可控硅、模拟、pwm调光通用电路及led驱动芯片的制作方法
【专利摘要】可控硅、模拟、PWM调光通用电路，应用于LED调光，包括LED电流设定模块，所述LED电流设定模块包括用于设定LED电流的模拟电压输入端及一个控制LED导通与否的开关控制端；还包括第一滞回模块，可控硅电流模块，第二滞回模块。本发明还公开了一种LED驱动芯片，包括前述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路。本发明可以自主选择进行直接模拟调光，或者是选择将可控硅或PWM信号转换为模拟电压信号进行间接模拟调光，还可以选择将可控硅或PWM信号整形后加载到调光开关电路上进行PWM调光，实现多种调光方式整合。
【专利说明】可控硅、模拟、PWM调光通用电路及LED驱动芯片
【技术领域】
[0001]本发明属于电子电路领域，涉及一种集成电路，特别是一种可控硅、模拟、PWM调光通用电路及一种LED驱动芯片。
【背景技术】
[0002]LED具有发光效率较高和使用寿命较长等优点，因而得到广泛的应用。而LED的调光可以使其节能的特性得到进一步发挥，并增加其使用寿命。
[0003]目前LED主要调光方式一般有三种，分别为模拟调光、可控硅调光和PWM调光。
[0004]传统的模拟调光，通常是采用调节LED串联电阻的阻值的方式来改变LED电流的大小，利用分压原理实现调光。而随着新型的非纯电阻性LED驱动的发明，单纯改变电阻阻值无法实现调光，模拟调光机制随之改变。然而，即使调光机制发生改变，模拟调光的控制方式不会变化，都是根据输入模拟信号的大小来改变LED输出等效电流，从而实现调光功能。而模拟调光的缺点是，LED的发光光谱会随着电流的变化而发生偏移。
[0005]可控硅调光是一种较为常见的调光方式，其工作原理是将输入的正弦波的交流电源进行斩波，即将正弦波“截去”一部分波形，通过调节可控硅的导通角来改变输出电压的有效值。但是，可控硅调光的缺点也比较明显:一是经过斩波的交流电源会产生高次谐波，加载到负载上会产生干扰，其引起的电源电压波形畸变还会增加供配电系统的负荷，影响电网内其他用电设备；二是将交流电源经过斩波后，加载到负载上来改变输出电压有效值，只适用于传统的纯电阻性LED驱动电路，无法对新型的非电阻性等LED驱动进行调光。三是可控硅导通后需要维持电流来保持导通。
[0006]PWM调光，即脉宽调制调光，是一种新型、具有广大前景的调光方式。PWM调光的工作原理是，利用输入的脉冲信号，反复地开通关断LED驱动器，通过改变脉冲信号的占空比来调节LED的等效电流值，从而实现调光功能。进行PWM调光时，需要合理设置PWM信号的频率大小:一是PWM信号频率不能过低，若低于100Hz，会造成肉眼可见的闪烁现象。二是需要考虑LED驱动的响应时间，即LED驱动启动所需的时间，PWM信号频率过高，或占空比过低，都会导致器件无法响应。
[0007]三种调光方式中，模拟调光结构最简单,调光范围最广；可控娃调光应用最为广泛，在目前许多灯具中都有运用；PWM调光的调光效果好，效率高。实际运用中，各个调光方式各有优劣，目前的LED驱动方案中，无法给出最优秀的调光方式。
【发明内容】
[0008]为避免现有各种调光方式存在的固有缺陷，根据需要选择合适的调光方式，本发明公开了一种可控硅、模拟、PWM调光通用电路及利用该电路的LED驱动芯片。
[0009]本发明所述可控硅、模拟、PWM调光通用电路，应用于LED调光，包括LED电流设定模块，所述LED电流设定模块包括用于设定LED电流的模拟电压输入端及一个控制LED导通与否的开关控制端； 还包括第一滞回模块，可控硅电流模块，第二滞回模块；
所述第一及第二滞回模块对周期变化的输入信号进行整形，输出与输入信号频率相同，脉宽受控的方波信号，方波信号的高电平宽度由输入到该滞回模块的基准电压决定；
所述可控硅电流模块与第一滞回模块的输出端连接，根据第一滞回模块输出信号的高低电平状态，关闭或输出可控硅导通电流；
所述第二滞回模块的输入端与第一滞回模块的输出端均连接至所述模拟电压输入端，所述第二滞回模块的输出端连接至所述开关控制端。
