CN102802324A - 一种双环路驱动*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双环路驱动***，具体包括：整流模块、误差放大器、压控振荡器、死区时间产生模块、电压电流转换器、电流减法器、第一电容、比较器，第一或门、驱动模块、第二电容、第一电感、第一变压器、第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第三电容、第二电感、第三电感、第二变压器和一双刀双掷开关。本发明的双环路驱动***用于LED驱动时，在模拟调光环路的基础上，集成了精确PWM调光环路，在模拟调光环路正常调整的前提下，根据LED上的实时电流，动态改变外界输入到实际参与调光的PWM信号的占空比，很大程度地提高了PWM调光的精度。

Description

一种双环路驱动***

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种适用于谐振变换器的高精度双环路驱动***，可以应用于大功率、高频率的LED驱动中。

背景技术

电源管理芯片在电子设备***中担负着对电能的转变、分配、检测及其他电源管理的职能，因此电源管理芯片对电子***而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能也有着直接的影响。LLC谐振变换器作为新兴的电源管理芯片的***架构，有着开关损耗小，器件的应力和尺寸小，电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）小等优点，因此在大功率、高功率的驱动器***中得到了广泛的应用。

LLC谐振变换器驱动***一般用于双路或多路的LED或其他负载的驱动***，为了提高采样精度和更好的平衡各路之间的误差，在驱动LED时多采用正负并联的两路负载LED1、LED2，变压器输出电压Vsout为正的时候LED1被驱动的同时对电容C1充电，与此同时电容C2放电驱动LED2；变压器输出电压Vsout为负的时候LED2被驱动的同时对电容C2充电，与此同时电容C1放电驱动LED1。由于LED并联电容的存在使得此***环路建立需要一定的时间，并且由于控制环路的建立受环路带宽和电路摆率的限制，也需要一定的时间，因此会降低PWM调光精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决LLC谐振变换器驱动***存在的上述问题，本发明提出一种双环路驱动***。

本发明的技术方案是：一种双环路驱动***，具体包括：整流模块、误差放大器、压控振荡器、死区时间产生模块、电压电流转换器、电流减法器、第一电容、比较器，第一或门、驱动模块、第二电容、第一电感、第一变压器、第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第三电容、第二电感、第三电感、第二变压器和一双刀双掷开关，其中，

所述整流模块的输入端作为所述双环路驱动***的反馈采样输入端，整流模块的输出端和误差放大器的负向端以及电压电流转换器的第一输入端相连，误差放大器的正向输入端用于输入外部模拟调光参考电平；误差放大器的输出端和压控制振荡器的输入端相连，压控振荡器的输出端和死区时间产生模块的输入端相连，压控振荡器用于产生一个输出频率随误差放大器输出的电压信号变化相反的时钟信号；死区时间产生模块根据输入的时钟信号产生两路具有一定死区时间的互补的方波信号分别输入到驱动模块的两个输入端；误差放大器的正向输入端和电压电流转换器的第二输入端与双刀双掷开关相连，所述的双刀双掷开关由外部的PWM信号控制，当PWM信号为高时，电压电流转换器的第二输入端和误差放大器的正向端相连，当PWM信号为低时，电压电流转换器的第二输入端和地电位相连。电压电流转换器的第一、第二输出端分别和电流减法器模块的正向端、负向输入端相连；电流减法器模块的输出端和第一电容的一端、比较器的正向端相连，第一电容的另一端接地电位，比较器的负向端接外部输入的参考电压，比较器的输出端接第一或门的第一输入端，第一或门的第二输入端输入外部的PWM信号，第一或门的输出端和驱动模块的控制端相连；驱动模块输出的同频率的输出的两路具有一定死区时间的互补的方波信号分别输入到第一电感的第一端以及经第二电容到第一电感的第二端；第一电感的两个端子还分别与第一变压器的两个输入端相连；第一变压器的第一次级输出端与第一NMOS开关管的栅极和源极相连，用于驱动第一NMOS开关管，第一NMOS开关管的漏极接外部的高压电源；第一变压器的第二次级输出端与第二NMOS开关管的栅极和源极相连，用于驱动第二NMOS开关管；第二NMOS开关管的源极还藕接于地电位，第二NMOS开关管的漏极和第一NMOS开关管源极及第三电容的一端相连，第三电容的另一端通过第二电感和第二变压器的第一输入端以及第三电感的一端相连，第二变压器的第二输入端以及第三电感的另一端、第二变压器的第二次级输出端藕接于地电位，第二变压器的第一次级输出端作为所述驱动***的输出端。

