LED驅動過壓保護電路的製作方法

2024-03-24 01:03:05 1

本實用新型涉及過壓保護電路領域，特別涉及在潮溼環境下的過壓保護電路的應用領域，具體是指一種抗潮溼LED驅動過壓保護電路。

背景技術：

隨著LED照明的普及，LED燈在各種場合下得到了廣泛應用。為了保證應用的安全性和可靠性，目前市場上主流的恆流LED驅動晶片內部都集成了多重保護功能。當LED燈珠損壞導致輸出開路時，輸出電壓會不斷升高至線纜電壓，會造成觸電等危險，而當輸出電容耐壓選擇較低時，還可能發生電容爆炸等危害。通常LED驅動器會集成輸出過壓保護電路，防止輸出電壓過高的情況發生。而目前市場上的集成了過壓保護功能的LED電路，當其應用於浴室、戶外等潮溼環境中時，會誤觸發過壓保護，造成LED燈不斷閃爍，無法保證LED照明的正常使用。

如圖1所示，是一種典型的LED驅動電路，當M1內部功率管開啟時，電感L1充電電流逐漸增大，給輸出提供電流，並對負載輸出電容C3充電，當達到設定的峰值電流時，開關管標記關斷，名稱D1導通，負載輸出電容C3放電，電感L1放電，忽略D1上的壓降，L1兩端電壓近似等於輸出電壓。有公式(1)

其中Vout為輸出電壓，Ipeak為電感峰值電流，Tdem為電感消磁時間。由公式(1)可見，Tdem與Vout成反比關係。當LED輸出開路，處於空載狀態時，負載電容失去放電迴路，如果沒有保護，功率管仍然開啟，對電容充電，使空載時，輸出電壓一直升高，直到到達輸入電壓，而輸入電壓通常為120～380V的高壓，不僅容易造成危險，也對輸出電容的耐壓有更高的要求。輸出過壓保護電路的原理是，在開關管關斷後，控制晶片M1內部產生一個預設的比較時間Tovp，對應外部輸出過壓保護閾值Vovp，將採樣到的時間Tdem與Tovp比較，當Tdem小於Tovp時，說明輸出電壓Vout大於Vovp，晶片關閉功率管，停止對負載輸出電容C3充電，並控制晶片重新啟動。

如圖2所示，一種典型的過壓保護核心電路結構。功率管開啟時，CTR為高電平，MN3開啟，電容C1放電，C1上的電壓為0V，比較器COMP1輸出為低電平，經或非門NOR1，OUT輸出低電平。當功率管關閉時，CTR跳變為低電平，MN3截止，運放AMP形成的單位增益負反饋，使OVP引腳電壓與V1電壓相等，通過外置採樣電阻標記，形成電流，鏡像後，對電容C1充電。在C1電壓充電至VREF電壓之前，比較器標記輸出低電平，從而輸出OUT輸出高電平。當電容標記充電至VREF電壓之後，比較器翻轉，輸出高電平，OUT輸出低電平。通過這種方式，該電路在功率管標記關斷後形成一個高脈衝。波形如圖3所示。產生的脈衝寬度計算公式(2)為：

可見Tovp與Rovp成正比關係。

當OVP引腳存在灌電流時，電流Ib、Ic減小，電容充電時間變大，Tovp變大。

現有的過壓保護電路的問題是：當驅動電路應用於潮溼環境中時，由於晶片漏端高壓，受PCB板材影響，晶片容易出現從高壓漏端到Rovp引腳的灌漏電電流，這在小尺寸封裝晶片情況下更為嚴重。漏電電流經過Rovp電阻到地，使晶片內部產生的電流減小，電容充電時間變長，Tovp時間變長。由於過壓保護閾值和Tovp成反比關係，從而過壓保護閾值會降低，低於輸出電壓時，會誤觸發過壓保護，造成晶片重啟，LED燈熄滅，重啟後點亮，如此往復，導致LED燈不斷閃爍。

技術實現要素：

本實用新型的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種能夠避免在潮溼應用環境下預設保護閾值電壓下降、保證LED驅動在潮溼環境下得以正常使用的LED驅動過壓保護電路。

