专利名称:同步升降压型车载大功率led驱动器的制作方法
技术领域:
本发明涉及的是一种驱动电路,具体地说是一种车载大功率LED驱动器。
背景技术:
近年来,半导体照明技术发展迅速。作为半导体照明技术的核心产品LED(发光二 极管,以下都称LED)光源已对照明领域产生了深刻的影响,被誉为继白炽灯、荧光灯、气体 放电灯之后的第四代照明光源[1]。 在当前和未来的汽车中,LED照明应用将以前所未有地速度增长,这些应用从前灯 到内部照明,种类很多。这些具体应用导致对大功率LED汽车应用中的LED驱动器有很多 非常具体的性能要求。 目前,对车载LED驱动器有下面的需求 1.体积要求小型化,大功率LED电源设计的小型化发展是一个必然的越势,这将 有利于生产出能够替代现有照明灯的LED灯。2.多种保护和诊断功能,LED在电流过强时, 会引起LED光学特性衰减,导致LED的寿命縮短,甚至损坏,这就需要驱动器提供过流保护、 过热保护、短路保护等保护功能,以及LED驱动器故障诊断功能。3.高效率,车载LED驱动 器的效率要大于85% ; 文献[2]中的车载LED驱动器是目前普遍采用的驱动器类型,其主电路采用BOOST 型拓扑结构。但是这种类型LED驱动器的缺点是如果出现负载短路或者LED灯两端电压过 低时,驱动器的最低输出电压为汽车电池电压,无法实现电流保护。 一旦出现上述故障将会 损坏LED灯或者驱动电源,更有甚者可能影响汽车电池的正常工作,造成安全隐患。即使在 LED驱动器的输入侧加入快速熔断器或是自恢复开关也无法保护LED灯,这是因为LED灯在 熔断器和自动恢复开关动作前就已经损坏了 (LED—旦过流或者过热非常容易损坏)。由于 车载LED驱动器中的输入电压不高(目前汽车电池的额定电压为12V),开关管和二极管的 导通损耗使得驱动器的效率下降,文献[2]中驱动器的效率仅为85%。
与本发明相关的公开报道有 [1] Y. K. Cheng, K. W. E. Cheng. General study for using LED to r印lacetraditional lighting devices. 2006 2nd International Conference on Power ElectronicsSystems and Applications, 2006 :173-177 ; [2]燕坤善,牛萍娟,付贤松, 一种LED汽车头灯驱动电路,天津工业大学学报, 2008,12。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在LED出现故障或者LED输出短路时对LED和车载
电源系统中进行快速保护,并且效率高的同步升降压型车载大功率LED驱动器。 本发明的目的是这样实现的由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路连接组成。
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本发明还可以包括这样一些技术特征 1、所述的主电路由4只场效应管A D、电感L、第一电容C1、第一电阻Rl和待驱 动的LED组成,输入电压的正极1接第一场效应管A的漏极,输入电源的负极2为系统中的 参考地,第一场效应管A的源极与电感L的一端和第二场效应管B的漏极相连,第二场效应 管B的源极与参考地相连,第三场效应管C的漏极与电感L的另一端和第四场效应管D的 源极相连,第三场效应管C的源极与参考地相连,第四场效应管D的漏极与LED驱动器的输 出端3和滤波电容的正极相连,并将作为输出连接LED灯的阳极,第一电容Cl的负极板与 参考地相连,第一电阻Rl的一端与参考地相连,令一端与LED驱动器的输出端4。