本发明的有益效果：以LED驱动为例，本发明的双环路驱动***，在模拟调光环路的基础上，集成了精确PWM调光环路。在模拟调光环路正常调整的前提下，根据LED上的实时电流，动态改变外界输入到实际参与调光的PWM信号的占空比，很大程度地提高了PWM调光的精度；此外在PWM为高的时间内，分别采样正负两路LED电流，通过模拟调光环路实现精确地LED的恒流驱动，使得各路LED之间的亮度差异最小，提高了模拟调光的精度。

附图说明

图1为本发明提出的双环路驱动用于LED驱动中的结构框图。

图2为本发明提出的双环路驱动***工作原理示意图。

图3为模拟调光环路仿真结果图。

图4为PWM调光环路仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图，以LED驱动为例对本发明的双环路驱动做进一步的说明。

如图1所示，本发明的双环路驱动***，具体包括：整流模块Rectifier、误差放大器EA、压控振荡器VCO、死区时间产生模块Dead Time Generator、电压电流转换器V_IConverter、电流减法器Current Subtractor、第一电容Cc、比较器Comparator，第一或门Or1、驱动模块Driver、第二电容Cr1、第一电感Lp1、第一变压器TX1A、第一NMOS开关管Q1、第二NMOS开关管Q2、第三电容Cr2、第二电感Lr2、第三电感Lp2、第二变压器TX2A和一双刀双掷开关，其中，

所述整流模块Rectifier的输入端IN作为所述双环路驱动***的反馈采样输入端ISNS，整流模块Rectifier的输出端OUT和误差放大器EA的负向端以及电压电流转换器的第一输入端B相连，误差放大器的正向输入端用于输入外部模拟调光参考电平Vref1；误差放大器EA的输出端和压控振荡器VCO的输入端相连，压控振荡器VCO的输出端和死区时间产生模块Dead Time Generator的输入端相连，压控振荡器VCO用于产生一个输出频率随误差放大器输出的电压信号变化相反的时钟信号CLK；死区时间产生模块根据输入的时钟信号产生两路具有一定死区时间的互补的方波信号CLK_1和CLK_2分别输入到驱动模块的两个输入端1和2；误差放大器EA的正向输入端和电压电流转换器V_I Converter的第二输入端A与双刀双掷开关相连，所述的双刀双掷开关由外部的PWM信号控制，当PWM信号为高时，电压电流转换器V_I Converter的第二输入端A和误差放大器EA的正向端相连，当PWM信号为低时，电压电流转换器V_I Converter的第二输入端A和地电位相连；电压电流转换器V_I Converter的第一、第二输出端C、D分别和电流减法器模块的正向端、负向输入端相连；电流减法器模块的输出端和电容Cc的一端、比较器Comparator的正向端相连，Cc的另一端接地电位，比较器Comparator的负向端接外部输入的参考电压Vref2，比较器Comparator的输出端接第一或门Or1的第一输入端E，第一或门的第二输入端F输入外部的PWM信号，第一或门Or1的输出端和驱动模块Driver的控制端3相连；驱动模块Driver输出的同频率的输出的两路具有一定死区时间的互补的方波信号A_OUT、B_OUT分别输入到第一电感Lp1的第一端以及经第二电容Cr1到第一电感Lp1的第二端；第一电感Lp1的两个端子还分别与第一变压器TX1A的两个输入端相连；第一变压器TX1A的第一次级输出端与第一NMOS开关管Q1的栅极和源极相连，用于驱动第一NMOS开关管Q1，Q1的漏极接外部的高压电源VDC；第一变压器TX1A的第二次级输出端与第二NMOS开关管Q2的栅极和源极相连，用于驱动第二NMOS开关管Q2；Q2的源极还藕接于地电位，Q2的漏极和Q1的源极及第三电容Cr2的一端相连，Cr2的另一端通过第二电感Lr2和第二变压器的TX2A第一输入端以及第三电感Lp2的一端相连，TX2A的第二输入端以及Lp2的另一端、第二变压器TX2A的第二次级输出端藕接于地电位，第二变压器TX2A的第一次级输出端作为所述驱动***的输出端Vsout。