為了實現上述的目的，本實用新型的過壓保護電路具有如下構成：

該LED驅動過壓保護電路，包括電壓比較脈衝輸出電路模塊、延時升壓控制電路模塊和參考電壓產生電路模塊，所述的延時升壓控制電路模塊的升壓控制端、所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的輸出控制端均與LED驅動晶片的CTR管腳相連接，所述的延時升壓控制電路模塊的輸出端接於所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的第一輸入端，所述的參考電壓產生電路模塊的輸入端與LED驅動晶片的OVP管腳相連接，且該參考電壓產生電路模塊的輸出端接於所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的第二輸入端，所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的輸出端為所述的LED驅動過壓保護電路的輸出端；從而，當所述的OVP管腳註入漏電電流時，所述的參考電壓產生電路模塊的輸出端的電壓降低。

所述參考電壓產生電路模塊包括內置恆流源的外置採樣電阻輸出電路單元、恆流源電流變換電路單元，所述外置採樣電阻輸出電路單元用於輸出端通過與所述的OVP管腳相連接，且通過一外置採樣電阻接地。所述的外置採樣電阻輸出電路單元還被用於其輸出端通過所述的恆流源電流變換電路單元接於所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的第二輸入端。

所述的內置恆流源的外置採樣電阻輸出電路單元包括第一恆流源、單位增益負反饋電路和第一NMOS管，所述的第一恆流源用於連接於電源VDD和所述的單位增益負反饋電路的同相輸入端之間，且依次通過所述的OVP管腳、外置採樣電阻接地，第一NMOS管連接於所述的恆流源電流變換電路單元與單位增益負反饋電路的反相輸入端之間。

所述的單位增益負反饋電路包括集成運放、第一電阻、第三電阻和第四電阻，所述的集成運放的輸出端用於連接於所述的第一NOMS管的柵極，且第一NMOS管、第三電阻、第一電阻依次用於串接於恆流源電流變換電路單元與地之間，所述的第四電阻用於其一端連接於第三電阻和第一電阻之間，另一端連接於集成運放的反相輸入端。

所述的恆流源電流變換電路單元可以包括第二恆流源、第二電阻、依次級聯連接於所述的外置採樣電阻輸出電路單元與電壓比較脈衝輸出電路模塊的第一輸入端之間的第一電流鏡像電路和第二電流鏡像電路，所述的第二恆流源接於所述的第一電流鏡像電路的輸出端和地之間，所述的第二電阻接於所述的第二電流鏡像電路的輸出端和地之間。

所述的第一電流鏡像電路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管，第一PMOS管和第二PMOS管用於依次串接於電源VDD與外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間，第三PMOS管和第四PMOS管用於依次串接於電源VDD與第二恆流源之間，第一PMOS管與第三PMOS管共柵極且用於共同接於第一PMOS管和第二PMOS管之間，第二PMOS管與第四PMOS管共柵極且用於共同接於第二PMOS管和外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間。

所述的第二電流鏡像電路包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管，第五PMOS管和第六PMOS管用於依次串接於電源VDD與第二恆流源之間，第七PMOS管和第八PMOS管用於依次串接於電源VDD與第二電阻之間，第五PMOS管與第七PMOS管共柵極且用於共同接於第五PMOS管和第六PMOS管之間，第六PMOS管與第八PMOS管共柵極且用於共同接於第六PMOS管和第二恆流源之間。

所述的恆流源電流變換電路單元中的第一電流鏡像電路和第二電流鏡像電路可以組成低壓共源共柵結構。

所述的恆流源電流變換電路單元中的第一電流鏡像電路和/或第二電流鏡像電路也可以為單層鏡像電路。

所述的延時升壓控制電路模塊包括第三恆流源、電容、第二NMOS管，第三恆流源與電容用於依次串接於電源VDD與地之間，第二NMOS管的柵極用於連接於LED驅動晶片的CTR管腳，電容還用於跨接於第二NMOS管的源極和漏極之間；電壓比較脈衝輸出電路模塊的第一輸入端用於連接於第三恆流源與電容之間。

所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊可以包括電壓比較器、與門和反相器，延時升壓控制電路模塊用於其輸出端接入電壓比較器的負端，參考電壓產生電路模塊用於其輸出端接入電壓比較器的正端，電壓比較器用於其輸出端接入與門的第一輸入端，LED驅動晶片用於其CTR管腳通過反相器接入與門的第二輸入端，與門的輸出端為LED驅動過壓保護電路的輸出端。

所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊也可以包括電壓比較器、或非門，延時升壓控制電路模塊的用於其輸出端接入電壓比較器的正端，參考電壓產生電路模塊用於其輸出端接入電壓比較器的負端，電壓比較器用於其輸出端接入或非門的第一輸入端，LED驅動晶片用於其CTR管腳接入或非門的第二輸入端，或非門的輸出端為LED驅動過壓保護電路的輸出端。