2、所述的驱动脉冲产生电路由芯片U1,6只电阻R21 R26,6只电容C21、 C22、 C24、C27、C28、C29和2只二极管D21、D22组成;芯片Ul的1脚为输出指示端,2脚为软启 动端通过第二i^一电容C21连接到参考地,3脚和4脚为电流保护输入端,5脚为误差放大 器补偿点通过第二十二电容C22与第二十一电阻R21的串联后接参考地,6脚为反馈输入引 脚,7脚为芯片的地,8脚为启动引脚通过第二十二电阻R22和第二十三R23将VIN电压分 压后提供给7脚,9脚为工作方式选择通过第二十五电阻R25和第二十四电阻R24将VIN电 压分压后提供给9脚,12脚为内部LD0控制端通过去耦第二十四电容C24接参考地,电源引 脚21脚通过第二十六电阻R26接驱动器的输入电源接口 l,由芯片Ul内部产生的基准电压 由19脚输出,19脚通过接第二十八电容C28和第二十九电容C29接参考地,13脚和24脚 为升压浮动电源分别通过第二十七电容C27和第二十六电容C26接SW2和SW1脚、并分别 通过第二十二二极管D22和第二十一二极管D21在给第二场效应B和第三场效应C导通时 给第二十七电容C27和第二十六电容C26充电,第二十七电容C27和第二十六电容C26上 的电荷分别用于驱动第一场效应A和第四场效应D,16引脚和18脚用来驱动下端的第二场 效应管B和第三场效应管C,BG2、BG1通过接口分别接第二场效应管B和第三场效应管C的 栅极,15引脚和22引脚通过接口分别接第一场效应管A和第四场效应管D的源极,14引脚 和23引脚通过接口分别接第一场效应管A和第四场效应管D的栅极,芯片Ul通过LED驱 动器的输入直接供电,电源正极接6VCC,负极接6GND。 3、所述的反馈保护电路由运算放大器U2, 5只电阻R41、R43 R46,电位器R42, 二 极管D41组成;运算放大器U2同相输入端通过电阻R43接LED驱动器的输出端3,第四十一 电阻R41接在运放的反相输入端和参考地之间,第四十二电阻R42和第四十四电阻R44串 联后接在运放的反相输入端和输出之间,运放U2和第四i^一电阻R41、第四十二电阻R42、 第四十四电阻R44组成同相比例运算电路,运放的输出接第四十五电阻R45,第四十五电阻 R45的另一端接稳压管D41的阳极和第四十六电阻R46,第四十六电阻R46通过接口 5接驱 动脉冲产生电路的输入端5,第四十一二极管D41的阴极接LED驱动器的输出端3。
本发明的优点主要有 1.能在LED出现故障或者LED输出短路时对LED和车载电源系统中进行快速保 护。 2. LED驱动器还具有高效率(最高可达95 % )。 3.具有恒电流输出的特点,有利于LED可靠工作。 4.由于效率的提高,驱动器本身发热减小,体积重量进一步减小。
图l为本发明的原理框图;图2为本发明的主电路原理图;图3为本发明的驱动脉 冲产生电路原理图;图4为本发明的反馈保护电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 结合图1,本发明的同步升降压型车载大功率LED驱动器由主电路、驱动脉冲产生 电路、反馈保护电路组成。 结合图2,所述的主电路由4只场效应管A D、电感L、电容Cl、电阻Rl和待驱动 的LED组成,输入电压的正极1接场效应管A的漏极,输入电源的负极2为系统中的参考地, 用GND表示,场效应管A的源极与电感L的一端和场效应管B的漏极相连,场效应管B的源 极与参考地相连,场效应管C的漏极与电感L的另一端和场效应管D的源极相连,场效应管 C的源极与参考地相连。场效应管D的漏极与LED驱动器的输出端3和滤波电容的正极相 连,并将作为输出连接LED灯的阳极。电容C1的负极板与参考地相连,电阻R1的一端与参 考地相连,令一端与LED驱动器的输出端4,该电阻的目的是对输出电流进行采集。
