一種具有欠壓鎖定和過溫保護模塊的白光led驅動系統的製作方法

2023-04-23 07:04:26

一種具有欠壓鎖定和過溫保護模塊的白光led驅動系統的製作方法
【專利摘要】本發明是關於一種基於電荷泵的白光LED驅動系統，在普通的白光LED驅動電路的基礎上，採用1X/1.5X自適應電荷泵，可根據輸入電壓的變化自動變換工作模式，大大提高了電源轉化效率；在整個電源供電範圍(2.7V-5.5V)內，可實現1X/1.5X兩種工作模式的自動切換，保證較高的轉換效率；具有軟啟動功能可以有效防止晶片啟動時輸入到輸出端的浪湧電流。尤其是具有保護模塊，包括欠壓鎖定模塊和過溫保護模塊，用於判斷當電源電壓過低或過高時，關斷除基準和電流偏置電路外的其他電路，有效保護電路晶片穩定安全地工作。整個驅動系統具有驅動能力強、亮度調節方便、寬供電範圍、電源轉換效率高、溫度性能穩定、外圍電路簡單等特點。
【專利說明】一種具有欠壓鎖定和過溫保護模塊的白光LED驅動系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種白光LED驅動電路，具體涉及一種基於電荷泵的具有欠壓鎖定和過溫保護模塊的白光LED驅動電路。
【背景技術】
[0002]目前，白光LED以其光源質量優秀、功耗低、應用簡單等特性，在手機、MP3、PDA、DC、個人筆記本等可攜式設備的LCD背光中得到廣泛的應用；並且也在汽車車燈、家庭照明等領域佔據了一席之地。白光LED巨大的市場潛力，極大的帶動了 LED驅動器的向低功耗、高集成化、可編程化的方向發展。目前，國內電源管理晶片研發處於快速的發展階段，已經取得了不菲的成績。所以開發高質量的白光LED驅動器也就成為大家研究的重點。
[0003]電荷泵就是利用電容對電荷的積累效應把電荷從輸入端轉移到輸出端，實現升壓功能，同時為負載提供所需的電流，其拓撲結構決定變壓倍數和轉換效率，而自適應電荷泵就是在不同變壓倍數之間自動變換。它具有結構簡單、低EM1、易於集成等特點，現在已經廣泛的應用於白光LED照明、存儲器、電平轉換器等各個領域。
[0004]針對白光LED在手機、PDA等可攜式設備LCD背光中的應用，本申請發明了一種基於電荷泵的白光LED驅動晶片，且具有體積小、EMI低、轉化效率高且成本低等特點。同時可驅動4個主顯示屏白光LED和2個副顯示屏白光LED，尤其是，本申請還設計了保護電路保證電路的正常工作。
[0005]發明的內容
[0006]為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案:
[0007]本發明申請涉及的一種基於電荷泵的白光LED驅動系統，該系統包括:電荷泵升壓模塊、誤差放大器模塊、邏輯控制模塊、最大電流設定模塊、電流調節器模塊、使能控制模塊、LED負極最小電壓選擇模塊、振蕩器模塊以及基準偏置模塊這些基本功能模塊。
[0008]其中，電荷泵升壓模塊為普通的1X/1.5X電荷泵，隨著電源電壓的變化，自動工作在IX或1.5X模式下，使輸出電壓大於白光LED正常導通電壓Vf，足以驅動白光LED。電源電壓較低時，工作在1.5X模式下，實現升壓功能；電源電壓較高時，工作在IX模式下；
[0009]本申請涉及的如上所述的驅動電路還包括一個軟啟動模塊，該軟啟動模塊用於在晶片啟動時，防止由於輸入端和輸出端大的壓差而產生的浪湧電流；
[0010]本申請涉及的如上所述的驅動電路還包括一個保護模塊，用以保證晶片穩定安全地工作。
[0011]如上所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該保護模塊包括欠壓鎖定模塊和過溫保護模塊，用於判斷當電源電壓過低或過高時，關斷除基準和電流偏置電路外的其他電路，有效保護電路。
[0012]如上所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該LED驅動系統還包括一個電源選擇模塊，該電源選擇模塊用於選擇出晶片的輸入電壓和輸出電壓中最大者，作為電荷泵中功率開關管控制信號的最高電平，以有效驅動電荷泵功率開關，同時輸出使能信號，用於控制功率管的驅動模塊。
[0013]如上所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該LED驅動系統還包括一個模式選擇模塊，用於將最小電壓選擇模塊的輸出與參考門限電壓比較，根據不同情況輸出模式選擇信號。