需要说明的是：高压电源VDC可以根据NMOS开关管的实际情况进行选取，其含义对于本领域技术人员来说是清楚的；“一定死区时间”也是可以根据实际情况通过改变死区时间产生模块的电路参数进行调整；图1中的体二极管D1和D2分别是Q1和Q2的寄生的；驱动模块Driver可以采用现有的结构，只要满足双端输出和足够的输出电流即可，本领域技术人员可以根据实际需要进行选取；第一电感Lp1，第一变压器TX1A构成了第一变压器单元TX1；第二电感Lr2，第三电感Lp2，第二变压器TX2A构成了第一变压器单元TX2。

图1中是以LED驱动为例进行说明的，LED负载为正负并联的两路负载LED1、LED2，具体构成为：第一整流二极管Dr1，第二整流二极管Dr2，第四电容C第五电容C1，第六电容C2，第一LED灯串负载LED1和第二LED灯串负载LED2以及第一采样电阻Rs，其中，第一采样电阻Rs的一端接地电位，另一端和第一LED灯串负载LED1的负向端、第二LED灯串负载LED2的正向端、第五电容C1的B端、第六电容C2的A端相连作为反馈采样输出端；第四电容Cd的一端与驱动***的输出端相连，另一端和第一整流二极管Dr1的正向端、第二整流二极管Dr2的负向端相连，此外第一整流二极管Dr1的负向端和第五电容C1的A端、第一LED灯串负载LED1的正向端相连，第二整流二极管Dr2的正向端和第六电容C2的B端、第二LED灯串负载LED2的负向端相连。

下面以LED驱动为例说明本发明驱动***的原理。

如图1所示，采用本发明驱动***的LED驱动***包括两个环路：

模拟调光环路：由整流模块Rectifier、误差放大器EA、电压控制振荡器VCO、死区时间产生模块Dead Time Generator、驱动模块Driver、Cr1、TX1、Q1、Q2、Cr2、TX2、Cd、Dr1、Dr2、C1、C2、LED1和LED2以及采样电阻Rs组成，是整个***的主环路也是模拟调光环路，其中，Rectifier的主要功能是把正负相的全波采样电压信号整流成正相的半波信号以便于芯片内部对采样信号的处理，此外此模块的输出作为误差放大器EA的负向输入信号；EA的主要功能是放大模拟调光参考电平（正向端输入信号）和反馈信号（负向端输入信号，也就是经过整流的LED电流采样信号）的差值，输出控制压控振荡器VCO；VCO的主要功能是产生一个跟随输入电压信号（误差放大器EA的输出）的变化，输出频率相反变化的时钟信号；死区时间产生模块的主要功能是根据输入的时钟信号产生两个具有一定死区时间的互补的方波信号。

PWM调光环路：由整流模块Rectifier、电压电流转换器V_I Converter、电流减法器Current Subtractor、第一电容Cc、比较器Comparator、Or1、驱动模块Driver、Cr1、TX1、Q1、Q2、Cr2、TX2、Cd、第Dr1、Dr2、C1、C2、第一LED灯串负载LED1、LED2以及第一采样电阻Rs组成，是整个***的附环路也是PWM调光环路，其中，V_I Converter的主要功能是把电压信号转换为电流信号；Current Subtractor模块实现两个电流的相减，产生误差电流信号并积累在电容Cc上。