结合图3,所述的驱动脉冲产生电路由芯片LTC3780 Ul,6只电阻R21 R26,6只 电容C21、C22、C24、C27、C28、C29和2只二极管D21、D22组成。Ul的l脚(PG00D)为输出 指示端,当处于所调制的±7.5%以内时该脚为高电平,本电路中未使用该指示端,该引脚 悬空,2脚(SS)为软启动端,通过电容C21连接到参考地(GND),电容大小不同可以设定不 同的软启动时间,3脚(SENSE+)禾P4展卩(SENSE-)为电流保护输入端,本设计中未使用将其 直接接到参考地,5脚(ITH)为误差放大器补偿点,该引脚通过C22与R21的串联后接参考 地,6脚(V0SENSE)为反馈输入引脚,所设计的电路是经过6脚实现恒流输出、开路保护和短 路保护的控制,7脚(SGND)为芯片的地,直接接入参考地。8脚(RUN)为启动引脚,这里通 过电阻R22和R23将VIN电压分压后提供给7脚,使Ul—直处于启动状态,9脚(FCB)为工 作方式选择,通过电阻R25和R24将VIN电压分压后提供给9脚,这里选择突发模式运行状 态,10脚(PLLFLTR)可通过外部电压改变内部振荡频率,这里未连接,ll脚(PLLIN)可由外 部电路提供振荡频率,这里采用内部振荡器,该引脚悬空,12脚(STBYMD)为内部LD0控制 端,该脚通过去耦电容C24接参考地,电源引脚21脚(VIN)通过电阻R26接驱动器的输入 电源接口 (l),见图l,由Ul内部产生的基准电压由19脚(INTVCC)输出,19脚通过接两个 电容C28和C29接参考地,13脚(B00ST2)和24脚(B00ST1)为升压浮动电源,这两个引脚 分别通过电容C27和C26接SW2和SW1脚,并分别通过二极管D22和D21在给场效应B和 场效应C导通时给电容C27和C26充电,电容C27和C26上的电荷分别用于驱动场效应A 和场效应D, 16引脚(BG2)和18脚(BG1)用来驱动下端的场效应管B和C。 BG2、 BG1通过 接口 (6BG)和(6CG)分别接场效应管B和C的栅极,15引脚(SW2)和22引脚(SW1)通过接 口 (6AS)和(6DS)分别接场效应管A和D的源极,14引脚(TG2)和23引脚(TG1)通过接口 (6AG)和(6DG)分别接场效应管A和D的栅极,U1通过LED驱动器的输入直接供电,电源正 极接(6VCC),负极接(6GND)。 结合图4,所述的反馈保护电路由运算放大器U2,5只电阻R41、 R43 R46,电位 器R42, 二极管D41组成。运算放大器U2同相输入端通过电阻R43接LED驱动器的输出端3,电阻R41接在运放的反相输入端和参考地之间,电阻R42和R44串联后接在运放的反 相输入端和输出之间,运放U2和电阻R41、 R42、 R44组成同相比例运算电路,放大倍数为 (R42+R44)/R41+l。运放采用单电源供电,供电电源由LED驱动器输入电源直接提供。运放 的输出按R45, R45的另一端接稳压管D41的阳极和电阻R46,电阻R46通过接口 5接驱动 脉冲产生电路的输入端5。 D41的阴极接LED驱动器的输出端3。 为了到达快速保护和提高效率的目的,LED驱动器主电路采用四只N沟道场效应 管的同步驱动模式(如图2所示),在LED出现故障或者输出短路时能迅速将通过场效应 管A和D的关断将输入和输出断开,实现快速保护功能。而通常输出电压高于输入电压的 BOOST电路无法在输出发生短路故障时实现有效的保护。主电路的控制方式采用对四只主 功率场效应管的同步控制来实现高效率的电能变换,最高效率可达到95 % ,如采用BUCK和 BOOST相结合的两级电路,效率最高能只能到达85% 。 所设计的LED驱动器的主电路有降压、降升压和升压三种工作模式。在输出电压 低于输入电压时工作在降压工作模式;在输出电压接近输入电压时工作在升降压模式工 作;在输出电压高于输入电压时工作在升压模式。主电路的四只开关管能在LED灯出现电 压过低的故障时,通过降低输出电压,使驱动器仍然输出设定的电流。这样即使某些串联的 LED短路,将不影响其他LED的正常工作。当输出端短路时,保护电路发出控制信号,通过对 场效应管的控制迅速断开输入和输出的连接,实现快速保护功能。 