[0010]具体的，滞回模块由比较器、反相器、第一开关管、第二开关管、第一基准电压输入端和第二基准电压输入端组成；
所述比较器正相输入端作为滞回模块的信号输入端，第一开关管和第二开关管分别连接在第一基准电压输入端、第二基准电压输入端和比较器反相输入端之间，比较器输出端连接反相器，反相器的输入端和输出端分别连接第二开关管和第一开关管的栅极；所述比较器的输出端作为滞回模块的输出端，所述第一基准电压输入的基准电压值高于第二基准电压。
[0011]进一步的，所述可控硅电流模块包括串联在电源与地之间的分压电阻串和第三开关管，所述分压电阻串的中间节点与三极管放大级的基极电流输入端连接，所述分压电阻串中从中间节点到地的电阻部分并联有第四开关管，所述第三开关管和第四开关管的栅极分别连接第一滞回模块中反相器的输出端和输入端。
[0012]更进一步的，所述三极管放大级包括一个三极管或多个级联三极管，级联方式为前一三极管的发射极连接后一三极管的基极，集电极连接在一起作为三极管放大级的电流放大输出端。
[0013]进一步的，所述第一开关管和第二开关管与比较器的反相输入端之间分别连接有第一滤波电阻，所述比较器的反相输入端与地之间连接有第一滤波电容。
[0014]优选的，所述第二滞回模块的输入端到地之间连接有第二滤波电容，所述第二滞回模块的输入端与模拟电压输入端之间连接有第二滤波电阻，所述模拟电压输入端和第一滞回模块输出端之间连接有限流电阻。
[0015]本发明还公开了一种LED驱动芯片，包括如前任意一项所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其中第一滞回电路的信号输入端、模拟电压输入端、三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚。
[0016]优选的，所述分压电阻串的中间节点替代三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚。
[0017]采用本发明所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，可以自主选择进行直接模拟调光，或者是选择将可控硅或PWM信号转换为模拟电压信号进行间接模拟调光，还可以选择将可控硅或PWM信号整形后加载到调光开关电路上进行PWM调光，实现多种调光方式整
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[0018]本发明利用一套集成在芯片内部的转换电路，以及选择添加少量外部器件，可以自由地在模拟调光、可控娃调光、或PWM调光方式之间切换使用,选择最合适的调光方式来对LED驱动进行调光控制。【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1示出本发明一种【具体实施方式】纵剖面示意图；
图2示出本发明所述滞回模块的一种【具体实施方式】结构示意图；
图3示出本发明所述可控硅电流模块的一种【具体实施方式】结构示意图；
图4为本发明所述滞回模块的信号波形示意图；
图中附图标记名称为=REFl-第一基准电压REF2-第二基准电压 Ml-第一开关管M2-第二开关管M3-第三开关管M4-第四开关管COMP-阴比较器INV-反相器VCC-电源Ql-第一三极管Q2-第二三极管Rl-第一滤波电阻R2-第一分压电阻R3-第二分压电阻R4-基极限流电阻R5-第二滤波电阻R6-限流电阻Cl-第一滤波电容C2-第二滤波电容C3-积分电容1-第一滞回电路的信号输入端2-模拟电压输入端3-开关控制端4-三极管放大级的电流放大输出端。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0021]本发明所述可控硅、模拟、PWM调光通用电路，应用于LED调光，包括LED电流设定模块，所述LED电流设定模块包括用于设定LED电流的模拟电压输入端及一个控制LED导通与否的开关控制端。
[0022]LED电流设定在LED驱动技术中是成熟的现有技术，但各种形式的调光电路，都以模拟电压的调光方式为基础，在模拟电压输入端通过外置或内置的基准电压输入，基本原理是利用输入电压值设定流过LED的电流，同时为方便控制，特别是调光控制，LED电流设定模块通常设置有开关控制端，用于控制LED的导通与否。