下面分别对这两个环路的恒流原理进行分析说明：

1、模拟调光环路：

第一采样电阻Rs采样LED灯串上的电流（在输出电压V_SOUT为正时采样灯串LED1的电流，在输出电压V_SOUT为负时采样灯串LED2的电流），整流、放大之后作为误差放大器的负向输入端，和误差放大器EA正向输入端的模拟调光参考电平比较放大之后，输出控制压控振荡器VCO，改变***的工作频率，VCO输出的时钟线号CLK经过死区时间产生模块DeadTime Generator之后，产生两个具有一定死区时间的互补方波信号控制驱动模块Driver，在模拟调光模式下，驱动模块Driver的输出信号A_OUT，B_OUT也是同频率的有一定死区时间的互补的方波信号，它们经过隔离型驱动变压器TX1升压之后控制功率开关管的开关，由图一可知当驱动模块Driver的输出A_OUT为高，B_OUT为低时，功率开关管Q1开启，Vs点的电压为VDC，当驱动模块Driver的输出B_OUT为高，A_OUT为低时，功率开关管Q2开启，Vs点的电压为0，因此Vs的电压是一个幅值为VDC的方波电压，它的频率由驱动模块的输出信号的频率决定，这个方波经过由Cr2，Lr2，Lp2，组成的LLC谐振网络之后在经过理想变压器输出驱动LED灯串，当功率开关管Q1开启时，Vsout输出为正电压，灯串LED1由Vsout电压驱动，此外Vsout电压为第五电容C1充电，灯串LED2由第六电容C2驱动；当功率开关管Q2开启时，Vsout输出为负电压，灯串LED2由Vsout电压驱动，此外Vsout电压为第六电容C2充电，灯串LED1由第五电容C1驱动。这样当LED灯串上的电流过高时，采样电压过高，使得误差放大器EA输出电压降低，VCO输出的时钟信号CLK的频率升高，驱动模块Driver的输出信号A_OUT，B_OUT的频率升高，那么功率开关管Q1，Q2的开关频率升高，Vs点电压的频率升高，由LLC谐振变换器的工作特性可知，第二变压器TX2输出电压降低，LED电流减小，这样整个环路形成负反馈，达到恒流的效果。当LED灯串上的电流降低时原理相同。因此本发明提出的适用于谐振变换器的高精度双环路驱动***分别对两路负载的每一路进行采样之后，分别调节，达到恒流的目的，减小各路负载之间差异的同时提高了模拟调光的精度。

2、PWM调光环路：

在外界PWM信号为高时，第一采样电阻Rs采样LED灯串上的电压经过Rectifier整流处理后，与模拟调光参考电平通过V_I Converter之后被送入电流减法器Current Subtractor进行减法运算，此时Current Subtractor输出电流对Cc充电，改变Vc点的电压；在外界PWM信号为低时，采样电阻Rs采样LED灯串上的电压经过Rectifier整流处理后和零参考电平通过电压电流转换器V_I Converter之后被送入电流减法器Current Subtractor进行减法运算，电流减法器Current Subtractor输出电流对电容Cc放电，使Vc点的电压降低。Vc点的电压和第二参考电平Vref2通过比较器Comparator比较之后和外界输入的PWM信号通过Or1进行或预算，这部分电路实现根据LED上的实际电流调节外界PWM信号的占空比，从而提高PWM调光的精度。此后实际参与PWM调光的PWM信号即Or1的输出ACU_PWM控制驱动模块Driver的输出的开启和关断，进而控制LED灯串的开启和关断。这样在PWM信号为高时，环路通过EA主环路实现恒流目的，在PWM信号为低时，关断LED，实现PWM调光。此外若在一个PWM为高的周期内LED上的平均电流降低时，采样电压降低，电流减法器Current Subtractor的输出电流对电容Cc充电，使得Vc点电压升高，比较器Comparator的输出信号在PWM信号降为低电平之后仍为高电平直至Vc点电压降至第二参考电平Vref2以下，那么实际参与PWM调光的PWM信号即第一或门Or1的输出ACU_PWM的占空比升高，如图2所示，则一个周期内的LED的平均电流升高，提高PWM调光精度。因此本发明提出的适用于谐振变换器的高精度双环路驱动***根据负载电流实际值的大小动态的调节实际参与调光的PWM信号的占空比。

对于Vref1，因为其是误差放大器EA的输入信号，因此只要满足Vref1在误差放大器EA的共模输入范围即可。对于Vref2，这个固定的参考电压应该是在芯片软启动结束后，***环路开始工作时，电容Cc上的初始电压，一般为芯片内部电源电压VDD的一半。

