CN107196497B - 一种用于led驱动的电流软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于LED驱动的电流软启动电路，能够实现电路启动期间输出电流平缓稳定上升，避免由于电流过冲对电路产生的一系列不良影响。该电流软启动电路包括：恒流源电路，用于通过调节运放正输入端电压，使得恒流源结构输出电流按照运放正输入端电压的变化而变化；比较器，用于将恒流源的输出电压与被设定的电压相比较，产生D触发器的时钟控制信号；D触发器，用于根据输入时钟信号的高低，产生控制电路的电平信号；斜坡电压产生电路，用于根据D触发器输出低电平信号的到来时刻，决定斜坡信号产生时机；低电平选择电路，用于对将斜坡信号与给定基准信号进行比较，选择低电平信号输出给恒流源结构中运放的正输入端。

Description

一种用于LED驱动的电流软启动电路

技术领域

本发明涉及一种用于LED驱动的电流软启动电路。

背景技术

DCDC(直流直流)转换器是一种把直流输入电压转变成有效输出固定直流电压的电 压转换器。在DCDC设计中，电路启动时输出电压与输出电流的平稳上升是很重要的，对于一般阻性负载，电路中加入电压软启动电路就可以解决输出电压与电流的过冲。但是对于LED做负载的DCDC，由于LED存在阈值电压，单单加入电压软启动电路在保证较短 的电路软启动时间的前提下不能解决在LED达到阈值电压后输出电流的过冲。若不采取其 它措施，过冲电流极容易超出LED电流的最大限制电流而使LED烧毁。

图1为传统的LED负载的BOOST型DCDC转换器的电路结构图，图2为简化电路 示意图。图3为传统的LED负载的BOOST型DCDC转换器的仿真示意图。传统的LED 负载的BOOST型DCDC转换器只有电压软启动，电压软启动电路图如图13所示，其工 作原理是：电路使能前，EN0信号为高，EN信号为低电平，SSF0信号为高电平，电容进 行放电。电路使能后，EN0信号为低电位，EN信号为高电位。电流通过电流源镜像，对 电容C2进行恒流充电，电容两端电压VSSV信号缓慢上升，当电流两端电压到达VREF 时，比较器输出高电平，经过反向器缓冲后，输出SSOK_1信号为高，之后经过与非门SSF0 输出低电平，MOS管M21导通，VSSV信号马上上拉到VDD，充电电路将停止工作。其 仿真结果示意图如图14所示，电路生成一个斜坡信号VSSV，此时，SSOK_1输出为高电 平，认为此时软启动结束。仅有电压软启动的LED驱动可通过增加软启动时间来降低输出 电流过冲，通过改***启动时间其输出电流仿真结果对比示意图如图15所示。仅有电压 软启动的LED驱动电路的缺点是：若保证较短的启动时间则在LED导通前后，输出电流 会有较大的变化，输出电流值会有一个过冲，对电路可能产生不利影响，参见图15(a)； 若增加软启动时间则电流过冲会减小，但是会导致启动时间过长，参见图15(b)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于LED驱动的电流软启动电路，解决在DCDC启动过程中，输出电压增加到使LED两端电压达到阈值导致的输出电流过冲的问题。

本发明的解决方案如下：

该电流软启动电路包括恒流源电路、比较器COMP1、D触发器、斜坡电压产生电路和低电平选择电路；其中，恒流源电路的输出接入所述LED驱动的负载回路，并与所述比 较器COMP1的一个输入端相连；比较器COMP1用于将恒流源电路的输出电压与被设定 的电压相比较，产生下一级所述D触发器的时钟控制信号；D触发器用于根据输入的时钟 控制信号的高低，产生控制下一级所述斜坡电压产生电路的电平信号；斜坡电压产生电路 用于根据D触发器输出低电平信号的到来时刻，决定斜坡信号产生时机，提供斜坡信号给 下一级所述低电平选择电路；低电平选择电路用于将输入的斜坡信号与给定基准信号进行 比较，选择其中幅值较低的电压信号输出反馈给所述恒流源电路，使得恒流源电路的输出 电流按照该电压信号的变化而变化。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下电路优化设计：