[0023]本发明所述可控硅、模拟、PWM调光通用电路，还包括第一滞回模块，可控硅电流模块，第二滞回模块；所述第一及第二滞回模块对周期变化的输入信号进行整形，输出与输入信号频率相同，脉宽受控的方波信号，方波信号的高电平宽度由输入到该滞回模块的基准电压决定。
[0024]滞回模块实质是一个整形模块，即将输入的各种外界周期信号，例如正弦波，三角波或电压幅值大于本发明通用电源电压的信号整形，输出频率相同，脉宽受控的方波信号，其中的脉冲宽度由输入到滞回模块的基准电压决定。
[0025]如图2所示给出本发明所述滞回模块的一个【具体实施方式】，由比较器C0MP、反相器INV、第一开关管Ml、第二开关管M2、第一基准电压输入端REFl和第二基准电压输入端REF2组成；所述比较器正相输入端作为滞回模块的信号输入端，第一开关管和第二开关管分别连接在第一基准电压输入端、第二基准电压输入端和比较器反相输入端之间，比较器输出端连接反相器，反相器的输入端和输出端分别连接第二开关管和第一开关管的栅极；所述比较器的输出端作为滞回模块的输出端，所述第一基准电压输入的基准电压值高于第二基准电压。
[0026]如图2，假设初始时，输入信号IN为零，比较器输出TRout为低，第一开关管导通，第一基准电压REFl接到比较器的负输入端。当输入信号IN的电压超过第一基准电压REFl时，比较器输出TRout跳变为高电平，而当比较器输出TRout跳变为高后，第一开关管Ml关闭，第二开关管M2导通，比较器的负输入端电压切换为较低的第二基准电压REF2。而当输入信号IN低于关断电压REF2，比较器输出Trout回复为低电平，即零电位。
[0027]第一基准电压REFl和第二基准电压REF2之间的差值即为对输入信号的滞回，构造该滞回的作用在于使该信号转换电路的输出信号TRout不会因为输入信号IN在参考电压附近的微小波动而使输出快速振荡。如图4所示，假设输入信号为三角波，输出信号TROUT高电平中的T2时间段即为本滞回电路产生的滞回，实际提供了一个脉宽由两个基准电压差值决定的最小脉宽宽度。
[0028]同时滞回模块将输入的可控娃信号或PWM信号转换为输出TRout端的信号,Trout输出的高低电平为比较器的高低电平，通常与后续电路电平电位一致，即得到一个符合本发明后续电路要求的、高电平为内部电源电压VC1、低电平为零电位的方波信号，方便后续电路运作。
[0029]基准电压通常由芯片内部的基准电压模块提供，例如带隙基准等，由于基准电压往往输入到芯片中的多个电路模块使用，其余模块的工作状态可能造成基准电压值的波动，因此优选设置滤波电路，如图2所示，第一开关管和第二开关管与比较器的反相输入端之间分别连接有第一滤波电阻，所述比较器的反相输入端与地之间连接有第一滤波电容，组成RC低通滤波器，滤除高频杂波。
[0030]可控硅电流模块的作用在于当使用可控硅调光方式时，为可控硅提供导通电流。但这个导通电流不是时刻都存在的。当第一滞回模块的输出为高时，可控硅输出电流已经为较高的电流值，此时可控硅电流模块不需要输出导通电流。当第一滞回模块的输出为低时，可控硅输出电流在没有可控硅电流模块的情况下，其输出电流会较低，而可控硅输出电流较低时可控硅无法正常导通，会出现错误情况。这时需要可控硅电流模块额外产生一个可控硅导通电流，维持可控硅在低压区时的正常工作。
[0031]可控硅电流模块与第一滞回模块的输出端连接，根据第一滞回模块输出信号的高低电平状态，关闭或输出可控硅导通电流。
[0032]如图3给出可控硅电流模块的一种【具体实施方式】，可控硅电流模块包括串联在电源与地之间的分压电阻串和第三开关管，所述分压电阻串的中间节点与三极管放大级的基极电流输入端连接，所述分压电阻串中从中间节点到地的电阻部分并联有第四开关管，所述第三开关管和第四开关管的栅极分别连接第一滞回模块中反相器的输出端和输入端。