本发明提出的双环路驱动***瞬态特性仿真结果分别如图3、图4所示。

图3是模拟调光环路仿真结果，其中，I_LED表示LED负载上电流；V_EAOUT表示误差放大器EA的输出电压，用来表示***环路的稳定性；V_SOUT表示变压器TX2的次级端输出电压；V_ISNS表示LED灯串的采样电压；V_ISNSA表示采样电压经过整形之后的电压。由此图可以看出每路LED单独采样，得到的采样电压V_ISNS波形为正弦信号，经过Rectifier模块整形之后变成大于零的半波信号再进行处理，这样两路LED单独地得到反馈信号，单独实现恒流输出，减小各路负载之间差异的同时提高了模拟调光的精度。

图4模拟调光环路仿真结果，其中，I_LED表示LED负载上电流的；Vc表示电流减法器的输出电压；PWM和ACU_PWM分别是外界输入的PWM信号和实际参与调光控制的PWM信号。由此图可以看出若无高精度调光环路，采用传统的PWM调光，在60%占空比，周期为3.5ms的PWM信号作用下，LED的平均电流为82mA，相比于预设值105mA，平均电流损失22%；若集成高精度调光环路在60%占空比，周期为3.5ms的PWM信号作用下，LED的平均电流为100mA，相比于预设值105mA，平均电流损失只有5%，因此相比于传统的模拟调光此***的PWM调光精度得到了大幅度的提高。

综上可以看出，本发明的适用于谐振变换器的高精度双环路驱动***根据负载的实时电流调节实际参与调光的PWM信号的占空比，从而很大程度地提高了基于LLC谐振变换器驱动***的PWM调光精度，减小了各路灯串之间的误差；此外在PWM为高的时间内分别对每路的LED进行采样，通过模拟调光环路实现恒流驱动，也减小了各路灯串之间的误差，提高了模拟调光的精度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种双环路驱动***，具体包括：整流模块、误差放大器、压控振荡器、死区时间产生模块、电压电流转换器、电流减法器、第一电容、比较器，第一或门、驱动模块、第二电容、第一电感、第一变压器、第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第三电容、第二电感、第三电感、第二变压器和一双刀双掷开关，其中，

所述整流模块的输入端作为所述双环路驱动***的反馈采样输入端，整流模块的输出端和误差放大器的负向端以及电压电流转换器的第一输入端相连，误差放大器的正向输入端用于输入外部模拟调光参考电平；误差放大器的输出端和压控制振荡器的输入端相连，压控振荡器的输出端和死区时间产生模块的输入端相连，压控振荡器用于产生一个输出频率随误差放大器输出的电压信号变化相反的时钟信号；死区时间产生模块根据输入的时钟信号产生两路具有一定死区时间的互补的方波信号分别输入到驱动模块的两个输入端；误差放大器的正向输入端和电压电流转换器的第二输入端与双刀双掷开关相连，所述的双刀双掷开关由外部的PWM信号控制，当PWM信号为高时，电压电流转换器的第二输入端和误差放大器的正向端相连，当PWM信号为低时，电压电流转换器的第二输入端和地电位相连。电压电流转换器的第一、第二输出端分别和电流减法器模块的正向端、负向输入端相连；电流减法器模块的输出端和第一电容的一端、比较器的正向端相连，第一电容的另一端接地电位，比较器的负向端接外部输入的参考电压，比较器的输出端接第一或门的第一输入端，第一或门的第二输入端输入外部的PWM信号，第一或门的输出端和驱动模块的控制端相连；驱动模块输出的同频率的输出的两路具有一定死区时间的互补的方波信号分别输入到第一电感的第一端以及经第二电容到第一电感的第二端；第一电感的两个端子还分别与第一变压器的两个输入端相连；第一变压器的第一次级输出端与第一NMOS开关管的栅极和源极相连，用于驱动第一NMOS开关管，第一NMOS开关管的漏极接外部的高压电源；第一变压器的第二次级输出端与第二NMOS开关管的栅极和源极相连，用于驱动第二NMOS开关管；第二NMOS开关管的源极还藕接于地电位，第二NMOS开关管的漏极和第一NMOS开关管源极及第三电容的一端相连，第三电容的另一端通过第二电感和第二变压器的第一输入端以及第三电感的一端相连，第二变压器的第二输入端以及第三电感的另一端、第二变压器的第二次级输出端藕接于地电位，第二变压器的第一次级输出端作为所述驱动***的输出端。

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