CN102143629B - 用于市电led灯驱动的高压单片集成电路(xl5002) - Google Patents

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Abstract

用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路，包括启动电路、偏置电路、电压基准、误差放大器、频率补偿、比较器、振荡器、过热保护、过流保护、PWM锁存器和驱动器和高压开关功率管；其中启动电路连接到高压电源端和外部启动信号触发端，实现自启动功能；偏置电路和电压基准提供整个芯片内各模块工作所需要的偏置电流源，工作电压，基准电压，比较电压等；误差放大器连接到外部电流采样端和比较电压端，误差放大器的输出和振荡器输出的三角波信号在比较器中比较放大，产生PWM(脉宽调制)信号；过热保护和过流保护控制PWM锁存器，起到安全保护作用；PWM锁存器和控制器驱动高压开关管；频率补偿对整个回路做动态补偿。

Description

用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路(XL5002)
技术领域
本发明是一颗直接用于市电供电的LED照明恒流驱动的高压单片集成电路。本发明可以直接驱动各种常规的LED模块或单元，实现简单、高效、节能的市电LED节能灯、市电LED日光灯、市电LED广告灯、市电LED幕墙等方案。
背景技术
LED照明作为一种新型的光源，以其高可靠性、节能环保、长寿等优异的特性正在不断成长发展和逐渐得到大规模的应用和普及；
针对照明领域，在各国政府和社会组织的大力倡导和积极扶持下，未来LED节能灯和LED日光灯逐步取代传统的节能灯和日光灯进入家庭照明将成为LED照明技术发展的必然趋势；
从技术上看，除了LED发光器件本身的性能外，决定LED照明灯性能的核心是LED驱动电路的品质，驱动电路的优劣决定了LED灯的发光效率、寿命、可靠性、光衰减等关键特性。
由于LED器件本身为低压(常规为3.2V～3.6V)恒流驱动，而高压交流市电(交流电220V或110V)必须经过AC/DC变换，先转换为一个比较低的直流电压(一般为12V～60V之间)，然后再经过一个恒流驱动的低压集成电路来驱动LED器件发光。
因此，常规的市电LED照明灯方案一般是交流电先经过工频变压器、或电子变压器、或开关电源转换为低压直流再经过恒流驱动来实现的；这些方案由于存在变压器、AC/DC变换电路比较复杂、驱动电路本身需要散热等因素制约，使得整个驱动电路部分的体积无法做到很小，结果造成设计出的市电节能灯或日光灯成品无法兼容现有的灯具标准接口，或者体积受限无法直接取代现有的节能灯，有时候必须更换整套照明灯具，这严重制约了LED照明灯的大规模快速推广应用，鉴于此，市场期望能有在外形上可以直接取代常规节能灯的LED灯，不改变现有的灯具和装修布线，可以简单直接的取代现有常规的节能灯或日光灯；
本发明提供一颗简单、高效、长寿、小巧的LED市电高压单片驱动集成电路，通过简单的***设计和连接，可以设计出复合小体积需求的LED节能灯或LED日光灯。
发明内容
本发明采用创新的电路结构和独立开发的制造工艺，设计制造出一颗高压的单片直流-直流恒流转换集成电路，常规市电经过整流滤波后的直流高压直接加到集成电路的输入端，集成电路的输出端直接输出低压恒流来驱动LED管芯发光；
本发明是一颗用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路驱动器，包括启动电路、偏置电路、电压基准电路、误差放大器、频率补偿电路、比较器、振荡器、过热保护电路、过流保护电路、PWM锁存器和驱动器和高压开关功率管；其中启动电路连接到高压电源输入端和外部启动信号触发端，实现自启动功能；偏置电路和电压基准电路提供整个芯片内各模块工作所需要的偏置电流源，工作电压3.3V，基准电压1.25V，比较电压0.25V、0.3V等；误差放大器连接到外部电流采样引脚端和比较电压0.25V，误差放大器的输出和振荡器输出的三角波信号在比较器中比较放大，产生PWM脉宽调制信号；过热保护电路和过流保护电路控制PWM锁存器，起到安全保护作用；PWM锁存器和控制器驱动高压(600V)VDMOS开关管工作在开关状态；频率补偿电路对整个回路做动态补偿，来确保回路的工作稳定性；
本发明的工作原理是：工作在开关状态，直接把高压直流电高效率的变换为低压直流电，适时监测输出电流的变化，根据输出电流的变化来快速调整高压开关管的占空比(导通时间)，从而达到输出恒流的功能；
附图说明
图1是本发明“用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路(XL5002)”的内部方框图；
图2是本发明“用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路(XL5002)”实现的市电LED节能灯典型应用电路示意图；
具体实施方式
图1是本发明“用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路(XL5002)”芯片100的内部方框图；启动电路101具有芯片100的高压电源输入端和外部启动信号输入端(管脚序号P3和P1)，它使芯片100启动，为偏置电路102和电压基准电路103供电；偏置电路102提供整个芯片100内各模块工作所需要的偏置电流源；电压基准电路103为芯片100内各模块提供3.3V的工作电压，为误差放大器104提供精确的电压基准0.25V，同时还为过流保护电路110提供精确的电压基准0.3V；误差放大器104采样芯片100的输出电流采样端(管脚序号P5)，与基准电压0.25V比较放大，输出的误差信号进入比较器106进行比较；振荡器107产生固定频率(65Khz)固定占空比(90％)的信号，一路输出送到比较器106的正输入端，为三角波信号，低电平为0.7V，高电平为1.9V，频率为65Khz，占空比为90％；另一路输出送到PWM锁存器和驱动器109的输入端，为固定方波信号，低电平为0V，高电平为0.8V，占空比为10％，当此信号为高电平时，输出开关管被关断；比较器106把误差放大器104输出的误差信号和振荡器107输出的三角波信号进行比较放大，输出PWM脉宽调制信号；过热保护电路108适时监测芯片100的结温，当结温大于165度时，发出控制信号给PWM锁存器和驱动器109，关断输出开关管，保护芯片100不致过热损坏；过流保护电路110适时监测芯片100的输出电流的大小，当输出电流的采样电压大于0.3V时，发出控制信号给PWM锁存器和驱动器109，关断输出开关管，保护芯片100不致过流损坏；PWM锁存器和驱动器109接收正确的PWM信号，同时执行过热保护和过流保护信号的请求，输出匹配的控制信号去驱动高压开关111管电路；高压开关111电路为芯片100内集成的600V高压高速NMOS开关，专门为本发明应用优化的特殊的芯片制造工艺，可以满足高压开关111稳定工作在1％的导通占空比上，这样一来可以满足从300V高压直流到单颗LED灯供电所需的3.2V低压直流的直接变换；
图2是本发明“用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路(XL5002)”实现的市电LED节能灯典型应用电路示意图200；图中的所有器件的参考指标见下表：
  器件编号   器件类型   参数指标
  100   集成电路   XL5002
  201   高压整流桥   600V/1A
  202   高压滤波电容   电解电容10uf/400V
  203   高压NPN三极管   13001
  204   金属膜电阻   560K 1/4W
  205   低压电解电容   22uf/16V
  206   高压肖特基二极管   600V 1A
  207   金属膜电阻   0.25ohm 1/4W
  208   贴片电感   1mh/1A
  209   低压电解电容   100uf/16V
  210   LED管芯(一颗或若干颗串联)   3W
常规交流市电(85V～265V)经整流桥201和高压滤波电容202整流滤波后产生的直流高压(120V～380V)直接输入到芯片100的高压输入端(管脚序号P3)，高压三极管203和电阻204产生的启动信号直接连到芯片100的启动端(管脚序号P1)和电压滤波端(管脚序号P2)，芯片100的P2和P4端外接低压滤波电容205；芯片100的输出端(管脚序号P5)串联电流采样电阻207后接在储能电感208上，同时P5接在高压续流肖特极二极管的负端；电感208的输出经过低压滤波电容209后变为纯净的低压直流电压，该电压直接给LED管芯210做恒流驱动；
本发明芯片100的技术核心是：
[1]不需要常规开关变压器实现高压直流到低压直流的转换；单片全功能集成设计，使得***器件少，***体积小，更加方便、灵活、容易集成到LED灯具内；
[2]由于开关电源转换芯片100和***的负载(LED管芯)是串联连接，因此，流过芯片100的电流均全部流到了输出，***的转换效率很高，比常规方案更节能高效；
[3]由于芯片100内功能全集成，同时具备过温保护、过流保护、短路保护等完善的安全保护机制，因此***的可靠性、稳定性、安全性更高；同时驱动电路本身由于效率高，损耗小，发热量更低，同比在长寿、节能等指标上有明显提高。