採用了上述實用新型的過壓保護電路，在潮溼環境中，OVP引腳存在灌電流，OVP引腳電壓升高，流經MP7、MP9支路電流增大，MP13、MP14電路電流減小，比較電壓VREF4降低，電容充電時間變短，Tovp時間減小。Tovp電壓減小，過壓保護電壓升高。輸出過壓閾值高於輸出電壓，避免了潮溼環境下，LED燈閃爍的現象。

附圖說明

圖1為現有技術中的一種恆流LED驅動電路結構圖。

圖2為現有技術中的一種過壓保護核心電路原理示意圖。

圖3為圖2中的電路的關鍵節點波形示意圖。

圖4為本實用新型的LED驅動過壓保護電路的第一種實施方式的電路原理示意圖。

圖5為本實用新型的LED驅動過壓保護電路的第二種實施方式的電路原理示意圖。

圖6為本實用新型的LED驅動過壓保護電路的第三種實施方式的電路原理示意圖。

附圖標記

電壓比較脈衝輸出電路模塊 I

延時升壓控制電路模塊 II

參考電壓產生電路模塊 III

外置採樣電阻輸出電路單元 III.1

恆流源電流變換電路單元 III.2

ROVP 外置電阻

AMP2 集成運放

Iref1 第一恆流源

Iref2 第二恆流源

Iref3 第三恆流源

R1 第一電阻

R2 第二電阻

R3 第三電阻

R4 第四電阻

MN2 第一NMOS管

MN3 第二NMOS管

MP7 第一PMOS管

MP8 第二PMOS管

MP9 第三PMOS管

MP10 第四PMOS管

MP11 第七PMOS管

MP12 第八PMOS管

MP13 第五PMOS管

MP14 第六PMOS管

C0 電容

COMP2 電壓比較器

AND1 與門

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本實用新型的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。

在本文中，諸如第一和第二之類的關係術語僅僅用來區分一個實體或動作與另一個實體或動作，而不一定要求或暗示這種實體或動作之間的任何實際的這種關係或順序。術語「包括」、「包含」或任何其他變體旨在涵蓋非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包含這些要素，而且還包含沒有明確列出的其他要素，或者為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。

請參閱圖4所示，其為本實用新型的LED驅動過壓保護電路的第一種實施方式的電路原理示意圖，所述的過壓保護電路包括：電壓比較脈衝輸出電路模塊I、延時升壓控制電路模塊II和參考電壓產生電路模塊III。所述的延時升壓控制電路模塊II的升壓控制端、所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I的輸出控制端均與LED驅動晶片的CTR管腳相連接，所述的延時升壓控制電路模塊II的輸出端接於所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I的第一輸入端。所述的參考電壓產生電路模塊III的輸入端與LED驅動晶片的OVP管腳相連接，且該參考電壓產生電路模塊III的輸出端接於所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I的第二輸入端，所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I的輸出端為所述的LED驅動過壓保護電路的輸出端；從而，當所述的OVP管腳註入漏電電流時，所述的參考電壓產生電路模塊III的輸出端的電壓降低。

所述的參考電壓產生電路模塊III包括內置恆流源的外置採樣電阻輸出電路單元III.1、恆流源電流變換電路單元III.2，所述的外置採樣電阻輸出電路單元III.1的輸入端與所述的OVP管腳相連接，且通過一外置採樣電阻Rovp接地；所述的外置採樣電阻輸出電路單元III.1的輸出端通過所述的恆流源電流變換電路單元III.2接於所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I的第二輸入端。

所述的內置恆流源的外置採樣電阻輸出電路單元III.1包括第一恆流源Iref1、單位增益負反饋電路和第一NMOS管MN2，所述的第一恆流源Iref1接於電源VDD和所述的單位增益負反饋電路的同相輸入端之間，且該第一恆流源Iref1依次通過所述的OVP管腳、所述的外置採樣電阻接地Rovp，所述的第一NMOS管MN2接於所述的恆流源電流變換電路單元與單位增益負反饋電路的反相輸入端之間。

