TW202002721A - 支援低電壓輸入的led驅動電路及其控制晶片 - Google Patents

支援低電壓輸入的led驅動電路及其控制晶片 Download PDF

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程志強
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Abstract

一種支援低電壓輸入的LED驅動電路，具有：一電源轉換單元，用以依一開關通道之控制將一輸入電壓轉成一輸出電流；以及一控制單元，具有：一邏輯控制單元，用以產生一開關信號；一驅動電路，具有該開關通道以與該電源轉換單元耦接，且該開關通道係受該開關信號控制；一過壓保護模組，用以依一關斷期間和一預設時間之一比較結果產生一過壓信號；以及一遮罩邏輯電路，用以判斷一導通期間是否超過一最大導通期間並依一判斷結果決定一遮罩信號之電位，及利用該遮罩信號遮罩該過壓信號以避免一LED模組發生閃爍現象。

Description

支援低電壓輸入的LED驅動電路及其控制晶片
本案係有關一種LED驅動電路，特別是關於一種支援低電壓輸入的LED驅動電路。
請參照圖1，其繪示一習知開關型LED驅動電路的電路圖。如圖1所示，該習知開關型LED驅動電路具有一橋式整流單元11、一電容12、一電阻13、一電容14、一電容15、一LED模組16、一二極體17、一電感18、一控制晶片19、一電阻20及一電阻21。
於操作時，一AC交流電經過橋式整流單元11和電容12的整流及濾波作用後產生一母線電壓VIN ；母線電壓VIN 通過電阻13和電容14的低通濾波作用後產生一供電電壓給控制晶片19；控制晶片19通過內部在DRAIN接腳和CS接腳之間所設之一500V開關電晶體(未示於圖中)控制一電源轉換操作；電阻20決定了一過電壓保護單元所需的一參考電壓值；電阻21提供一電流採樣信號VCS ；電容15提供使LED模組16的電流漣波降低的作用；二極體17提供一電感電流釋放路徑；電感18提供一累積電流iL；以及控制晶片19依所述電流採樣信號VCS 決定所述電源轉換操作的占空比，及依所述參考電壓值決定是否進入一過電壓保護模式。
請參照圖2，其繪示圖1之習知開關型LED驅動電路的電感電流波形圖。如圖2所示，其係一臨界導通模式之電感電流iL的波形，主要分為導通階段和截止階段。
在導通階段中，控制晶片19使內部之所述開關電晶體導通，以對電感18進行儲能，此時電感電流iL會一直上升，電阻21所提供的所述電流採樣信號VCS 的電壓也隨之上升。當所述電流採樣信號VCS 的電壓大於一內部基準電壓VREF (未示於圖中)時，控制晶片19會關斷所述開關電晶體，此時電感電流iL上升到最大值IPK 。導通階段的時間TON 可表示如下：其中L為電感18的電感值，VIN 為母線電壓，VLED 為負載電壓，IPK =VREF /RCS ， RCS 為電阻21的電阻值。 在截止階段中，控制晶片19使內部之所述開關電晶體關斷，電感18經由二極體17釋放能量，電感電流iL乃從峰值IPK 下降。當電感電流iL降至零時，控制晶片19內部之一電流過零檢測模組(未示於圖中)會將所述開關電晶體重新導通，截止階段的時間TOFF 可表示如下：
由於沒有輔助繞組的存在，無法直接檢測LED模組16兩端的電壓，因此，目前通用的做法是通過檢測截止階段的時間TOFF ，和一內部的基準時間TOVP 進行比較，TOVP 的時間大小可由電阻20的電阻值決定。如果TOFF ＞TOVP ，表示LED模組16兩端電壓較小，電路可正常工作；如果TOFF ＜TOVP ，表示LED模組16兩端電壓較大，電路需要進入過壓保護模式以防止LED模組16被燒壞。