Claims (4)

1.用于市电LED灯驱动的高压单片集成电路，包括启动电路、偏置电路、电压基准电路、误差放大器、频率补偿电路、比较器、振荡器、过热保护电路、过流保护电路、PWM锁存器和驱动器、高压开关；还包括五个管脚，P1为外部启动信号输入管脚START、P2为电压滤波管脚VREG、P3为高压电源输入管脚VIN、P4为公共地管脚CSN、P5为输出电流采样管脚CSP；启动电路连接到高压电源输入管脚VIN和外部启动信号输入管脚START，实现自启动功能；偏置电路和电压基准电路连接到电压滤波管脚VREG；偏置电路提供各模块工作所需要的偏置电流源；电压基准电路提供各模块工作所需要的3.3V的工作电压；频率补偿电路连接到误差放大器的输出端；误差放大器输入端连接输出电流采样管脚CSP和由电压基准电路产生的0.25V比较电压，误差放大器的输出和振荡器输出的三角波信号在比较器中比较放大，产生PWM脉宽调制信号，送入PWM锁存器和驱动器；过热保护电路和过流保护电路输出信号送入PWM锁存器和驱动器；PWM锁存器驱动器驱动高压开关电路工作在开关状态。
2.如权利要求1所述集成电路，该集成电路是全功能集成的高压的、工作在开关状态、靠PWM脉宽控制模式，实现从高压直流转换为低压直流，具有恒流输出功能的集成电路；***应用时，常规市电经过整流滤波后的直流高压直接加到集成电路的P3高压电源输入管脚VIN，集成电路的P5输出电流采样管脚连接储能电感和续流二极管后输出低压恒流来驱动LED管芯发光。
3.如权利要求2所述集成电路，该集成电路用在市电LED灯驱动的***应用中，输入端接市电经过整流滤波后的直流高压时，流入集成电路的电流都流出集成电路的P5输出电流采样管脚CSP，然后经P5流到负载；集成电路自身的静态电流没有流到高压直流的地线端，集成电路自身的功耗大幅减小。
4.如权利要求3所述集成电路，其特征还在于，用该集成电路设计的市电LED灯中，输出驱动单颗LED管芯，或驱动若干颗串联的LED管芯；最多可以支持串联的LED管芯数量取决于市电电压，当市电电压为220V时，最多可以串联70颗LED管芯；当市电电压为110V时，最多可以串联35颗LED管芯；另外，该集成电路的输出恒流电流的大小可以通过外面的采样电阻来调整，可以驱动常规的1W、3W、5W LED管芯组成的串或串并联组合，也可以驱动小的白光二极管串并联组合的阵列。
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