车载LED驱动器的驱动脉冲产生电路产生200kHz-400kHz的同步脉冲信号来驱动 主电路的场效应管A、B、C和D (如图2所示),场效应管A和D的驱动信号是由脉冲产生电 路应用电荷泵的原理将场效应管A和D的源极电压提升到合适的范围。通过场效应管A、 B、 C和D控制脉冲的不同电路可工作于降压、升降压和升压三种工作模式。由于场效应管 的输入阻抗很高,因此驱动脉冲产生电路的损耗很小。 反馈保护电路的工作原理是这样的当LED驱动器输出开路时,由于没有反馈电 流信号,LED驱动器输出电压将迅速增加使得稳压管D41击穿,D41击穿后使得D41阳极的 电压增加,该电压通过电阻R46形成反馈支路,提供反馈信号,使输出的电压不再增长,即 开路时输出电压恒定。同样当输出电压超过某一设定值时,输出电压被钳位到一个固定值。 当接入LED灯时,电流采样电阻Rl上的电压经过U2组成的同相比例运算电路后,反馈到驱 动脉冲产生电路,使输出电流稳定。当输出短路时,反馈电压增加,场效应管A和D迅速关 断,实现输出和输入的快速断开,这是BOOST拓扑结构所不能实现的。电路在短路保护后将 进入断续工作状态或称为打嗝工作状态,当短路故障排除后,电路能自动进入正常工作状 态。输出电流的采集是通过在输出回路串联一个电阻R1获得的,小电阻R1上的电压在额 定输出时为0. IV左右,这个O. 1V左右电压对LED驱动器的效率影响不大。
为说明本发明所带来的有益效果,进行以下实验 车载LED驱动器可对应不同的LED灯进行设计,这里以接入2只6W的LED灯为例 来设计,LED灯的参数为额定电流500mA,灯两端电压为11. 5-13. 5V。汽车电池的电压额 定值为12V,即LED驱动器的输入电压为12V。 LED驱动器的额定输出电流设计为500mA,空载的输出设定为36V。输出滤波电路 采用电感电容的滤波方式,输出电容选择为50V/330uF的电容。 具体的测试数据为转换效率95. 35%,空载电压限制在36. 52V。当输出短路时,
7驱动器的输入和输出端被断开,实现了对LED驱动器和车载供电系统的保护。试验中将其 中一只LED短路,另外一只LED仍然能正常工作,没有出现电流过大烧毁现象。
权利要求
一种同步升降压型车载大功率LED驱动器,其特征是由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路连接组成。
2. 根据权利要求1所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器,其特征是所述的主 电路由4只场效应管(A D)、电感(L)、第一电容(Cl)、第一电阻(Rl)和待驱动的LED组 成,输入电压的正极(1)接第一场效应管(A)的漏极,输入电源的负极(2)为系统中的参考 地,第一场效应管(A)的源极与电感(L)的一端和第二场效应管(B)的漏极相连,第二场效 应管(B)的源极与参考地相连,第三场效应管(C)的漏极与电感(L)的另一端和第四场效 应管(D)的源极相连,第三场效应管(C)的源极与参考地相连,第四场效应管(D)的漏极与 LED驱动器的输出端(3)和滤波电容的正极相连,并将作为输出连接LED灯的阳极,第一电 容(Cl)的负极板与参考地相连,第一电阻(Rl)的一端与参考地相连,令一端与LED驱动器 的输出端(4)。
3. 根据权利要求1或2所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器,其特征是所述的 驱动脉冲产生电路由芯片(Ul),6只电阻(R21 R26),6只电容(C21、 C22、 C24、 C27、 C28、 C29)和2只二极管(D21、D22)组成;芯片(Ul)的1脚为输出指示端,2脚为软启动端通过 第二十一电容(C21)连接到参考地,3脚和4脚为电流保护输入端,5脚为误差放大器补偿 点通过第二十二电容(C22)与第二十一电阻(R21)的串联后接参考地,6脚为反馈输入引 脚,7脚为芯片的地,8脚为启动引脚通过第二十二电阻(R22)和第二十三(R23)将VIN电压 