然而，由於輸入的交流電壓AC經過橋式整流單元11和電容12後，一般仍會在母線電壓VIN 產生漣波。尤其是當VIN 較小且LED模組16的電壓較大，且VIN 的最小值接近LED模組16的電壓時，此時Ton會很大，很可能會使電路的開關切換頻率落入人耳能聽到的聲音頻率範圍(20~20KHz)內，此現象一般稱為電感嘯叫。電感嘯叫的一般解決辦法是在控制晶片19內部增加一最大導通時間模組，其係在當所需的TON 超過一最大導通時間時，即使電感電流iL峰值仍未達到IPK ，也會關斷所述開關電晶體。然而，由於此時電感電流iL的峰值較低，TOFF 的時間也會相應減小，因此很可能會出現TOFF ＜TOVP 的情形而使電路進入過壓保護模式，從而導致LED模組16產生閃爍現象。
為解決上述問題，本領域亟需一新穎的LED驅動電路。
本案之一目的在於提供一種支援低電壓輸入的LED驅動電路，其可在一輸入電壓和一LED模組的跨壓之間具有低壓差的情況下，藉由一遮罩機制防止一LED驅動電路進入過壓保護模式，以避免該LED模組發生閃爍現象。
本案之另一目的在於提供一種支援低電壓輸入的LED驅動電路，其可在一LED驅動電路之一導通期間超過一預設的最大導通時間時，藉由一遮罩機制防止該LED驅動電路進入過壓保護模式，以避免一LED模組發生閃爍現象。
為達上述目的，一種支援低電壓輸入的LED驅動電路乃被提出，其具有：
一含一電感、一電容及一二極體之一電源轉換單元，係用以依一開關通道之控制將一輸入電壓轉成一輸出電流以驅動一LED模組；以及
一控制單元，其具有：
一邏輯控制單元，用以產生一開關信號，該開關信號具有一導通期間及一關斷期間；
一驅動電路，具有該開關通道，該開關通道之一端係與該電源轉換單元耦接，該開關通道之另一端係經由一電阻耦接至一地電位以在該電阻產生一電流感測信號，且該開關通道係受該開關信號控制；
一過壓保護模組，用以依所述關斷期間和一預設時間之一比較結果產生一過壓信號，當所述關斷期間小於該預設時間時，該過壓信號呈現一第一作用電位，當所述關斷期間不小於該預設時間時，該過壓信號呈現一第一不作用電位，該第一作用電位和該第一不作用電位係二互補的邏輯電位；以及
一遮罩邏輯電路，用以判斷所述導通期間是否超過一最大導通期間並依一判斷結果決定一遮罩信號之電位，以及利用該遮罩信號遮罩該過壓信號以產生一過壓保護信號，其中，當所述導通期間超過該最大導通期間時，該遮罩信號呈現一第二作用電位，當所述導通期間未超過該最大導通期間時，該遮罩信號呈現一第二不作用電位，該第二作用電位和該第二不作用電位係二互補的邏輯電位；以及當該遮罩信號呈現所述第二作用電位時，該過壓保護信號係呈現一不作用狀態以避免該邏輯控制單元進入一過壓保護模式，當該遮罩信號呈現所述第二不作用電位，且該過壓信號呈現所述第一作用電位時，該過壓保護信號係呈現一作用狀態以驅使該邏輯控制單元進入所述的過壓保護模式。
在一實施例中，所述控制單元具有一電流過零檢測模組以在所述電感的電流降至零時使該開關信號開始一所述的導通期間。
在一實施例中，該遮罩邏輯電路具有：
一閂鎖單元，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端係用以與一最大導通時間狀態信號耦接，且該第二輸入端係與一電流峰值信號耦接；
一反相器，具有一輸入端以與該閂鎖單元的所述輸出端耦接，及一輸出端以提供所述的遮罩信號；以及
一反及閘，具有二輸入端以分別與所述的遮罩信號及所述的過壓信號耦接，及一輸出端以提供所述的過壓保護信號。
在一實施例中，該遮罩邏輯電路具有：
一最大導通時間模組，用以產生所述最大導通時間狀態信號，且其係在所述導通期間超過所述最大導通期間時使所述最大導通時間狀態信號呈現一作用狀態；以及
一峰值電流檢測模組，用以產生所述的電流峰值信號，且其係在所述電感的電流到達一峰值時使所述的電流峰值信號呈現一作用狀態。
在一實施例中，該閂鎖單元包含一反或閘閂鎖器。