所述的單位增益負反饋電路包括集成運放AMP2、第一電阻R1、第三電阻R3和第四電阻R4，所述的集成運放AMP2的輸出端接於所述的第一NOMS管MN2的柵極，且所述的第一NMOS管MN2、第三電阻R3、第一電阻R1依次串接於所述的恆流源電流變換電路單元與地之間，所述的第四電阻R4的一端接於所述的第三電阻R3和第一電阻R1之間，該第四電阻R4的另一端接於所述的集成運放AMP2的反相輸入端。

作為本實用新型的第一種較佳實施方式，所述的恆流源電流變換電路單元III.2可以包括第二恆流源Iref2、第二電阻R2、依次級聯連接於所述的外置採樣電阻輸出電路單元與電壓比較脈衝輸出電路模塊的第一輸入端之間的第一電流鏡像電路和第二電流鏡像電路，所述的第二恆流源Iref2接於所述的第一電流鏡像電路的輸出端和地之間，所述的第二電阻R2接於所述的第二電流鏡像電路的輸出端和地之間。

所述的第一電流鏡像電路包括第一PMOS管MP7、第二PMOS管MP8、第三PMOS管MP9和第四PMOS管MP10，所述的第一PMOS管MP7和第二PMOS管MP8依次串接於電源VDD與所述的外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間，所述的第三PMOS管MP9和第四PMOS管MP10依次串接於電源VDD與所述的第二恆流源Iref2之間，所述的第一PMOS管MP7與第三PMOS管MP9共柵極且共同接於所述的第一PMOS管MP7和第二PMOS管MP8之間，所述的第二PMOS管MP8與第四PMOS管MP10共柵極且共同接於所述的第二PMOS管MP8和所述的外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間。

所述的第二電流鏡像電路包括第五PMOS管MP13、第六PMOS管MP14、第七PMOS管MP11和第八PMOS管MP12，所述的第五PMOS管MP13和第六PMOS管MP14依次串接於電源VDD與所述的第二恆流源Iref2之間，所述的第七PMOS管MP11和第八PMOS管MP12依次串接於電源VDD與所述的第二電阻R2之間，所述的第五PMOS管MP13與第七PMOS管MP11共柵極且共同接於所述的第五PMOS管MP13和第六PMOS管MP14之間，所述的第六PMOS管MP14與第八PMOS管MP12共柵極且共同接於所述的第六PMOS管MP14和所述的第二恆流源Iref2之間。

再請參閱圖5所示，作為本實用新型的第二種實施方式，當電源電壓低時，所述的恆流源電流變換電路單元III.2中的第一電流鏡像電路和第二電流鏡像電路可以組成低壓共源共柵結構。

其中，所述的第一電流鏡像電路包括第一PMOS管MP7、第二PMOS管MP8、第三PMOS管MP9和第四PMOS管MP10，所述的第一PMOS管MP7和第二PMOS管MP8依次串接於電源VDD與所述的外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間，所述的第三PMOS管MP9和第四PMOS管MP10依次串接於電源VDD與所述的第二恆流源Iref2之間，所述的第一PMOS管MP7與第三PMOS管MP9共柵極且共同接於所述的第二PMOS管MP8和所述的外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間，所述的第二PMOS管MP8與第四PMOS管MP10共柵極且共同接於電路內置的一偏置電壓輸出端Vb。

所述的第二電流鏡像電路包括第五PMOS管MP13、第六PMOS管MP14、第七PMOS管MP11和第八PMOS管MP12，所述的第五PMOS管MP13和第六PMOS管MP14依次串接於電源VDD與所述的第二恆流源Iref2之間，所述的第七PMOS管MP11和第八PMOS管MP12依次串接於電源VDD與所述的第二電阻R2之間，所述的第五PMOS管MP13與第七PMOS管MP11共柵極且共同接於所述的第六PMOS管MP14和所述的第二恆流源Iref2之間之間，所述的第六PMOS管MP14與第八PMOS管MP12共柵極且共同接於所述的偏置電壓輸出端Vb。

再請參閱圖6所示，作為本實用新型的第三種實施方式，所述的恆流源電流變換電路單元III.2中的第一電流鏡像電路和/或第二電流鏡像電路也可以採用單層鏡像電路。

當第一電流鏡像電路採用單層鏡像電路時，所述的第一電流鏡像電路包括第一PMOS管MP7和第三PMOS管MP9，所述的第一PMOS管MP7接於電源VDD與所述的外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間，所述的第三PMOS管MP9接於電源VDD與所述的第二恆流源Iref2之間，所述的第一PMOS管MP7與第三PMOS管MP9共柵極且共同接於所述的第一PMOS管MP7和所述的外置採樣電阻輸出電路單元的輸出端之間。

