CN103199499B - 一种led驱动电源中的过压保护电路及led驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED驱动电源中的过压保护电路，其特征在于，该过压保护电路包括：一采样保持单元、一电流源、一充电电容、一比较器单元、一过压逻辑单元、一逻辑控制单元以及一退磁时间检测单元，该采样保持单元检测该LED驱动电源的电流采样电阻的电压并经过该电流源、充电电容以及比较器单元生成一退磁基准时间，该退磁时间检测单元检测一退磁时间，该过压逻辑单元比较该退磁时间和该退磁基准时间，当该退磁时间小于等于该退磁基准时间时，该过压逻辑单元输出一过压信号，该控制逻辑单元判定输出过压，关断该LED驱动电源的功率开关管。

Description

一种LED驱动电源中的过压保护电路及LED驱动电源

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电源中的过压保护电路，尤其是用在无辅助绕组的LED驱动电源方案中。

背景技术

LED驱动电源的功能是提供LED灯恒定的输出电流，但是如果输出LED开路或者发生其他使输出电压变高的情况，LED驱动电源必须做出相应措施让输出电压不超过输出电容的耐压，否则输出电容就会被破坏。在传统的LED驱动电源方案中，一般采用一个单独的变压器绕组来检测输出电压，然后通过电阻分压，输入到芯片单独的脚位来直接检测输出电压，从而判定驱动电源是否发生过压。

传统的过压保护方案增加了LED的整个驱动电源的体积和成本，为了检测过压点，需要增加一个变压器绕组，两个分压电阻，而且芯片也要多一个检测脚位，不适合目前市场LED小体积、低成本的发展趋势。

图1为现有技术中LED驱动电源中过压保护部分的电路原理图。图1所给出的是一种降压型Buck电路的典型应用图。通常包括：整流桥101，输入滤波电容102，输出电容103，变压器原边绕组104，变压器辅助绕组110，整流二极管105，供电电容109，LED负载113，开关功率管107，电流采样电阻108，分压电阻111，分压电阻112，控制芯片120。当开关功率管107导通时，变压器原边104电流上升，电流流经采样电阻108产生电压信号，当该电压信号达到芯片110内的电流基准电压时，开关功率管107关断，原边绕组104里面的电流通过整流管105续流，当芯片120检测到整流管105中的电流为零时，开关管107打开。当开关功率管107关断时，在原边绕组104上的电压差为LED的输出电压，此时辅助绕组110上感应的电压也是输出电压的正比关系，比例系数为绕组的匝比。如果此时LED开路，输出电压变高，如果FB电压高于芯片的内部基准，芯片120判定系统进入过压状态，实现保护功能。

现有技术中所使用的另一种技术方案是省掉了图1中变压器辅助绕组，通过检测所述整流二极管中电流续流时间来判定输出电压是否过压。一般通过在芯片中设置一个固定的时间常数，当整流二极管中的电流续流时间超过这个固定时间常数，则认为芯片没有过压，如果整流二极管中的电流续流时间短于这个固定时间常数，则认为芯片出现过压。但是因为所述整流二极管中的电流续流时间与原边峰值电流是正比关系，所以对于峰值电流变化的系统，这种应用不适合。

发明内容

    为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种体积小、成本低的LED驱动电源中的过压保护电路及LED驱动电源

为了实现上述发明目的，本发明提供一种LED驱动电源中的过压保护电路，其特征在于，该过压保护电路包括：一采样保持单元、一电流源、一充电电容、一比较器单元、一过压逻辑单元、一逻辑控制单元以及一退磁时间检测单元，该采样保持单元检测该LED驱动电源的电流采样电阻的电压并经过该电流源、充电电容以及比较器单元生成一退磁基准时间，该退磁时间检测单元检测一退磁时间，该过压逻辑单元比较该退磁时间和该退磁基准时间，当该退磁时间小于等于该退磁基准时间时，该过压逻辑单元输出一过压信号，该控制逻辑单元判定输出过压，关断该LED驱动电源的功率开关管。