在一實施例中，該閂鎖單元包含一反及閘閂鎖器。
在一實施例中，該遮罩邏輯電路具有：
一閂鎖單元，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端係用以與一前沿消隱信號耦接，且該第二輸入端係與一電流比較信號耦接；
一反相器，具有一輸入端以與該閂鎖單元的所述輸出端耦接，及一輸出端以提供所述的遮罩信號；
一反及閘，具有二輸入端以分別與所述的遮罩信號及所述的過壓信號耦接，及一輸出端以提供所述的過壓保護信號；
一前沿消隱信號產生模組，用以產生所述的前沿消隱信號，且其係在所述導通期間的一初始期間呈現一作用狀態；以及
一比較器，用以依該電流感測信號及一參考電壓進行一比較運算以產生所述的電流比較信號。
在一實施例中，該閂鎖單元包含一反或閘閂鎖器。
在一實施例中，該閂鎖單元包含一反及閘閂鎖器。
另外，本發明亦提出一種控制晶片，其包含如前述之支援低電壓輸入的LED驅動電路的所述控制單元。
為使　貴審查委員能進一步瞭解本創作之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
請參照圖3，其繪示本發明支援低電壓輸入的LED驅動電路之一實施例方塊圖。如圖3所示，該LED驅動電路具有一電源轉換單元100及一控制單元200以驅動一LED模組300。
電源轉換單元100含有一電感、一電容及一二極體，且係用以依一開關通道(該開關通道係由控制單元200內部之一開關電晶體(未示於圖中)提供)之控制將一輸入電壓VIN 轉成一輸出電流IOUT 以驅動LED模組300，其中LED模組300具有一跨壓VLED 。
控制單元200，可由一控制晶片實現，具有一邏輯控制單元201、一驅動電路202、一電流過零檢測模組203、一過壓保護模組204及一遮罩邏輯電路205。
邏輯控制單元201係用以產生一開關信號VPWM ，該開關信號VPWM 具有一導通期間及一關斷期間，且係一電流過零信號ZCD之觸發開始一所述的導通期間。
驅動電路202具有該開關通道，該開關通道之一端D係與該電源轉換單元100耦接，另一端CS係經由一電阻210耦接至一地電壓以產生該電感的一電流感測信號VCS ，且該開關通道係受該開關信號VPWM 控制。
電流過零檢測模組203係用以在所述電感的電流降至零時使該開關信號開始一所述的導通期間。
過壓保護模組204係用以依所述關斷期間之一代表信號TOFF 和一預設時間之一比較結果產生一過壓信號OVP，當所述關斷期間小於該預設時間時，該過壓信號OVP呈現一第一作用電位，以及當所述關斷期間不小於該預設時間時，該過壓信號OVP呈現一第一不作用電位，且該第一作用電位和該第一不作用電位係二互補的邏輯電位(例如分別為一高邏輯電位和一低邏輯電位，或分別為一低邏輯電位和一高邏輯電位)。
遮罩邏輯電路205 係用以判斷所述導通期間是否超過一最大導通期間並依一判斷結果決定一遮罩信號之電位，以及利用該遮罩信號遮罩該過壓信號OVP以產生一過壓保護信號OVPOUT，其中，當所述導通期間超過該最大導通期間時，該遮罩信號OVP呈現一第二作用電位，及當所述導通期間未超過該最大導通期間時，該遮罩信號OVP呈現一第二不作用電位，該第二作用電位和該第二不作用電位係二互補的邏輯電位(例如分別為一高邏輯電位和一低邏輯電位，或分別為一低邏輯電位和一高邏輯電位)；以及當該遮罩信號OVP呈現所述第二作用電位時，該過壓保護信號OVPOUT係呈現一不作用狀態以避免該邏輯控制單元201進入一過壓保護模式，及當該遮罩信號呈現所述第二不作用電位，且該過壓信號OVP呈現所述第一作用電位時，該過壓保護信號OVPOUT係呈現一作用狀態以驅使該邏輯控制單元201進入所述的過壓保護模式。