當第二電流鏡像電路採用單層鏡像電路時，所述的第二電流鏡像電路包括第五PMOS管MP13和第七PMOS管MP11，所述的第五PMOS管MP13接於電源VDD與所述的第二恆流源Iref2之間，所述的第七PMOS管MP11接於電源VDD與所述的第二電阻R2之間，所述的第五PMOS管MP13與第七PMOS管MP11共柵極且共同接於所述的第五PMOS管MP13和所述的第二恆流源Iref2之間。

所述的延時升壓控制電路模塊II包括第三恆流源Iref3、電容、第二NMOS管MN3，所述的第三恆流源Iref3與電容C0依次串接於電源VDD與地之間，所述的第二NMOS管MN3的柵極接於所述的LED驅動晶片的CTR管腳，且所述的電容C0跨接於所述的第二NMOS管MN3的源極和漏極之間；所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的第一輸入端接於所述的第三恆流源Iref3與電容C0之間。

所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I可以包括電壓比較器COMP2、與門AND1和反相器，所述的延時升壓控制電路模塊的輸出端接入所述的電壓比較器的負端，所述的參考電壓產生電路模塊的輸出端接入所述的電壓比較器的正端，所述的電壓比較器的輸出端接入所述的與門的第一輸入端，所述的LED驅動晶片的CTR管腳通過所述的反相器接入所述的與門的第二輸入端，所述的與門的輸出端為所述的LED驅動過壓保護電路的輸出端。

所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊I也可以包括電壓比較器COMP2、或非門，所述的延時升壓控制電路模塊的輸出端接入所述的電壓比較器COMP2的正端，所述的參考電壓產生電路模塊的輸出端接入所述的電壓比較器COMP2的負端，所述的電壓比較器COMP2的輸出端接入所述的或非門的第一輸入端，所述的LED驅動晶片的CTR管腳接入所述的或非門的第二輸入端，所述的或非門的輸出端為所述的LED驅動過壓保護電路的輸出端。

在實際使用當中，本實用新型的LED驅動過壓保護電路的的具體工作過程具體如下：

(1)所述第一恆定電流源Iref1恆定輸出一個恆定電流，通過改變所述外置採樣電阻Rovp，產生不同大小的MP7電流；

(2)產生的不同大小的MP7電流經過所述第一電流鏡像電路後，所述第二恆定電流源Iref2與其相減，再經過所述第二電流鏡像電路鏡，最終流過所述第二電阻R2，產生一個與所述外置採樣電阻Rovp相關的恆定電壓V1。

(3)當功率管導通時，所述LED驅動晶片的CTR為高電平，所述的延時升壓控制電路模塊的電容電壓為0，所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的輸出控制端OUT輸出為低電平。

(4)當功率管關斷，所述LED驅動晶片的CTR信號變低，DRV的反相信號先到達所述電壓比較脈衝輸出電路模塊與門AND1，此時，所述的延時升壓控制電路模塊的電容開始充電，在電容充電至V1之前，所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的電壓比較器始終輸出高電平，與CTR反相信號相與，OUT由功率管關斷時的低電平變為高電平。

(5)當所述的延時升壓控制電路模塊的電容充電至大於V1，所述電壓比較器翻轉，輸出低電平，OUT信號由高變低。

(6)綜上所述，所述的電壓比較脈衝輸出電路模塊的輸出控制端OUT在LED驅動晶片的CTR信號由高變低，即功率管關斷後，產生一個高脈衝。其脈衝寬度等於電容從0V充電至V1所需的時間，該時間即為設定的最小消磁時間，當系統的消磁時間小於該時間時，晶片會進行重啟。

計算OUT高脈衝時間寬度Tovp，得公式(3)：

通過公式(3)，可見所述時間寬度Tovp與所述外置採樣電阻Rovp關係為：

Tovp＝A-B·Rovp……(4)

其中，

由以上公式(4)～(6)可以看出，潮溼環境中，OVP引腳存在灌電流，OVP引腳電壓升高，流經MP7、MP9支路電流增大，MP13、MP14電路電流減小。比較電壓VREF4降低，電容充電時間變短，Tovp時間減小。Tovp電壓減小，過壓保護電壓升高。

在本實用新型所述的過壓保護電路結構下，當OVP引腳存在灌電流時，輸出過壓閾值高於輸出電壓，避免了潮溼環境下，LED燈閃爍的現象。

在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和範圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。