分压后提供给7脚,9脚为工作方式选择通过第二十五电阻(R25)和第二十四电阻(R24)将 VIN电压分压后提供给9脚,12脚为内部LD0控制端通过去耦第二十四电容(C24)接参考 地,电源引脚21脚通过第二十六电阻(R26)接驱动器的输入电源接口 (l),由芯片(Ul)内 部产生的基准电压由19脚输出,19脚通过接第二十八电容(C28)和第二十九电容(C29)接 参考地,13脚和24脚为升压浮动电源分别通过第二十七电容(C27)和第二十六电容(C26) 接SW2和SW1脚、并分别通过第二十二二极管(D22)和第二i^一二极管(D21)在给第二场 效应(B)和第三场效应(C)导通时给第二十七电容(C27)和第二十六电容(C26)充电,第 二十七电容(C27)和第二十六电容(C26)上的电荷分别用于驱动第一场效应(A)和第四场 效应(D) , 16引脚和18脚用来驱动下端的第二场效应管(B)和第三场效应管(C) ,BG2、BG1 通过接口分别接第二场效应管(B)和第三场效应管(C)的栅极,15引脚和22引脚通过接口 分别接第一场效应管(A)和第四场效应管(D)的源极,14引脚和23引脚通过接口分别接第 一场效应管(A)和第四场效应管(D)的栅极,芯片(Ul)通过LED驱动器的输入直接供电, 电源正极接6VCC,负极接6GND。
4. 根据权利要求1或2所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器,其特征是所述的 反馈保护电路由运算放大器(U2) ,5只电阻(R41、R43 R46),电位器(R42) , 二极管(D41) 组成;运算放大器(U2)同相输入端通过电阻(R43)接LED驱动器的输出端(3),第四十一 电阻(R41)接在运放的反相输入端和参考地之间,第四十二电阻(R42和第四十四电阻(R44 串联后接在运放的反相输入端和输出之间,运放(U2)和第四十一电阻(R41)、第四十二电 阻(R42)、第四十四电阻(R44)组成同相比例运算电路,运放的输出接第四十五电阻(R45), 第四十五电阻(R45)的另一端接稳压管(D41的阳极和第四十六电阻(R46,第四十六电阻 (R46通过接口接驱动脉冲产生电路的输入端(5),第四十一二极管(D41)的阴极接LED驱 动器的输出端(3)。
5.根据权利要求3所述的同步升降压型车载大功率LED驱动器,其特征是所述的反 馈保护电路由运算放大器(U2),5只电阻(R41、R43 R46),电位器(R42) , 二极管(D41)组 成;运算放大器(U2)同相输入端通过电阻(R43)接LED驱动器的输出端(3),第四十一电 阻(R41)接在运放的反相输入端和参考地之间,第四十二电阻(R42和第四十四电阻(R44 串联后接在运放的反相输入端和输出之间,运放(U2)和第四十一电阻(R41)、第四十二电 阻(R42)、第四十四电阻(R44)组成同相比例运算电路,运放的输出接第四十五电阻(R45), 第四十五电阻(R45)的另一端接稳压管(D41的阳极和第四十六电阻(R46,第四十六电阻 (R46通过接口接驱动脉冲产生电路的输入端(5),第四十一二极管(D41)的阴极接LED驱 动器的输出端(3)。
全文摘要
本发明提供的是一种同步升降压型车载大功率LED驱动器。由主电路、驱动脉冲产生电路、反馈保护电路连接组成。本发明能在LED出现故障或者LED输出短路时对LED和车载电源系统中进行快速保护。LED驱动器还具有高效率(最高可达95%)。具有恒电流输出的特点,有利于LED可靠工作。由于效率的提高,驱动器本身发热减小,体积重量进一步减小。
文档编号H05B37/02GK101778512SQ201010101258
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者侯冰洲, 刘思久, 杨春玲, 王宇野, 陈志伟 申请人:哈尔滨工程大学