請參照圖4，其為圖3之控制單元200之遮罩邏輯電路205之一實施例之方塊圖。如圖4所示，該遮罩邏輯電路205具有一閂鎖單元2051、一反相器2052、一反及閘2053、一最大導通時間模組2054及一峰值電流檢測模組2055。
閂鎖單元2051具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端係用以與一最大導通時間狀態信號TON_MAX耦接，且該第二輸入端係與一電流峰值信號CS_OUT耦接。在此實施例中，雖然閂鎖單元2051係由一反或閘閂鎖器(由反或閘2051a及反或閘2051b構成)實現，其亦可由一反及閘閂鎖器實現。
反相器2052具有一輸入端以與該閂鎖單元2051的所述輸出端耦接，及一輸出端以提供一遮罩信號MSK。
反及閘2053具有二輸入端以分別與所述的遮罩信號MSK及所述的過壓信號OVP耦接，及一輸出端以提供所述的過壓保護信號OVPOUT。
最大導通時間模組2054係用以產生一最大導通時間狀態信號TON_MAX，且其係在所述導通期間超過所述最大導通期間時使所述最大導通時間狀態信號TON_MAX呈現一作用狀態(在此實施例中，所述作用狀態係一高邏輯電位)。
峰值電流檢測模組2055係用以產生一電流峰值信號CS_OUT，且其係在所述電感的電流到達一峰值時使所述的電流峰值信號CS_OUT呈現一作用狀態，以在每個開關週期中給遮罩邏輯電路205重置。
請參照圖5，其為圖3之控制單元200之遮罩邏輯電路205之另一實施例之方塊圖。如圖5所示，該遮罩邏輯電路205具有一閂鎖單元2051、一反相器2052、一反及閘2053、一前沿消隱信號產生模組2056及一比較器2057。
閂鎖單元2051具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端係用以與一前沿消隱信號CS_LEB耦接，且該第二輸入端係與一電流比較信號CMP耦接。在此實施例中，雖然閂鎖單元2051係由一反或閘閂鎖器(由反或閘2051a及反或閘2051b構成)實現，其亦可由一反及閘閂鎖器實現。
反相器2052具有一輸入端以與該閂鎖單元2051的所述輸出端耦接，及一輸出端以提供一遮罩信號MSK。
反及閘2053具有二輸入端以分別與所述的遮罩信號MSK及所述的過壓信號OVP耦接，及一輸出端以提供所述的過壓保護信號OVPOUT。
前沿消隱信號產生模組2056係用以產生所述的前沿消隱信號CS_LEB，且其係在所述導通期間的一初始期間呈現一作用狀態(在此實施例中，所述作用狀態係一高邏輯電位脈衝) 以在每個開關週期中給遮罩邏輯電路205重置。
比較器2057係用以依該電感的電流感測信號VCS 及一參考電壓VREF 進行一比較運算以產生所述的電流比較信號CMP。
依上述之技術方案，本發明即可在VIN 的電壓與LED模組300的跨壓VLED 之間具有低壓差的情況下，藉由一遮罩機制防止LED驅動電路進入過壓保護模式，從而避免LED模組300發生閃爍現象。另外，由於本發明係於每個開關週期的所述導通期間將遮罩邏輯電路205重置，以及在所述截止期間檢測VIN 和VLED 的電壓差，以決定是否需要產生遮罩信號MSK，因此，當VIN 電壓由低上升到很高時，遮罩信號MSK就不會因一直呈現所述作用狀態而一直遮罩過壓信號OVP，而使LED模組300有燒燈的風險。也就是說，本發明既可避免LED模組300發生閃爍現象，亦可使LED模組300免除燒燈的風險。
另外，由於全球民用交流電標準主要有220V區域和110V區域兩種交流電標準，本發明特針對所述兩種交流電標準提供不同的對應實施例：
(1)220V區域(220V~240V)，主要有中國，歐洲，印度等140個國家採用。
當驅動一18W的系統時，LED輸出典型值為150V/110mA，電容C1一般採用4.7uF。如果交流電的輸入電壓低至176VAC(低於典型值220VAC的20%)，母線電壓VIN 會接近LED模組的輸出電壓而使所述導通期間超過所述的最大導通時間，從而可能會過早關閉開關通道。此時，採用本發明的技術方案即可避免過早關閉開關通道而使LED模組不致發生閃爍現象。