更进一步地，该采样保持单元的输入端连接该LED驱动电源的电流采样电阻，其输出端与比较器单元的正极输入端连接，该比较器单元的负极输入端连接该充电电容和该电流源，该比较器单元的输出端连接该过压逻辑单元的输入端，且该退磁时间检测单元的输出端与该过压逻辑单元的另一输入端连接，该过压逻辑单元的输出端连接该控制逻辑单元。

更进一步地，该退磁时间检测单元的输入信号来自该功率开关管或该LED驱动电源的辅助绕组。

更进一步地，该控制逻辑单元通过一驱动单元与一源极控制管的栅极连接，该源极控制管的源级连接该电流采样电阻，漏极连接该功率开关管的源级。

更进一步地，该控制逻辑单元通过一驱动单元与该功率开关管的栅极连接，该功率开关管的漏极和栅极连接一耦合电容。

更进一步地，该采样保持单元包括一采样开关和一采样电容，该采样开关的开关状态由一芯片控制信号Gate_ON决定。

更进一步地，该退磁时间检测单元包括：一高通滤波器、一比较器以及一逻辑电路单元，该高通滤波器的输入端为该退磁时间检测单元的输入端，该高通滤波器的输出端连接该比较器的正极输入端，该比较器的负极输入端连接一基准电压，该比较器的输出端连接输入逻辑电路。

本发明同时提供一种LED驱动电源，包括整流桥、整流二极管、功率开关管、电流采样电阻以及LED负载，其特征在于，该LED驱动电源还包括一控制芯片，该控制芯片由如上文所述的过压保护电路组成。

与现有技术相比较，本发明所提供的过压保护电路及LED驱动电源不需要单独的变压器绕组来检测输出电压，也不需要检测脚位，因此能够降低成本，并且所制成的LED驱动电源体积更小。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为现有技术中LED驱动电源电路原理图；

图2为本发明所涉及的过压保护电路的第一实施方式的线路结构图；

图3为本发明所涉及的过压保护电路第一实施方式中关键节点的电压波形示意图；

图4为本发明所涉及的过压保护电路的第二实施方式的线路结构图；

图5为本发明所涉及的过压保护电路的第三实施方式的线路结构图；

图6为本发明中退磁时间检测模块的一个具体实施图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明要解决的技术问题是低成本LED驱动电源过压保护问题，特别是峰值电流变化的驱动电源中的输出电压过压保护。

为了解决现有技术中成本高，应用受限的问题，本发明提供了一种新型的输出电压检测电路。本发明的电路省掉了现有技术中的辅助绕组110，分压电阻111和分压电阻112，并且省掉了芯片120的FB引脚。并且可以在峰值电流变化的应用中，检测输出电压是否过压，从而达到低成本，可靠性强的目标。

       图1中所述续流二极管的续流时间可以用下列公式表述

       其中Rcs为电流采样电阻的阻值，Lm为电感的感量，Vref为芯片内部电流检测基准的值，Vout为输出电压的大小，Tons为所述续流二极管的续流时间。从上述公式可以看出，输出电压越高，所述续流二极管105的续流时间也就越短。

       本发明电路的基本原理是通过检测电流采样电阻上的电压来调制退磁基准时间的值来实现不同峰值电流下的输出过压保护。退磁时间为开关功率管关断之后，续流二极管续流的时间。芯片内部的退磁基准时间可以用下列公式表示：

