線性恆流控制器、晶片及驅動裝置的製作方法
2023-10-09 06:36:39 1
專利名稱：線性恆流控制器、晶片及驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及線性恆流控制器電路，具體而言，涉及一種用於驅動恆流源負載的高電壓線性恆流控制器，以及包含該控制器的晶片與驅動裝置。
背景技術：
由於具有光效高、壽命長、無輻射與低功耗等特點，發光二極體(LED)在照明工業中的應用日益廣泛。作為恆流源負載中的一種，LED需要與恆壓源負載不同的控制器。目前，工業界主要有兩大類驅動LED的控制器。一類是開關恆流控制器，主要特點在於需要電感和變壓器，在各種條件下效率一般都實現得較高，但同時成本也高。另一類是線性恆流控制器，它不需要電感和變壓器，雖然在某些條件下效率很難實現得高，但是成本很低。參照圖1，圖1示出了現有技術的線性恆流方案。其中，經整流橋180整流後，由全球照明電網提供的交流Iiov或交流220V轉換為直流輸入電壓VIN。LED負載190和高壓 MOS管101以及恆流控制器100串接在一起。恆流控制器100用於實現恆流控制，高壓MOS 管101承擔多餘的電壓和功率耗散，也就是散熱。電阻103、穩壓二極體104用以實現電壓鉗位，向高壓MOS管101的柵極提供合適的直流電壓。然而，上述線性恆流方案無法實現開關調光功能。開關調光意味著，通過LED燈具的開和關來實現LED燈的亮度控制。例如，一個完整的三段開關調光過程可設計如下第一次開燈，LED燈以IOW點亮；關掉燈，燈不亮了 ；在3秒鐘以內再次把燈打開，LED燈的亮度變成5W，亮度減少一半，也就節能一半；再關掉燈，燈不亮了 ；在3秒鐘以內又一次把燈打開， LED燈的亮度變成2. 5W，這樣，亮度只有1/4，就可節能3/4 ；再關掉燈，燈不亮了 ；在3秒鐘以內再一次把燈打開，LED燈的亮度又變成10W，亮度達到最大。而無論燈亮度處於什麼狀態，只要關燈時間超過3秒鐘，再次開燈後都將回到最大亮度狀態，這就是LED燈亮度狀態的復位。當然，開關調光不僅可以做成三段，還可以做成其他任意段，比如兩段、四段、五段、 六段等等，甚至做成無極的調光。
發明內容
本發明的目的在於，針對現有線性恆流方案無法實現開關調光功能的缺陷，提供一種以低成本實現線性恆流開關調光功能的解決機制，從而有效地節約能源。無疑，這對目前全球能源短缺的現狀有著現實的意義。本發明的上述目的通過提供線性恆流控制器、晶片以及驅動恆流源負載的裝置而實現。根據第一方面，提供一種線性恆流控制器，在其電源端與參考地之間連接一電容器，用以在掉電狀態下為所述控制器供電，所述控制器包括高壓MOS管，其漏極經恆流源負載連接至輸入電壓源，其源極經一檢測電阻連接至參考地；誤差放大器，其一輸入端接收流經所述恆流源負載電流的檢測信號，另一輸入端接收一調光信號，其輸出端連接所述高壓MOS管的柵極；以及調光電路，用以根據所述電流檢測信號，在上電時產生所述調光信號。在第一方面中，優選的是，所述調光電路包括掉電判斷及亮度調整電路，所述掉電判斷及亮度調整電路包括第一比較器，用以將所述電流檢測信號與近似為零的參考信號進行比較，並產生第一輸出信號；計時器，用以在一預定時間到時，將所述第一輸出信號送出；以及亮度狀態寄存器及解碼器，基於計時器送出的第一輸出信號調整亮度狀態寄存器， 在上電時改變所述調光信號。優選的是，所述預定時間至少為10毫秒。優選的是，所述調光電路還包括復位電路，所述復位電路包括與所述控制器電源端連接的第一電阻；與所述第一電阻串聯連接的第二電阻，所述第一、第二電阻與所述電容器並聯；以及第二比較器，用以將在所述第二電阻上產生的分壓與一復位閾值進行比較，並產生第二輸出信號，基於所述第二輸出信號，所述亮度狀態寄存器及解碼器復位。優選的是，所述掉電判斷及亮度調整電路還包括第三比較器，用以將在所述第二電阻上產生的分壓與一掉電閾值進行比較，並產生第三輸出信號；以及或門，其一輸入端接收所述第三輸出信號，另一輸入端接收所述計時器送出的第一輸出信號，其輸出端連接至所述亮度狀態寄存器及解碼器，提供信號以調整亮度狀態寄存器。