上述恒流源电路中包含有运算放大器，通过反馈调节运算放大器正输入端电压，使得 恒流源电路的输出电流按照运算放大器正输入端电压的变化而变化。

上述恒流源电路包括运算放大器OTA、LDNMOS和电阻R1；运算放大器OTA的正 输入端即接所述低电平选择电路的输出电压信号，电阻R1的一端、LDNMOS管的源极和 运算放大器OTA的负输入端三者相连，电阻R1的另一端接地；运算放大器OTA的输出 端与LDNMOS管的栅极相连；LDNMOS管的漏极同时与所述LED驱动中负载的负端和 比较器COMP1的正输入端相连，比较器COMP1的负输入端接被设定的电压信号VSET。

上述斜坡电压产生电路包括开关MOS管MN1、电容C1、电阻R2、电流偏置源IBIAS、电流偏置MOS管MP1、电流偏置MOS管MP2和电流偏置MOS管MP3；开关MOS管 MN1的源端、电容C1的一端、电阻R2的一端和电流偏置MOS管MP2的漏端四端相连， 电阻R2的另一端接地；开关MOS管MN1的漏端、电容C1的另一端、电流偏置MOS管 MP1的漏端、所述低电平选择电路的斜坡电压信号输入端四端相连；电流偏置MOS管 MP1的源端、MP2的源端、MP3的源端与直流电源VDD相连；电流偏置MOS管MP1 的栅极、MP2的栅极、MP3的栅极与MP3的漏极四端相连。

上述低电平选择电路包括比较器COMP2、反相器INV1、传输门TG1和传输门TG2； 比较器COMP2的正输入端和传输门TG1的输入端与开关MOS管MN1的漏端相连；比较 器COMP2的负输入端和传输门TG2的输入端相连并接给定基准信号VREF；比较器 COMP2的输出端、反相器INV1的输入端、传输门TG1的负控制端与传输门TG2的正控 制端四端相连；反相器INV1的输出端、传输门TG1的正控制端与传输门TG2的负控制端 三端相连；传输门TG1的输出端、TG2的输出端相连作为该低电平选择电路的输出端。

本发明的主要技术效果如下：

将恒流源接入到DCDC转换器的负载回路中，通过对恒流源的输出电流进行反馈调节， 将LED做负载的DCDC转换器在电路启动期间LED突然导通导致的输出电流过冲转移到电流较低的时刻，避免由于电流过冲对电路产生的一系列不良影响。

经过比较器COMP1、D触发器、斜坡电压产生电路和低电平选择电路的信号处理，能够快速、精确地调节恒流源的输出电流，使得电路启动期间输出电流平缓稳定上升。

附图说明

图1为传统的LED负载的BOOST型DCDC转换器的电路结构图。

图2为传统的LED负载的BOOST型DCDC转换器的简化电路示意图。

图3为传统的LED负载的BOOST型DCDC转换器的仿真示意图。

图4为本发明实施例的电流软启动电路应用于LED负载的升压型DCDC转换器的电路结构图。

图5为本发明实施例的电路启动后各节点电压仿真示意图。

图6为图4中比较器COMP1、COMP2电路原理图。

图7为图4中运算放大器OTA电路原理图。

图8为本发明实施例的应用于LED负载的BOOST型DCDC转换器电路中的启动后 输出电压、电流仿真示意图。

图9为恒流源电路原理图。

图10为恒流源电路用到LED负载的BOOST型DCDC转换器电路原理图。

图11为斜坡电压产生电路原理图。

图12为低电平选择电路原理图。

图13为传统方案中电压软启动电路原理图。

图14为传统方案中电压软启动电路仿真示意图。

图15为传统方案中仅有电压软启动的LED驱动电路改***启动时间输出仿真结果对 比示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

恒流源电路可以产生稳定的输出电流，其输出电流是受控于输入电压值，且容易将其 带宽做到比BOOST型DCDC环路带宽更宽，这样其可以比BOOST型DCDC环路更快的 响应输出信号的变化。若将恒流源接入到如图2所示的DCDC中，形成如图10所示的电 路结构，一方面，当输出电流超过VSOFT/R1的时恒流源会很快的调节使得输出电流稳定 在VSOFT/R1；另一方面，若将VSOFT的值在开始时设定一个较低值，这样输出电流在 较低值时就得到调节，使得电流过冲发生在电流较小时刻，降低电流过冲值。

如图4所示，本发明的电流软启动电路利用反馈调节的恒流源电路，使得电路启动期 间输出电流平缓稳定上升(通过缓慢增加的VSOFT来实现)，避免由于电流过冲对电路产生的一系列不良影响。其电路结构主要包括：

