一种具有欠压锁定和过温保护模块的白光led驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明是关于一种基于电荷泵的白光LED驱动系统，在普通的白光LED驱动电路的基础上，采用1X/1.5X自适应电荷泵，可根据输入电压的变化自动变换工作模式，大大提高了电源转化效率；在整个电源供电范围(2.7V-5.5V)内，可实现1X/1.5X两种工作模式的自动切换，保证较高的转换效率；具有软启动功能可以有效防止芯片启动时输入到输出端的浪涌电流。尤其是具有保护模块，包括欠压锁定模块和过温保护模块，用于判断当电源电压过低或过高时，关断除基准和电流偏置电路外的其他电路，有效保护电路芯片稳定安全地工作。整个驱动系统具有驱动能力强、亮度调节方便、宽供电范围、电源转换效率高、温度性能稳定、外围电路简单等特点。
【专利说明】一种具有欠压锁定和过温保护模块的白光LED驱动系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种白光LED驱动电路，具体涉及一种基于电荷泵的具有欠压锁定和过温保护模块的白光LED驱动电路。
【背景技术】
[0002]目前，白光LED以其光源质量优秀、功耗低、应用简单等特性，在手机、MP3、PDA、DC、个人笔记本等便携式设备的LCD背光中得到广泛的应用；并且也在汽车车灯、家庭照明等领域占据了一席之地。白光LED巨大的市场潜力，极大的带动了 LED驱动器的向低功耗、高集成化、可编程化的方向发展。目前，国内电源管理芯片研发处于快速的发展阶段，已经取得了不菲的成绩。所以开发高质量的白光LED驱动器也就成为大家研究的重点。
[0003]电荷泵就是利用电容对电荷的积累效应把电荷从输入端转移到输出端，实现升压功能，同时为负载提供所需的电流，其拓扑结构决定变压倍数和转换效率，而自适应电荷泵就是在不同变压倍数之间自动变换。它具有结构简单、低EM1、易于集成等特点，现在已经广泛的应用于白光LED照明、存储器、电平转换器等各个领域。
[0004]针对白光LED在手机、PDA等便携式设备LCD背光中的应用，本申请发明了一种基于电荷泵的白光LED驱动芯片，且具有体积小、EMI低、转化效率高且成本低等特点。同时可驱动4个主显示屏白光LED和2个副显示屏白光LED，尤其是，本申请还设计了保护电路保证电路的正常工作。
[0005]发明的内容
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]本发明申请涉及的一种基于电荷泵的白光LED驱动系统，该系统包括:电荷泵升压模块、误差放大器模块、逻辑控制模块、最大电流设定模块、电流调节器模块、使能控制模块、LED负极最小电压选择模块、振荡器模块以及基准偏置模块这些基本功能模块。
[0008]其中，电荷泵升压模块为普通的1X/1.5X电荷泵，随着电源电压的变化，自动工作在IX或1.5X模式下，使输出电压大于白光LED正常导通电压Vf，足以驱动白光LED。电源电压较低时，工作在1.5X模式下，实现升压功能；电源电压较高时，工作在IX模式下；
[0009]本申请涉及的如上所述的驱动电路还包括一个软启动模块，该软启动模块用于在芯片启动时，防止由于输入端和输出端大的压差而产生的浪涌电流；
[0010]本申请涉及的如上所述的驱动电路还包括一个保护模块，用以保证芯片稳定安全地工作。
[0011]如上所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该保护模块包括欠压锁定模块和过温保护模块，用于判断当电源电压过低或过高时，关断除基准和电流偏置电路外的其他电路，有效保护电路。
[0012]如上所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该LED驱动系统还包括一个电源选择模块，该电源选择模块用于选择出芯片的输入电压和输出电压中最大者，作为电荷泵中功率开关管控制信号的最高电平，以有效驱动电荷泵功率开关，同时输出使能信号，用于控制功率管的驱动模块。
[0013]如上所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该LED驱动系统还包括一个模式选择模块，用于将最小电压选择模块的输出与参考门限电压比较，根据不同情况输出模式选择信号。