[0014]如上所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該LED驅動系統還包括一個模式轉換使能模塊，用於提供一個低倍轉換使能信號，和模式選擇信號共同控制電荷泵從1.5X轉換到IX模式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1、系統功能模塊框架圖
[0016]圖2、基於電荷泵的白光LED驅動電路圖
[0017]圖3、基於電荷泵的白光LED驅動電路中誤差放大器等效原理圖
[0018]圖4、誤差放大器電路示意圖1
[0019]圖5、誤差放大器電路示意圖2
[0020]圖6、軟啟動電路的等效構架圖
[0021]圖7、軟啟動電路示意圖
[0022]圖8、電源選擇模塊原理圖
[0023]圖9、電源選擇模塊中的共柵比較器電路圖
[0024]圖10、模式選擇模塊工作原理圖
[0025]圖11、使能模塊工作原理圖
[0026]圖12、使能模塊工作等效電路圖
[0027]圖13、欠壓鎖定保護工作原理圖
[0028]圖14、欠壓鎖定保護等效電路圖
[0029]圖15、過溫保護工作原理圖
[0030]附圖標記
【具體實施方式】
[0031]圖1為本申請所涉及的白光LED驅動系統的整體結構圖。
[0032]圖1所示的IX/1.5X CHARGE-PUMP為IX/1.5X電荷泵，隨著電源電壓的變化，自動工作在IX或1.5X模式下，使輸出電壓大於白光LED正常導通電壓Vf，足以驅動白光LED。電源電壓較低時，工作在1.5X模式下，實現升壓功能；電源電壓較高時，工作在IX模式下。圖1所示的S0FT-START為軟啟動模塊:晶片啟動時，防止由於輸入端和輸出端大的壓差而產生的浪湧電流；過載(輸出短路)情況下，軟啟動模塊每2.1ms工作一次。圖1所示的EA為誤差放大器:用於放大6個LED負極端的最小電壓和0.18V的基準電壓差值，通過脈衝幅度調製(PAM)的負反饋，使1.5X電荷泵的輸出電壓穩定。圖1所示的L0GIC-C0NTR0L為邏輯控制模塊:用於控制各個模塊協調的工作。圖1所示的PROTECTION為保護模塊:包含過溫、過壓、欠壓鎖定、短路四個保護電路，保證晶片穩定安全地工作。圖1所示的⑶RRENT-SET為最大電流設定模塊。誤差放大器把設置電阻Rset的電壓鉗位為VKEF2，同時通過電流鏡設定A點的電平；Rset的大小確定LED的最大電流。圖1所示的LDO C-RE⑶LATOR為LDO電流調節器部分，分別調節每一個LED的電流，實現恆流驅動，保證較高的電流匹配度，以獲得均勻的亮度；主副屏控制信號控制其可實現LED11階亮度變化。所示的ENM/ENS CONTROL為EW、ENS控制模塊:處理外部EW、ENS脈衝控制信號，控制主副屏開關和亮度調節。所示的SEL-MIN為LED負極最小電壓選擇模塊:用於檢測6個LED負極端的電壓，選出最小值，反饋給誤差放大器。所示的OSC為振蕩器:用於為系統提供IMHz的固定頻率。所示的REF&IBIAS為基準偏置模塊:用於為系統各模塊提供不受溫度和電源電壓變化影響的基準電壓和偏置電流，保證系統工作正常。
[0033]本申請所涉及的白光LED驅動系統的具體工作原理如圖2所示:
[0034]系統上電(接通電源)後，首先檢測EW、ENS控制端的信號電平。如果E匪和ENS均為低電平，則晶片仍處於關斷模式。如果ENM/ENS有一個或全部為高電平，晶片開始啟動:首先基準模塊建立，接著電流偏置模塊開始工作，為系統的其他子模塊提供穩定的工作電流。隨後欠壓保護電路、過溫保護電路開始檢測系統正常的工作條件是否滿足，若電源電壓是高於2.45V、晶片溫度低於160°C，則輸出使能信號EN_UVL0、ΕΝ_0ΤΡ為高電平有效，振蕩器、軟啟動等各子模塊相繼開始正常工作；否則，各子模塊仍關斷。接著，軟啟動開始工作，為了防止由於IN端和OUT端之間較大的壓差而形成的浪湧電流，軟啟動模塊通過數模轉換的斜坡電流源逐漸對輸出電容充電，直到OUT接近IN。此過程維持約2ms，在此期間電荷泵不工作。
[0035]啟動結束後，晶片就要判斷工作在IX還是1.5X工作模式下。當電源電壓較高時，即SEL-MIN選出6個LED負極端的最小電壓Vmn大於0.1V，輸出模式控制信號M0DE_SEL為高電平，晶片將工作在IX模式下；否則，V?N小於0.1V，M0DE_SEL為低電平，晶片將工作在1.5X模式下。若晶片工作在IX模式下，隨著電池的使用，電源電壓下降，當V?N下降到閾值電壓0.1V以下，晶片(也就是電荷泵)跳轉到1.5X模式下工作，同時V?N通過誤差放大器EA負反饋控制電荷泵，穩定輸出電壓V0UT。若晶片工作在1.5X模式下，隨著對電池充電，電源電壓VIN上升；當電池電壓高於VOUT約50mV且Vmn升高到0.1V以上時，晶片又跳轉到IX模式下工作。