其中Cref为芯片内置电容，Vref为采样电阻上电压的值，Iref为芯片内部电流源的值，K为芯片内部设定的一个固定比例系数。

当

时，则认为输出电压偏高，控制芯片进入过压保护状态。

则系统输出电压Vout的过压保护点Vovp最终会变为 

从上式可以看到过压保护点Vovp仅与系统的固定参数有关，不随芯片电流检测基准电压Vref的变化而发生变化。

    为了更好地说明本发明所提供的技术方案，以下将提供三种实施方式详细叙述如何实现本发明的技术方案。

第一实施例

如图2所示，图示为LED驱动电源中常用的源极驱动的降压型Buck拓扑，通常包括：整流桥201，输入电容202，输出电容203，整流二极管205，电感204，供电电阻206，供电电容209，开关功率管207，电流采样电阻208，源极控制管222，输出LED负载221和控制芯片210。本发明所述控制芯片210的过压保护电路包括：采样保持单元213，电流源212，充电电容211，比较器单元214，过压保护逻辑单元215，控制逻辑单元216，退磁时间检测单元218和驱动单元217。

当所述开关功率管207开通时，所述电感204电流开始随时间线性上升，此时所述电流采样电阻208上的电压CS也随电流上升而线性上升。当CS电压上升到所述芯片的内部电流关断基准时，功率管关断。所述采样保持单元213的输入接CS电压，输出端接所述比较器214的输入端。所述充电电流源212的一端连接内部供电电压，另一端接所述充电电容211的一端和所述比较器214的另一个输入端；所述充电电容211的另一端接地。所述采样保持单元的采样脉冲信号为芯片控制信号Gate_ON, 当Gate_ON为‘1’时，代表开关功率管207导通，当Gate_ON为‘0’时，代表开关功率管207关断。当Gate_ON由‘1’变为‘0’时，采样保持电路把采样到的CS电压连接到比较器一个输入端，此时所述充电电容211的电压开始线性上升，当所述充电电容211上的电压大于比较器另一端电压时，比较器输出退磁基准时间信号，所述退磁基准时间信号输入到所述过压保护逻辑单元215的一个输入端，所述过压保护逻辑单元215的另一个输入端接所述退磁时间检测单元218的输出端。如果实际退磁时间小于所述退磁基准时间信号，则所述过压保护逻辑215输出过压保护信号到控制逻辑单元216，关断所述源极控制管222，开关功率管207也关断，芯片进入保护状态。

图3为本发明第一实施例中电路关键节点的波形图。Gate_ON信号为高电平时，表示图2中所述源极控制器222处于导通状态。此时CS电压线性上升，当Gete_ON变为低电平时，源极控制器222关断，Vref的值更新为当前状态下CS的最大值。此时所述电流源212开始对所述充电电容211充电，当所述充电电容211的电压到达Vref时，Tovp信号由高变低。如果此时所述退磁时间检测输出的Tons信号为高，则认为实际退磁时间大于所述的退磁基准时间，芯片不判断为OVP；反之，芯片输出OVP信号，关断所述源极控制管222，并进入保护状态。

第二实施例

如图4所示，图示为LED驱动电源中常用的栅极驱动的降压型Buck拓扑，通常包括：整流桥301，输入电容302，输出电容303，整流二极管305，电感304，供电电阻306，供电电容309，开关功率管307，电流采样电阻308，输出LED负载321和控制芯片310。本发明所述控制芯片310的过压保护电路包括：采样保持单元313，电流源312，充电电容311，比较器单元314，过压保护逻辑单元315，控制逻辑单元316，退磁时间检测单元318和驱动单元317。

第二实施例的工作原理和第一实施例基本一致，不同点在于第二实施例为栅极驱动的降压型Buck拓扑，所述退磁时间检测单元318的输入端接所述开关功率管307的栅端，通过外部电容或者开关功率管寄生的Cgd电容耦合信号来检测实际退磁时间。其他的工作原理与第一实施例一致，这里不再累述。

第三实施例

如图5所示，图示为LED驱动电源中两绕组方案的源极驱动的反激式拓扑结构。通常包括：整流桥401，输入电容402，变压器405，变压器原边绕组403，变压器副边绕组404，芯片供电电阻407，芯片供电电容406，输出续流二极管408，输出电容409，LED负载310，开关功率管411，源极控制器412，电流采样电阻413和控制芯片420。本发明所述控制芯片420的过压保护电路包括：采样保持单元423，电流源422，充电电容421，比较器单元424，过压保护逻辑单元425，控制逻辑单元426，退磁时间检测单元428和驱动单元427。