[0014]如上所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该LED驱动系统还包括一个模式转换使能模块，用于提供一个低倍转换使能信号，和模式选择信号共同控制电荷泵从1.5X转换到IX模式。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1、系统功能模块框架图
[0016]图2、基于电荷泵的白光LED驱动电路图
[0017]图3、基于电荷泵的白光LED驱动电路中误差放大器等效原理图
[0018]图4、误差放大器电路示意图1
[0019]图5、误差放大器电路示意图2
[0020]图6、软启动电路的等效构架图
[0021]图7、软启动电路示意图
[0022]图8、电源选择模块原理图
[0023]图9、电源选择模块中的共栅比较器电路图
[0024]图10、模式选择模块工作原理图
[0025]图11、使能模块工作原理图
[0026]图12、使能模块工作等效电路图
[0027]图13、欠压锁定保护工作原理图
[0028]图14、欠压锁定保护等效电路图
[0029]图15、过温保护工作原理图
[0030]附图标记
【具体实施方式】
[0031]图1为本申请所涉及的白光LED驱动系统的整体结构图。
[0032]图1所示的IX/1.5X CHARGE-PUMP为IX/1.5X电荷泵，随着电源电压的变化，自动工作在IX或1.5X模式下，使输出电压大于白光LED正常导通电压Vf，足以驱动白光LED。电源电压较低时，工作在1.5X模式下，实现升压功能；电源电压较高时，工作在IX模式下。图1所示的S0FT-START为软启动模块:芯片启动时，防止由于输入端和输出端大的压差而产生的浪涌电流；过载(输出短路)情况下，软启动模块每2.1ms工作一次。图1所示的EA为误差放大器:用于放大6个LED负极端的最小电压和0.18V的基准电压差值，通过脉冲幅度调制(PAM)的负反馈，使1.5X电荷泵的输出电压稳定。图1所示的L0GIC-C0NTR0L为逻辑控制模块:用于控制各个模块协调的工作。图1所示的PROTECTION为保护模块:包含过温、过压、欠压锁定、短路四个保护电路，保证芯片稳定安全地工作。图1所示的⑶RRENT-SET为最大电流设定模块。误差放大器把设置电阻Rset的电压钳位为VKEF2，同时通过电流镜设定A点的电平；Rset的大小确定LED的最大电流。图1所示的LDO C-RE⑶LATOR为LDO电流调节器部分，分别调节每一个LED的电流，实现恒流驱动，保证较高的电流匹配度，以获得均匀的亮度；主副屏控制信号控制其可实现LED11阶亮度变化。所示的ENM/ENS CONTROL为EW、ENS控制模块:处理外部EW、ENS脉冲控制信号，控制主副屏开关和亮度调节。所示的SEL-MIN为LED负极最小电压选择模块:用于检测6个LED负极端的电压，选出最小值，反馈给误差放大器。所示的OSC为振荡器:用于为系统提供IMHz的固定频率。所示的REF&IBIAS为基准偏置模块:用于为系统各模块提供不受温度和电源电压变化影响的基准电压和偏置电流，保证系统工作正常。
[0033]本申请所涉及的白光LED驱动系统的具体工作原理如图2所示:
[0034]系统上电(接通电源)后，首先检测EW、ENS控制端的信号电平。如果E匪和ENS均为低电平，则芯片仍处于关断模式。如果ENM/ENS有一个或全部为高电平，芯片开始启动:首先基准模块建立，接着电流偏置模块开始工作，为系统的其他子模块提供稳定的工作电流。随后欠压保护电路、过温保护电路开始检测系统正常的工作条件是否满足，若电源电压是高于2.45V、芯片温度低于160°C，则输出使能信号EN_UVL0、ΕΝ_0ΤΡ为高电平有效，振荡器、软启动等各子模块相继开始正常工作；否则，各子模块仍关断。接着，软启动开始工作，为了防止由于IN端和OUT端之间较大的压差而形成的浪涌电流，软启动模块通过数模转换的斜坡电流源逐渐对输出电容充电，直到OUT接近IN。此过程维持约2ms，在此期间电荷泵不工作。
[0035]启动结束后，芯片就要判断工作在IX还是1.5X工作模式下。当电源电压较高时，即SEL-MIN选出6个LED负极端的最小电压Vmn大于0.1V，输出模式控制信号M0DE_SEL为高电平，芯片将工作在IX模式下；否则，V?N小于0.1V，M0DE_SEL为低电平，芯片将工作在1.5X模式下。若芯片工作在IX模式下，随着电池的使用，电源电压下降，当V?N下降到阈值电压0.1V以下，芯片(也就是电荷泵)跳转到1.5X模式下工作，同时V?N通过误差放大器EA负反馈控制电荷泵，稳定输出电压V0UT。若芯片工作在1.5X模式下，随着对电池充电，电源电压VIN上升；当电池电压高于VOUT约50mV且Vmn升高到0.1V以上时，芯片又跳转到IX模式下工作。