優選的是，所述調光信號採用直流信號或PWM信號。優選的是，所述高壓MOS管的漏極擊穿電壓大於輸入電壓源的最大電壓值。優選的是，所述恆流源負載為LED負載。根據第二方面，提供一種晶片，所述晶片包括上述第一方面中的控制器。根據第三方面，提供一種驅動恆流源負載的裝置，包括線性恆流控制器和一電容器，所述電容器連接在所述控制器的電源端與參考地之間，用以在掉電狀態下為所述控制器供電，所述控制器包括高壓MOS管，其漏極經所述恆流源負載連接至輸入電壓源，其源極經一檢測電阻連接至參考地；誤差放大器，其一輸入端接收流經所述恆流源負載電流的檢測信號，另一輸入端接收一調光信號，其輸出端連接所述高壓MOS管的柵極；以及調光電路，用以根據所述電流檢測信號，在上電時產生所述調光信號。本發明的線性恆流控制器中，由於不需要使用特殊的調光器件來實現開關調光功能，並且將高壓MOS管集成在控制器內部，從而以極低的成本達到了高效節能的效果。
為更好地理解本發明，下文以實施例結合附圖對本發明作進一步說明。附圖中圖1為現有技術的線性恆流方案示意圖；圖2為本發明一實施例的線性恆流控制器的電路結構示意圖；圖3為本發明另一實施例的線性恆流控制器的電路結構示意圖；圖4為本發明兩段調光的信號波形示意圖。
具體實施例方式實現線性恆流開關調光功能的關鍵在於，對LED負載停止供電之後，在例如3秒以內的掉電狀態下，控制器要能夠識別這個掉電動作，並且能夠調整和『記住』負載的亮度狀態。在掉電狀態持續時間不超過3秒，重新上電的情況下，控制器應使LED負載以新的亮度狀態點亮。而在掉電狀態持續3秒以上的情況下，控制器應能夠復位。因此，第一需要的就是提供臨時電源，用於在掉電狀態下為控制器供電，以實現 『記憶』的功能。本發明巧妙地使用電容器來充當臨時電源。解決了臨時電源的問題之後， 面臨的是一系列邏輯操作如何實現，例如，如何判斷LED負載是否處於掉電狀態，如何調整亮度狀態，如何知道掉電時間是否超過例如3秒，等等。參照圖2，圖2為本發明一實施例的線性恆流控制器的電路結構示意圖。其中，整流橋180、LED負載190以及電阻103與圖1類似。與圖1所示現有線性恆流方案不同的是， 在控制器200的電源端VCC與參考地之間，設置一電容器204，替換了圖1中的穩壓二極體 104。而位於控制器200內部的VCC鉗位電路205，作用與穩壓二極體相同，S卩，限制VCC的最高電壓，從而避免控制器200遭受過高電壓的損害。電容器204用作臨時電源，在掉電狀態下給控制器200供電。一般情況下，電容器205的容量較大，例如可在IuF以上，就能夠在掉電狀態下為控制器200提供幾秒以上的能量。如圖2所示，控制器200包括高壓MOS管201、誤差放大器214以及調光電路220。 這裡，將高壓MOS管201置於控制器200的內部，是出於降低成本的考慮。控制器200可集成於一個晶片上。高壓MOS管201的漏極通過LED負載190連接到輸入電壓源VIN，它的源極通過檢測電阻202連接到參考地，柵極與誤差放大器214的輸出端連接。優選地，高壓MOS管201 的漏極擊穿電壓大於輸入電壓源VIN的最大電壓值。將檢測電阻202置於控制器200的外部，使得輸出電流通過該電阻可編程。當然，也可將該電阻置於控制器200的內部，只不過實現不了輸出電流的可編程。LED負載190的電流經高壓MOS管201流過檢測電阻202，所產生的檢測信號V (CS) 被送到誤差放大器214的負端。這樣，誤差放大器214、高壓MOS管201和檢測電阻202就形成一個負反饋環路。電流檢測信號同時被送到調光電路220，最終，由調光電路220 產生的調光信號DIMOUT被送到誤差放大器214的正端。負反饋控制使得誤差放大器214的正負輸入電壓相等，也就是V(DIMOUT) = V(CS) = Iled^R202 (1)故而Iled = V (DIMOUT)/R202 (2)因此，通過改變調光信號DIMOUT的電壓就可以改變LED電流，也就能夠調整LED 負載190的亮度。調光電路220中，掉電判斷及亮度調整電路240用來判斷LED負載190是否處於掉電狀態，並在恢復上電時改變調光信號DIMOUT的電壓。