恒流源电路，用于通过调节运放正输入端电压，使得恒流源结构输出电流按照运放正 输入端电压的变化而变化；

比较器，用于将恒流源的输出电压与被设定的电压相比较，产生下一级D触发器的时 钟控制信号；

D触发器，用于根据输入时钟信号的高低，产生控制下一级电路的电平信号；

斜坡电压产生电路，用于根据上一级D触发器输出低电平信号的到来时刻，决定斜坡 信号产生时机；

低电平选择电路，用于对将上一级斜坡信号与一个给定基准信号进行比较，选择低电 平信号输出给第一级恒流源结构中运放的正输入端。

其中：

恒流源电路输出端与所述比较器COMP1正输入端相连，并定义其电压信号为VFB；所述恒流源电路输入端与所述低电平选择电路输出端连接，定义其电压信号为VSOFT；

比较器COMP1输出端与所述D触发器的CLK输入端连接，并定义其为VFBEN；所 述比较器COMP1的负输入端连接信号VSET；

D触发器的输出端与所述斜坡电压产生电路输入端相连，并定义其为所述D触 发器D输入端连接电源电压VDD；所述D触发器的RESET端连接信号EN；

斜坡电压产生电路输出端与所述低电平选择电路正输入端相连；

电平选择电路负输入端连接信号VREF。

恒流源电路具体如图9所示，包括运算放大器OTA、LDNMOS管和电阻R1，其中， R1的一端、LDNMOS管的源极和运算放大器OTA的负输入端三者相连，运算放大器OTA 的输出端与LDNMOS管的栅极相连，R1的一端连接地，运算放大器OTA的正输入端连 接所述的信号VSOFT，根据VSOFT的值调节输出电流，所述LDNMOS管的漏极与所述 信号VFB相连。

斜坡电压产生电路具体如图11所示，包括开关MOS管MN1、电容C1、电阻R2、电 流偏置源IBIAS、电流偏置MOS管MP1、MP2和MP3，其中开关MOS管MN1的源端、 C1的一端、R2的一端和电流偏置MOS管MP2的漏端四端相连，MN1的漏端、C1的一 端、电流偏置MOS管MP1的漏端连接信号VRAMP，电流偏置MOS管MP1的栅极、MP2 的栅极、MP3的栅极和漏极连接电流偏置IBIAS，电阻R2的另一端与地相连，电流偏置 MOS管MP1的源极、MP2的源极、MP3的源极连在一起接VDD。电路开始工作时为 高，MN1导通，VRAMP保持；当由高变低时，电容C1充电，VRAMP电压线性增加。

低电平选择电路具体如图12所示，包括比较器COMP2、反相器INV1、传输门TG1、TG2，其中比较器COMP2的输出端、反相器INV1的输入端、传输门TG1的负控制端与 传输门TG2的正控制端四端相连，反相器INV1的输出端、传输门TG1的正控制端与传输 门TG2的负控制端三端相连，传输门TG1的输出端、TG2的输出端相连，并定义其为VSOFT， 比较器COMP2正输入端与传输门TG1的输入端相连并连接信号VRAMP，比较器COMP2 的负输入端与传输门TG2输入端相连并连接信号VREF。当VRAMP小于VREF时，VRAMP 传递给VSOFT；当VRAMP大于VREF时，VREF传递给VSOFT。

电路上电后，使能信号EN由低变高，D触发器输出信号先置一后保持。使能信号EN变高后电路开始工作，VOUT缓慢上升，比较器采集反馈电压信号VFB，并与VSET 进行比较。当输出电压达到LED串的阈值电压时，输出电流较大幅度增加，VFB上升到 大于VSET，比较器输出信号由低变高并输出给D触发器的CLK端，D触发器输出信号 由高变低，此时MN1由开启转变为关断状态，IBIAS经由MP3和MP1以一定比例对电容 C进行充电。从而得到以一定斜率上升的斜坡信号VRAMP。在电容下方加入电阻R2可以 使VSOFT有一定的初始值从而将LED小电流过冲转移至较低电流下。当VRAMP电压小 于VREF时，VRAMP的值传递给VSOFT；当VRAMP的值大于VREF时，将VREF的值 传递给VSOFT。其优点为VSOFT不是开始就为VREF，而是由一个较小值线性增加到 VREF，这样可以将ILED电流过冲转移到电流较小时，而后由VSOFT的缓慢增加使得输 出电流缓慢平稳增加到正常工作值，避免了电流过冲对电路的不良影响。