[0036]通过E匪或ENS低电平脉冲可实现LED亮度11阶变化，每个脉冲减小LED电流的10%，第10个脉冲使LED电流减小到5%出匪或ENS保持低电平超过2ms，主屏或副屏的LED关断；E匪和ENS同时保持低电平超过2ms，整个芯片关断。LED的最大亮度由外部电阻Rset来设定，典型值为20mA。
[0037]尤其地，本申请还设计了保护电路保证电路的正常工作。当电源电压低于2.45V或芯片温度超过160°C，芯片将处于低静态电流的关断模式；当任一 LED损坏而使电路开路，过压保护模块通过开/关电荷泵使输出电压被限制在大约5V ;当有过载(输出端短路或V0UT<1.25V)的情况发生，软启动将会每2ms启动一次。
[0038]误差放大器模块工作原理和电路示意图说明。
[0039]其中，误差放大器模块的工作原理如图3所示。主要由放大器和脉冲采样电路组成。放大器的正端接0.18V的基准电压VKEF1，负端接SEL-MIN模块的输出电压VMN，即6个LED负极电平中的最小电压值，这样放大器和电荷泵就组成负反馈系统，把V?N钳位在0.18V左右，有效保证输出电压的稳定性。脉冲采样电路非常简单，由一个起开关作用的MOS管组成，栅极加脉冲振荡脉冲信号，就可以实现对放大器输出电压的采样，从而形成了PAM信号。
[0040]图4所示为误差放大器的电路图1。误差放大器EA由EA1、EA2两部分组成，其中EAl为增益级，EA2为输出级和脉冲采样电路。ΕΝ_0ΤΡ来自过温保护电路，为误差放大器的使能信号，高电平有效；VKEF(1、Veefi来自带隙基准模块，提供1.25V和0.18V的基准电压；VSEL_MIN来自SEL-MIN模块，为6个LED负极端电压的最小电平，负反馈控制输出电压的稳定性；ICR1来自电流调节模块，为误差放大器提供部分尾电流；END_SS来自逻辑控制模块，为软启动结束的标识信号，低电平有效；Isott来自软启动模块，为软启动阶段的斜坡电流信号，控制误差放大器在软启动阶段的输出；P_S3来自逻辑控制模块，为S3的脉冲控制信号。两个反相器及开关管MG150、MG151、MG160、MG162、MG163组成辅助控制电路，由信号ΕΝ_0ΤΡ控制EAl正常工作与否。当ΕΝ_0ΤΡ为低电平，EAl关断；当ΕΝ_0ΤΡ为高电平时，电路正常工作。其中QG27、RG2、MG 124支路和QG26、RGU QG23、RG24支路分别为放大器EAl和EA2提供偏置电流和尾电流:
[0041]
【权利要求】
1.一种基于电荷泵的白光LED驱动系统,该驱动系统包括电荷泵升压模块、误差放大器模块、软启动模块、逻辑控制模块、最大电流设定模块、电流调节器模块、使能控制模块、LED负极最小电压选择模块、振荡器模块以及基准偏置模块，其特征在于:该LED驱动系统还包括一个保护模块，用以保证芯片稳定安全地工作。
2.如权利要求1所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该保护模块包括欠压锁定模块和过温保护模块，用于判断当电源电压过低或过高时，关断除基准和电流偏置电路外的其他电路，有效保护电路。
3.如权利要求2所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该LED驱动系统还包括一个电源选择模块，用于选择出芯片的输入电压和输出电压中最大者，作为电荷泵中功率开关管控制信号的最高电平，以有效驱动电荷泵功率开关，同时输出使能信号，用于控制功率管的驱动模块。
4.如权利要求3所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该LED驱动系统还包括一个模式选择模块，用于将最小电压选择模块的输出与参考门限电压比较，根据不同情况输出模式选择信号。
5.如权利要求4所述的白光LED驱动系统，其特征还在于:该LED驱动系统还包括一个模式转换使能模块，用于提供一个低倍转换使能信号，和模式选择信号共同控制电荷泵从1.5X转换到IX模式。
【文档编号】H05B37/02GK103917012SQ201310499073
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】贾蒙, 张烨, 肖淼鑫, 姚鹏, 杨冉 申请人:新乡学院