掉電判斷及亮度調整電路240包括比較器213、計時器212和亮度狀態寄存器及解碼器211。關掉電源後，LED負載190的電流很快就下降到零，燈不亮了。所以，通過檢測LED 負載190的電流就能夠確定它是否處於掉電狀態。比較器213將電流檢測信號V(CS)與參考信號VREFl進行比較。VREFl遠遠小於V (DIMOUT)，近似為零，以確保LED負載190的電流降到很小方使比較器213的輸出狀態變為高。比較器213的輸出為高將啟動計時器212。 在計時器212按一預定時間計時滿時，如果比較器213輸出一直為高(即，LED負載190的電流持續很小)，則計時器212輸出一高邏輯電平，該高邏輯電平傳送到亮度狀態寄存器及解碼器211的SET端。優選地，計時器212的上述預定時間可設為至少10毫秒。這是因為，全球照明電網提供的50Hz、60Hz交流電，經過全橋整流後，頻率分別變為IOOHz和120Hz，而IOOHz頻率對應的周期就是10毫秒。這意味著，每過10毫秒，電網電壓就會經過零，該零電壓有可能導致LED負載的電流為零，只是由於其頻率高達100Hz，人眼不易覺察到LED負載亮度的變化。將計時器212的預定時間設為10毫秒以上，就是為了避免上述誤判斷。亮度狀態寄存器及解碼器211會將SET端接收的高邏輯電平視作一次掉電動作， 並調整亮度狀態寄存器。亮度狀態寄存器以一定的編碼形式存儲LED負載的亮度信息，例如，以00代表100%亮度，01代表50%亮度等。SET端用於調整寄存器信息，RST端用於復位寄存器。解碼器將存於寄存器中的編碼信息翻譯出來，並將相應的調光信號DIMOUT輸出到誤差放大器214，例如，將00解碼為DIMOUT = 0. 5V，01解碼為DIMOUT = 0. 25V，前者的亮度為100%，後者的亮度為50%。如果在最大掉電時間(例如3秒)之內再次上電，亮度狀態寄存器及解碼器211 將輸出新的DIMOUT電壓給誤差放大器214，LED負載190就以新的輸出電流點亮，亮度隨之改變。調光電路220中，復位電路230用於在掉電超過最大掉電時間時，使亮度狀態寄存器及解碼器211清零復位。復位電路230包括電阻206、電阻207和比較器209。其中，電阻207連接到控制器200的電源端VCC，電阻206與電阻207串聯連接，電阻206、207與電容器204並聯。掉電後，隨著掉電時間的延長，電容器204上的電壓VCC會逐漸下降，電阻207和電阻206對VCC分壓。比較器209將在電阻206上產生的分壓與參考信號VREF2進行比較， VREF2表示復位閾值。當電壓VCC降得足夠低，使得電阻206上的分壓小於復位閾值，比較器209就輸出高邏輯電平到亮度狀態寄存器及解碼器211的RST端，去清零復位亮度狀態寄存器。參考信號VREF2的高低與電容器204的容值大小將決定最大掉電時間的長短。參照圖3，圖3為本發明另一實施例的線性恆流控制器的電路結構示意圖。該實施例中，除在掉電判斷及亮度調整電路241中增設一比較器208與一或門210以外，其餘部分與圖2所示實施例類似。比較器208與電阻206、207配合使用，提供判斷掉電狀態的另外一種方式。掉電後，VCC逐漸下降，它在電阻206上的分壓被送到比較器208，與參考信號VREF3進行比較， VREF3表示掉電閾值。當電壓VCC下降到一定程度，例如下降IV左右，使得電阻206上的分壓小於掉電閾值，比較器208就輸出高邏輯電平到或門210的一輸入端。或門210的另一輸入端則接收由計時器212送出的信號，其輸出端連接亮度狀態寄存器及解碼器211的SET 端。亮度狀態寄存器及解碼器211仍將SET端接收的高邏輯電平視作一次掉電動作，並相應調整亮度狀態寄存器。該實施例中，可同時通過檢測電壓VCC，或通過檢測LED負載電流來判斷掉電狀態。顯然，提供這兩種呈或的關係的掉電狀態判斷方式，可進一步提高控制器電路的穩定性、可靠性。參照圖4，圖4以兩段調光為例示出了本發明的部分信號波形。其一示出調光信號DIMOUT採用直流信號或PWM信號的情形，分別對應模擬調光方式與PWM調光方式，前者通過改變直流電壓大小來改變LED電流，後者通過改變脈衝佔空比來改變LED平均電流；其二示出以3秒為例的最大掉電時間；其三示出VCC復位閾值，當VCC低於此閾值時，控制器將被復位。