图5为本实施例的电路启动后各节点电压仿真示意图。图6为本实施例中比较器COMP1、COMP2电路原理图。图7为本发明实施例中运算放大器OTA电路原理图。

图8为本发明实施例的应用于LED负载的BOOST型DCDC转换器电路中的启动后 输出电压、电流仿真示意图。本发明实施例的电流软启动电路通过对恒流源中运放正输入 端电压信号的设置，针对输出电流的变化做出快速调节，并可以将LED做负载的DCDC 转换器在电路启动期间LED突然导通导致的输出电流过冲转移到电流较低的时刻，使得电 路启动期间输出电流平缓稳定上升，有效的解决了LED做负载的DCDC转换器在电路启 动期间输出电流过冲的问题。

Claims (5)

1.一种用于LED驱动的电流软启动电路，其特征在于：包括恒流源电路、比较器COMP1、D触发器、斜坡电压产生电路和低电平选择电路；其中，恒流源电路的输出接入所述LED驱动的负载回路，并与所述比较器COMP1的一个输入端相连；比较器COMP1用于将恒流源电路的输出电压与被设定的电压相比较，产生下一级所述D触发器的时钟控制信号；D触发器用于根据输入的时钟控制信号的高低，产生控制下一级所述斜坡电压产生电路的电平信号；斜坡电压产生电路用于根据D触发器输出低电平信号的到来时刻，决定斜坡信号产生时机，提供斜坡信号给下一级所述低电平选择电路；低电平选择电路用于将输入的斜坡信号与给定基准信号进行比较，选择其中幅值较低的电压信号输出反馈给所述恒流源电路，使得恒流源电路的输出电流按照该电压信号的变化而变化。

2.根据权利要求1所述用于LED驱动的电流软启动电路，其特征在于：所述恒流源电路中包含有运算放大器，通过反馈调节运算放大器正输入端电压，使得恒流源电路的输出电流按照运算放大器正输入端电压的变化而变化。

3.根据权利要求2所述用于LED驱动的电流软启动电路，其特征在于：所述恒流源电路包括运算放大器OTA、LDNMOS和电阻R1；运算放大器OTA的正输入端即接所述低电平选择电路的输出电压信号，电阻R1的一端、LDNMOS管的源极和运算放大器OTA的负输入端三者相连，电阻R1的另一端接地；运算放大器OTA的输出端与LDNMOS管的栅极相连；LDNMOS管的漏极同时与所述LED驱动中负载的负端和比较器COMP1的正输入端相连，比较器COMP1的负输入端接被设定的电压信号VSET。

4.根据权利要求1所述用于LED驱动的电流软启动电路，其特征在于：所述斜坡电压产生电路包括开关MOS管MN1、电容C1、电阻R2、电流偏置源IBIAS、电流偏置MOS管MP1、电流偏置MOS管MP2和电流偏置MOS管MP3；开关MOS管MN1的源端、电容C1的一端、电阻R2的一端和电流偏置MOS管MP2的漏端四端相连，电阻R2的另一端接地；开关MOS管MN1的漏端、电容C1的另一端、电流偏置MOS管MP1的漏端、所述低电平选择电路的斜坡电压信号输入端四端相连；电流偏置MOS管MP1的源端、MP2的源端、MP3的源端与直流电源VDD相连；电流偏置MOS管MP1的栅极、MP2的栅极、MP3的栅极与MP3的漏极四端相连，且接至电流偏置源IBIAS的一端，电流偏置源IBIAS的另一端接地。

5.根据权利要求4所述用于LED驱动的电流软启动电路，其特征在于：所述低电平选择电路包括比较器COMP2、反相器INV1、传输门TG1和传输门TG2；比较器COMP2的正输入端和传输门TG1的输入端与开关MOS管MN1的漏端相连；比较器COMP2的负输入端和传输门TG2的输入端相连并接给定基准信号VREF；比较器COMP2的输出端、反相器INV1的输入端、传输门TG1的负控制端与传输门TG2的正控制端四端相连；反相器INV1的输出端、传输门TG1的正控制端与传输门TG2的负控制端三端相连；传输门TG1的输出端、TG2的输出端相连作为该低电平选择电路的输出端。