(2)110V區域(100V~130V)，主要有美國，日本，加拿大等國家採用。
當驅動一18W的系統，LED輸出典型值為72V/240mA時，電容C1一般採用6.8uF。如果交流電的輸入電壓低至88VAC(低於典型值220VAC的20%)，母線電壓VIN 會接近LED模組的輸出電壓而使所述導通期間超過所述的最大導通時間，從而可能會過早關閉開關通道。此時，採用本發明的技術方案即可避免過早關閉開關通道而使LED模組不致發生閃爍現象。
藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：
1、本發明的支援低電壓輸入的LED驅動電路可在一輸入電壓和一LED模組的跨壓之間具有低壓差的情況下，藉由一遮罩機制防止一LED驅動電路進入過壓保護模式，以避免該LED模組發生閃爍現象。
2、本發明的支援低電壓輸入的LED驅動電路可在一LED驅動電路之一導通期間超過一預設的最大導通時間時，藉由一遮罩機制防止該LED驅動電路進入過壓保護模式，以避免一LED模組發生閃爍現象。
本案所揭示者，乃較佳實施例之一種，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
11‧‧‧橋式整流單元 12、14、15‧‧‧電容 13、20、21‧‧‧電阻 16、300‧‧‧LED模組 17‧‧‧二極體 18‧‧‧電感 19‧‧‧控制晶片 100‧‧‧電源轉換單元 200‧‧‧控制單元 201‧‧‧邏輯控制單元 202‧‧‧驅動電路 203‧‧‧電流過零檢測模組 204‧‧‧過壓保護模組 205‧‧‧遮罩邏輯電路 2051‧‧‧閂鎖單元 2051a、2051b‧‧‧反或閘 2052‧‧‧反相器 2053‧‧‧反及閘 2054‧‧‧最大導通時間模組 2055‧‧‧峰值電流檢測模組 2056‧‧‧前沿消隱信號產生模組 2057‧‧‧比較器
圖1繪示一習知開關型LED驅動電路的電路圖。 圖2繪示圖1之習知開關型LED驅動電路的電感電流波形圖。 圖3繪示本發明支援低電壓輸入的LED驅動電路之一實施例方塊圖。 圖4為圖3所示之一控制單元中之一遮罩邏輯電路之一實施例方塊圖。 圖5為圖3所示之一控制單元中之一遮罩邏輯電路之另一實施例方塊圖。
100‧‧‧電源轉換單元
200‧‧‧控制單元
201‧‧‧邏輯控制單元
202‧‧‧驅動電路
203‧‧‧電流過零檢測模組
204‧‧‧過壓保護模組
205‧‧‧遮罩邏輯電路
300‧‧‧LED模組

Claims (10)

  1. 一種支援低電壓輸入的LED驅動電路，其具有： 一含一電感、一電容及一二極體之一電源轉換單元，係用以依一開關通道 之控制將一輸入電壓轉成一輸出電流以驅動一LED模組；以及 一控制單元，其具有： 一邏輯控制單元，用以產生一開關信號，該開關信號具有一導通期間及 一關斷期間； 一驅動電路，具有該開關通道，該開關通道之一端係與該電源轉換單元 耦接，該開關通道之另一端係經由一電阻耦接至一地電位以在該電阻產生一電 流感測信號，且該開關通道係受該開關信號控制； 一過壓保護模組，用以依所述關斷期間和一預設時間之一比較結果產生 一過壓信號，當所述關斷期間小於該預設時間時，該過壓信號呈現一第一作用 電位，當所述關斷期間不小於該預設時間時，該過壓信號呈現一第一不作用電 位，該第一作用電位和該第一不作用電位係二互補的邏輯電位；以及 一遮罩邏輯電路，用以判斷所述導通期間是否超過一最大導通期間並依 一判斷結果決定一遮罩信號之電位，以及利用該遮罩信號遮罩該過壓信號以產 生一過壓保護信號，其中，當所述導通期間超過該最大導通期間時，該遮罩信 