[0033]第三和第四开关管的输入端与第一滞回模块的输出信号连接，在图3所示的【具体实施方式】中，第三和第四开关管均为NMOS管，由于连接的信号反向，第三开关管开启时，第四开关管关闭，此时从电源VCC到地形成一条电流通路，分压电阻串由第一分压电阻R2和第二分压电阻R3组成，两个分压电阻的公共节点输出电流，为减小分压电阻上的功耗，通常R2和R3阻值较大，也可以如图2所示，在该支路上串联基极电流电阻R4，使得流过R2或R3的电流只产生微弱功耗，此时应在公共节点连接三级管放大电路，可以采用一个三极管的形式，但一般采用两个三极管，三极管的电流方大倍数通常在几十到上百，当输出的基极电流在微安量级时，可以在三极管的电流放大输出端得到数十到上百毫安的电流。也可以采用更多三极管级联的方式，前一三极管的发射极连接后一三极管的基极，集电极连接在一起作为三极管放大级的电流放大输出端。
[0034]第二滞回模块的输入端与第一滞回模块的输出端均连接至所述模拟电压输入端，所述第二滞回模块的输出端连接至所述开关控制端。优选方式也可以如图1所示，在第二滞回模块的输入端到地之间连接第二滤波电容C2，所述第二滞回模块的输入端与模拟电压输入端之间连接有第二滤波电阻R5，所述模拟电压输入端和第一滞回模块输出端之间连接有限流电阻R6，在模拟电压输入端作为芯片的外部引脚时，可以起到隔离外部高压冲击，滤掉引脚杂波的作用。
[0035]对米用上述电路结构的LED驱动芯片,第一滞回电路的信号输入端、模拟电压输入端、三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚，以下阐述如何实现各种LED调光方式。
[0036]传统的模拟调光方式最为简单,直接将模拟电压从模拟电压输入端引脚输入即可。如图1所示，通常的设定方式为，当输入电压为内部电源电压VCl时，LED输出电流为最大值，即100%调光输出；随着输入到模拟电压输入端电压值的下降，调光输出电流逐渐减小。
[0037]对于直接的PWM调光或可控娃调光，调光信号均从第一滞回电路的信号输入端输入，经过第一滞回电路和第二滞回电路的整形，第二滞回电路的输出端直接控制LED调光模块的开关控制端，控制LED灯间隔开关。其中可控硅调光模块在进行可控硅调光时，可以在分压电阻串的中间节点处外接三极管放大级，放大电流作为可控硅调光时的导通电流，实现可控硅调光。
[0038]若采用可控硅调光，对LED灯实现模拟调光或PWM调光，通过如下方式实现: 若在模拟电压输入端2端连接一个积分电容C3到地，则调光方式为模拟调光。由开关
电容相关知识可知，2端电压大小等于第一滞回模块输出的方波信号TRout端的占空比D与比较器的电源电压乘积，积分电容C3将输出的该方波信号转化为2端的模拟电压信号，通过LED调光电路实现调光功能。若模拟电压输入端2端不连接积分电容，则调光方式为PWM调光。第一滞回电路输出的方波脉冲信号直接传输到第二滞回电路，第二滞回电路的输出与第一滞回电路的输出信号同步同相，控制LED驱动的开启关断，从而实现PWM调光。为了使可控硅可以正常工作，本发明在可控硅输出进入低压区时，可控硅电流模块输出电流经过外部调光三极管放大，为可控硅提供导通电流。
[0039]积分电容C3通常容值较大，达到微法级，不适于集成在芯片内部，通常利用外接电容实现。
[0040]若采用PWM调光方式，调光原理与前面描述的可控硅调光方式相同，都是将PWM信号加载在第一滞回模块的信号输入端，根据是否在模拟电压输入端是否连接积分电容C3，来决定调光方式是模拟调光还是PWM调光。因为PWM调光不需要导通电流，此时不用外接三极管进行电流放大。
[0041]本发明所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，在具体应用于LED驱动芯片中时，将第一滞回电路的信号输入端、模拟电压输入端、三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚封装外露，其余器件均集成在芯片内部，三极管放大级所用的三极管器件可以集成在芯片内部，也可以在芯片外部搭接三极管放大级，此时分压电阻串的中间节点替代三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚，该引脚与第一个三极管的基极连接，从该引脚处引出的电流作为第一个三极管的基极电流，实现提供可控硅导通电流Ihold的目的。
