应电流IL)，进而调节输出电流I0。

继续参照图2的阈值产生模块1041，根据运放的原理可知，B点电压VREFB＝VREF，则最大阈值电压VMAX＝VREF+(I-Ic)*RH，最小阈值电压VMIN＝VREF-I*RL，当RH＝RL＝R时，最大阈值电压VMAX和最小阈值电压VMIN的平均值VAVE＝VREF-Ic*R/2,可知最大阈值电压VMAX和最小阈值VMIN电压的平均值随着补偿电流Ic的增大而减小，没有补偿电流时，最大阈值电压和最小阈值电压的平均值即为VREF，控制输出电流I0的值为VREF/Rcs,如图3a所示,给出了没有补偿电流时理论上电感电流IL、输出电流I0以及功率管Q1驱动信号GATE的波形图。可以看出，当电路稳定工作后，VCS的最大值和最小值即为VMAX和VMIN，其平均值VREF。但是在实际电路中，IL达到VMAX/Rcs时，理论上功率管Q1应该立刻关断，但是由于芯片内部的比较器翻转延时、传输延时以及功率管的关断延时等非理想因素的存在，导致在VCS达到VMAX时芯片没有立刻关断，而是以原来的斜率继续上升，直到芯片关断，因此电感电流的实际峰值比理论值VMAX/Rcs要高，且随着输出电压的不同，电感电流的斜率也不同，实际峰值也不同，因此，实际的输出电流I0随着输出负载电压的变化而变化，负载调整率较大。如图3b所示，给出了不同负载条件下采样电压VCS(也即电感电流IL)的波形图，可以看出，在采样电压的峰值D点，其比理论值VMAX高出很多，但是由于引入了闭环负反馈，则最大阈值电压VMAX的值会受到补偿电压Vcomp的调节，由于采样电压VCS比较大，则补偿电压Vcomp会增大，流进B节点的补偿电流Ic＝Gm2*(Vcomp-VREF)也会变大，根据VMAX＝VREF+(I-Ic)*RH，则最大阈值电压VMAX会随之变小，可以看到采样电压VCS的峰值随着最大阈值电压VMAX的降低而回落，从而最终导致电感电流的回落。通过反馈控制模块的设置，将开环和闭环反馈相结合，以及合理设置Gm2的大小，可以有效控制反馈补偿量所占的比例，使输出电流的大部分通过开环控制，并且通过闭环反馈对输出电流进行微调，这样，既能克服开环控制的缺陷，提高输出电流的精度以及降低负载调整率和线性调整率，又能避免完全用闭环反馈控制所带来的动态调节易振荡的问题。

虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种恒流驱动电路，其特征在于，所述恒流驱动电路用于控制流过负载的电流保持恒定，所述恒流驱动电路包括：

采样模块，用于检测流过所述负载的感应电流并输出采样电压；

基准电压产生模块，用于提供基准电压；

反馈控制模块，用于接收所述采样电压和所述基准电压，将所述采样电压和所述基准电压的差值进行放大和滤波，输出补偿电流；

滞环控制模块，用于接收所述采样电压、所述基准电压以及所述补偿电流，产生控制信号；和

驱动模块，耦接功率管，所述功率管耦接所述负载，所述驱动模块用于根据所述控制信号控制所述功率管的导通和关断以控制流过所述负载的电流保持恒定。

2.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其中，所述反馈控制模块包括：

低通滤波器，接收所述采样电压以及所述基准电压，将所述采样电压和所述基准电压的差值进行放大和滤波，输出补偿电压；和

第一跨导放大器，接收所述补偿电压和所述基准电压，将所述补偿电压和所述基准电压的差值电压转换成所述补偿电流。

3.如权利要求2所述的恒流驱动电路，其中，所述低通滤波器的带宽为所述采样电压频率的1/5到1/10。

4.如权利要求1所述的恒流驱动电路，其中，所述滞环控制模块包括：

阈值产生模块，接收所述基准电压和所述补偿电流，输出最大阈值电压和最小阈值电压；

触发复位信号产生模块，接收所述采样电压、所述最大阈值电压和所述最小阈值电压，在所述采样电压低于所述最小阈值电压时产生触发信号，在所述采样电压高于最大阈值电压时产生复位信号；和

触发器，根据所述触发信号和所述复位信号产生所述控制信号。

5.如权利要求4所述的恒流驱动电路，其中，所述最大阈值电压随着所述补偿电流的增大而减小。

6.如权利要求4所述的恒流驱动电路，其中，所述最大阈值电压和最小阈值电压的平均值随着所述补偿电流的增大而减小。

7.如权利要求4所述的恒流驱动电路，其中，所述阈值产生模块包括运放、第一电阻和第二电阻，所述运放的输出端和所述第一电阻的第一端连接，且形成第一节点，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接，且形成第二节点，所述第二节点接收所述补偿电流，所述运放的正输入端接收所述基准电压，所述运放的负输入端连接所述第二节点，所述第二电阻的第二端形成第三节点，所述第一节点输出所述最大阈值电压，所述第三节点输出所述最小阈值电压。

8.如权利要求4所述的恒流驱动电路，其中，触发复位信号产生模块包括：

第一比较器，所述第一比较器的正输入端接收所述最大阈值电压，其负输入端接收所述采样电压，所述第一比较器的输出端输出所述复位信号；和

第二比较器，所述第二比较器的正输入端接收所述最小阈值电压，所述第二比较器的负输入端连接所述第一比较器的负输入端并接收所述采样电压，所述第二比较器的输出端输出所述触发信号。

9.如权利要求7所述的恒流驱动电路，其中，所述第一电阻等于所述第二电阻。

10.一种恒流驱动系统，其特征在于，所述恒流驱动系统包括如权利要求1-9任一项所述的恒流驱动电路以及所述功率管、所述负载、采样电阻以及电感。

11.如权利要求10所述的恒流驱动系统，其中，所述负载为LED。

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