第三实施例的工作原理和第一实施例基本一致，不同点在于第三实施例为源极驱动的反激式拓扑结构。所述退磁时间检测单元428的输入端接所述开关功率管411的源端。Gate_ON信号为高时，所述源极控制器412开通，所述原边绕组403的电流线性上升，当CS电压到达芯片内部基准值时，源极控制器412关断，所述开关功率管411也关断，原边绕组403的能量通过所述变压器405磁芯的耦合转移到副边绕组404，所述整流二极管408开通，点亮所述LED负载410。其过压保护部分的工作原理和第一实施例一致，只是应用拓扑不同，这里不再累述。

图6是本发明中退磁时间检测模块的一个具体实施方式，输入端Input接高通滤波器501的输入，所述高通滤波器501的输出接比较器502的一个输入端，比较器502的另一个输入端基准电压，比较器的输出接逻辑电路503的输入。当退磁时间结束时，在输入端Input会看到高频波形，通过所述高通滤波器501到比较器502的输入，比较器502，所述退磁时间检测模块输出有效信号。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明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，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1. 一种LED驱动电源中的过压保护电路，其特征在于，所述过压保护电路包括：一采样保持单元、一电流源、一充电电容，所述电流源连接所述充电电容的一端，所述充电电容另一端接地；一比较器单元，所述比较器单元的两个输入端分别连接所述采样保持单元和所述充电电容的一端；一过压逻辑单元、一逻辑控制单元以及一退磁时间检测单元，所述采样保持单元检测所述LED驱动电源的电流采样电阻的电压并经过所述电流源、充电电容以及比较器单元生成一退磁基准时间，所述退磁时间检测单元检测一退磁时间，所述过压逻辑单元比较所述退磁时间和所述退磁基准时间，当所述退磁时间小于等于所述退磁基准时间时，所述过压逻辑单元输出一过压信号，所述逻辑控制单元判定输出过压，关断所述LED驱动电源的功率开关管。

2.如权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述采样保持单元的输入端连接所述LED驱动电源的电流采样电阻，其输出端与比较器单元的正极输入端连接，所述比较器单元的负极输入端连接所述充电电容和所述电流源，所述比较器单元的输出端连接所述过压逻辑单元的输入端，且所述退磁时间检测单元的输出端与所述过压逻辑单元的另一输入端连接，所述过压逻辑单元的输出端连接所述逻辑控制单元。

3.如权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述退磁时间检测单元的输入信号来自所述功率开关管或所述LED驱动电源的辅助绕组。

4.如权利要求2所述的过压保护电路，其特征在于，所述逻辑控制单元通过一驱动单元与一源极控制管的栅极连接，所述源极控制管的源级连接所述电流采样电阻，漏极连接所述功率开关管的源级。

5.如权利要求2所述的过压保护电路，其特征在于，所述逻辑控制单元通过一驱动单元与所述功率开关管的栅极连接，所述功率开关管的漏极和栅极连接一寄生电容。

6.如权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述采样保持单元包括一采样开关和一采样电容，所述采样开关的开关状态由一芯片控制信号Gate_ON决定。

7.如权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述退磁时间检测单元包括：一高通滤波器、一比较器以及一逻辑电路单元，所述高通滤波器的输入端为所述退磁时间检测单元的输入端，所述高通滤波器的输出端连接所述比较器的正极输入端，所述比较器的负极输入端连接一基准电压，所述比较器的输出端连接输入逻辑电路。

8.一种LED驱动电源，包括整流桥、整流二极管、功率开关管、电流采样电阻以及LED负载，其特征在于，所述LED驱动电源还包括一控制芯片，所述控制芯片由如权利要求1至7任一项所述的过压保护电路组成。