[0042]本发明利用一套集成在芯片内部的转换电路，以及选择添加少量外部器件，可以自由地在模拟调光、可控娃调光、或PWM调光方式之间切换使用,选择最合适的调光方式来对LED驱动进行调光控制。
[0043]前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.可控硅、模拟、PWM调光通用电路，应用于LED调光，包括LED电流设定模块，所述LED电流设定模块包括用于设定LED电流的模拟电压输入端及一个控制LED导通与否的开关控制端； 其特征在于，还包括第一滞回模块，可控硅电流模块，第二滞回模块； 所述第一及第二滞回模块对周期变化的输入信号进行整形，输出与输入信号频率相同，脉宽受控的方波信号，方波信号的高电平宽度由输入到该滞回模块的基准电压决定； 所述可控硅电流模块与第一滞回模块的输出端连接，根据第一滞回模块输出信号的高低电平状态，关闭或输出可控硅导通电流； 所述第二滞回模块的输入端与第一滞回模块的输出端均连接至所述模拟电压输入端，所述第二滞回模块的输出端连接至所述开关控制端。
2.如权利要求1所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其特征在于，滞回模块由比较器、反相器、第一开关管、第二开关管、第一基准电压输入端和第二基准电压输入端组成； 所述比较器正相输入端作为滞回模块的信号输入端，第一开关管和第二开关管分别连接在第一基准电压输入端、第二基准电压输入端和比较器反相输入端之间，比较器输出端连接反相器，反相器的输入端和输出端分别连接第二开关管和第一开关管的栅极；所述比较器的输出端作为滞回模块的输出端，所述第一基准电压输入的基准电压值高于第二基准电压。
3.如权利要求2所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其特征在于，所述可控硅电流模块包括串联在电源与地之间的分压电阻串和第三开关管，所述分压电阻串的中间节点与三极管放大级的基极电流输入端连接，所述分压电阻串中从中间节点到地的电阻部分并联有第四开关管，所述第三开关管和第四开关管的栅极分别连接第一滞回模块中反相器的输出端和输入端。
4.如权利要求3所述的一种可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其特征在于，所述三极管放大级包括一个三极管或多个级联三极管，级联方式为前一三极管的发射极连接后一三极管的基极，集电极连接在一起作为三极管放大级的电流放大输出端。
5.如权利要求2所述的一种可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管与比较器的反相输入端之间分别连接有第一滤波电阻，所述比较器的反相输入端与地之间连接有第一滤波电容。
6.如权利要求1所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其特征在于，所述第二滞回模块的输入端到地之间连接有第二滤波电容，所述第二滞回模块的输入端与模拟电压输入端之间连接有第二滤波电阻，所述模拟电压输入端和第一滞回模块输入端之间连接有限流电阻。
7.LED驱动芯片，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，其中第一滞回电路的信号输入端、模拟电压输入端、三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚。
8.如权利要求7所述的LED驱动芯片，其特征在于，包括如权利要求3至4任意一项所述的可控硅、模拟、PWM调光通用电路，所述分压电阻串的中间节点替代三极管放大级的电流放大输出端作为芯片引脚。
【文档编号】H05B37/02GK103957648SQ201410210008
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】朱樟明, 黄山圃, 邓俊海, 刘洪涛, 强玮 申请人:成都启臣微电子有限公司