號呈現一第二作用電位，當所述導通期間未超過該最大導通期間時，該遮罩信 號呈現一第二不作用電位，該第二作用電位和該第二不作用電位係二互補的邏 輯電位；以及當該遮罩信號呈現所述第二作用電位時，該過壓保護信號係呈現 一不作用狀態以避免該邏輯控制單元進入一過壓保護模式，當該遮罩信號呈現 所述第二不作用電位，且該過壓信號呈現所述第一作用電位時，該過壓保護信 號係呈現一作用狀態以驅使該邏輯控制單元進入所述的過壓保護模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，所述控制單元進一步具有一電流過零檢測模組以在所述電感的電流降至零時使該開關信號開始一所述的導通期間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該遮罩邏輯電路具有： 一閂鎖單元，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端係用以與一最大導通時間狀態信號耦接，且該第二輸入端係與一電流峰值信號耦接； 一反相器，具有一輸入端以與該閂鎖單元的所述輸出端耦接，及一輸出端以提供所述的遮罩信號；以及 一反及閘，具有二輸入端以分別與所述的遮罩信號及所述的過壓信號耦接，及一輸出端以提供所述的過壓保護信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該遮罩邏輯電路具有： 一最大導通時間模組，用以產生所述最大導通時間狀態信號，且其係在所述導通期間超過所述最大導通期間時使所述最大導通時間狀態信號呈現一作用狀態；以及 一峰值電流檢測模組，用以產生所述的電流峰值信號，且其係在所述電感的電流到達一峰值時使所述的電流峰值信號呈現一作用狀態。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該閂鎖單元包含一反或閘閂鎖器。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該閂鎖單元包含一反及閘閂鎖器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該遮罩邏輯電路具有： 一閂鎖單元，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端係用以與一前沿消隱信號耦接，且該第二輸入端係與一電流比較信號耦接； 一反相器，具有一輸入端以與該閂鎖單元的所述輸出端耦接，及一輸出端以提供所述的遮罩信號； 一反及閘，具有二輸入端以分別與所述的遮罩信號及所述的過壓信號耦接，及一輸出端以提供所述的過壓保護信號； 一前沿消隱信號產生模組，用以產生所述的前沿消隱信號，且其係在所述導通期間的一初始期間呈現一作用狀態；以及 一比較器，用以依該電流感測信號及一參考電壓進行一比較運算以產生所述的電流比較信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該閂鎖單元包含一反或閘閂鎖器。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之支援低電壓輸入的LED驅動電路，其中，該閂鎖單元包含一反及閘閂鎖器。
  10. 一種控制晶片，其包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述支援低電壓輸入的LED驅動電路的所述控制單元。
TW107122092A 2018-06-27 2018-06-27 支援低電壓輸入的led驅動電路及其控制晶片 TWI674037B (zh)

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