在前文的描述中，最大掉電時間為3秒只是一個舉例，可根據實際需要將最大掉電時間設為其他數字，如0. 5秒到5秒之間的任意數字。而且，本發明並不局限於驅動LED 負載，而是可用於驅動任何一種恆流源負載。這對於本領域技術人員而言是易於理解的。顯而易見，在此描述的本發明可以有許多變化，這種變化不能認為偏離本發明的精神和範圍。因此，所有對本領域技術人員顯而易見的改變，都包括在所附權利要求書的涵蓋範圍之內。
權利要求
1.一種線性恆流控制器，在其電源端與參考地之間連接一電容器，用以在掉電狀態下為所述控制器供電，所述控制器包括高壓MOS管，其漏極經恆流源負載連接至輸入電壓源，其源極經一檢測電阻連接至參考地；誤差放大器，其一輸入端接收流經所述恆流源負載電流的檢測信號，另一輸入端接收一調光信號，其輸出端連接所述高壓MOS管的柵極；以及調光電路，用以根據所述電流檢測信號，在上電時產生所述調光信號。
2.如權利要求1所述的控制器，其特徵在於，所述調光電路包括掉電判斷及亮度調整電路，所述掉電判斷及亮度調整電路包括第一比較器，用以將所述電流檢測信號與近似為零的參考信號進行比較，並產生第一輸出信號；計時器，用以在一預定時間到時，將所述第一輸出信號送出；以及亮度狀態寄存器及解碼器，基於計時器送出的第一輸出信號調整亮度狀態寄存器，在上電時改變所述調光信號。
3.如權利要求2所述的控制器，其特徵在於，所述預定時間至少為10毫秒。
4.如權利要求2所述的控制器，其特徵在於，所述調光電路還包括復位電路，所述復位電路包括與所述控制器電源端連接的第一電阻；與所述第一電阻串聯連接的第二電阻，所述第一、第二電阻與所述電容器並聯；以及第二比較器，用以將在所述第二電阻上產生的分壓與一復位閾值進行比較，並產生第二輸出信號，基於所述第二輸出信號，所述亮度狀態寄存器及解碼器復位。
5.如權利要求4所述的控制器，其特徵在於，所述掉電判斷及亮度調整電路還包括第三比較器，用以將在所述第二電阻上產生的分壓與一掉電閾值進行比較，並產生第三輸出信號；以及或門，其一輸入端接收所述第三輸出信號，另一輸入端接收所述計時器送出的第一輸出信號，其輸出端連接至所述亮度狀態寄存器及解碼器，提供信號以調整亮度狀態寄存器。
6.如權利要求1所述的控制器，其特徵在於，所述調光信號採用直流信號或PWM信號。
7.如權利要求1所述的控制器，其特徵在於，所述高壓MOS管的漏極擊穿電壓大於輸入電壓源的最大電壓值。
8.如權利要求1所述的控制器，其特徵在於，所述恆流源負載為LED負載。
9.一種晶片，其特徵在於，包括權利要求1至8中任一項所述的控制器。
10.一種驅動恆流源負載的裝置，包括線性恆流控制器和一電容器，所述電容器連接在所述控制器的電源端與參考地之間，用以在掉電狀態下為所述控制器供電，所述控制器包括高壓MOS管，其漏極經所述恆流源負載連接至輸入電壓源，其源極經一檢測電阻連接至參考地；誤差放大器，其一輸入端接收流經所述恆流源負載電流的檢測信號，另一輸入端接收一調光信號，其輸出端連接所述高壓MOS管的柵極；以及調光電路，用以根據所述電流檢測信號，在上電時產生所述調光信號。
全文摘要
本發明公開了一種線性恆流控制器，以及包含該控制器的晶片與驅動裝置。所述控制器的電源端與參考地之間連接一電容器，用以在掉電狀態下為所述控制器供電，所述控制器包括高壓MOS管，其漏極經恆流源負載連接至輸入電壓源，其源極經一檢測電阻連接至參考地；誤差放大器，其一輸入端接收流經所述恆流源負載電流的檢測信號，另一輸入端接收一調光信號，其輸出端連接所述高壓MOS管的柵極；以及調光電路，用以根據所述電流檢測信號，在上電時產生所述調光信號。本發明以低成本實現了線性恆流開關調光功能的解決機制，能夠有效節約能源。
文檔編號H05B37/02GK102196643SQ201110174569
公開日2011年9月21日 申請日期2011年6月27日 優先權日2011年6月27日
發明者劉立國, 李嶷, 許瑞清, 金洪濤 申請人:許瑞清