[0036]通過E匪或ENS低電平脈衝可實現LED亮度11階變化，每個脈衝減小LED電流的10%，第10個脈衝使LED電流減小到5%出匪或ENS保持低電平超過2ms，主屏或副屏的LED關斷；E匪和ENS同時保持低電平超過2ms，整個晶片關斷。LED的最大亮度由外部電阻Rset來設定，典型值為20mA。
[0037]尤其地，本申請還設計了保護電路保證電路的正常工作。當電源電壓低於2.45V或晶片溫度超過160°C，晶片將處於低靜態電流的關斷模式；當任一 LED損壞而使電路開路，過壓保護模塊通過開/關電荷泵使輸出電壓被限制在大約5V ;當有過載(輸出端短路或V0UT<1.25V)的情況發生，軟啟動將會每2ms啟動一次。
[0038]誤差放大器模塊工作原理和電路示意圖說明。
[0039]其中，誤差放大器模塊的工作原理如圖3所示。主要由放大器和脈衝採樣電路組成。放大器的正端接0.18V的基準電壓VKEF1，負端接SEL-MIN模塊的輸出電壓VMN，即6個LED負極電平中的最小電壓值，這樣放大器和電荷泵就組成負反饋系統，把V?N鉗位在0.18V左右，有效保證輸出電壓的穩定性。脈衝採樣電路非常簡單，由一個起開關作用的MOS管組成，柵極加脈衝振蕩脈衝信號，就可以實現對放大器輸出電壓的採樣，從而形成了PAM信號。
[0040]圖4所示為誤差放大器的電路圖1。誤差放大器EA由EA1、EA2兩部分組成，其中EAl為增益級，EA2為輸出級和脈衝採樣電路。ΕΝ_0ΤΡ來自過溫保護電路，為誤差放大器的使能信號，高電平有效；VKEF(1、Veefi來自帶隙基準模塊，提供1.25V和0.18V的基準電壓；VSEL_MIN來自SEL-MIN模塊，為6個LED負極端電壓的最小電平，負反饋控制輸出電壓的穩定性；ICR1來自電流調節模塊，為誤差放大器提供部分尾電流；END_SS來自邏輯控制模塊，為軟啟動結束的標識信號，低電平有效；Isott來自軟啟動模塊，為軟啟動階段的斜坡電流信號，控制誤差放大器在軟啟動階段的輸出；P_S3來自邏輯控制模塊，為S3的脈衝控制信號。兩個反相器及開關管MG150、MG151、MG160、MG162、MG163組成輔助控制電路，由信號ΕΝ_0ΤΡ控制EAl正常工作與否。當ΕΝ_0ΤΡ為低電平，EAl關斷；當ΕΝ_0ΤΡ為高電平時，電路正常工作。其中QG27、RG2、MG 124支路和QG26、RGU QG23、RG24支路分別為放大器EAl和EA2提供偏置電流和尾電流:
[0041]
【權利要求】
1.一種基於電荷泵的白光LED驅動系統,該驅動系統包括電荷泵升壓模塊、誤差放大器模塊、軟啟動模塊、邏輯控制模塊、最大電流設定模塊、電流調節器模塊、使能控制模塊、LED負極最小電壓選擇模塊、振蕩器模塊以及基準偏置模塊，其特徵在於:該LED驅動系統還包括一個保護模塊，用以保證晶片穩定安全地工作。
2.如權利要求1所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該保護模塊包括欠壓鎖定模塊和過溫保護模塊，用於判斷當電源電壓過低或過高時，關斷除基準和電流偏置電路外的其他電路，有效保護電路。
3.如權利要求2所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該LED驅動系統還包括一個電源選擇模塊，用於選擇出晶片的輸入電壓和輸出電壓中最大者，作為電荷泵中功率開關管控制信號的最高電平，以有效驅動電荷泵功率開關，同時輸出使能信號，用於控制功率管的驅動模塊。
4.如權利要求3所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該LED驅動系統還包括一個模式選擇模塊，用於將最小電壓選擇模塊的輸出與參考門限電壓比較，根據不同情況輸出模式選擇信號。
5.如權利要求4所述的白光LED驅動系統，其特徵還在於:該LED驅動系統還包括一個模式轉換使能模塊，用於提供一個低倍轉換使能信號，和模式選擇信號共同控制電荷泵從1.5X轉換到IX模式。
【文檔編號】H05B37/02GK103917012SQ201310499073
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】賈蒙, 張燁, 肖淼鑫, 姚鵬, 楊冉 申請人:新鄉學院