CN110708820B - 一种通过llc谐振控制的led恒流驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，包括半桥驱动芯片、全波整流电路、半波整流电路、电流取样电路、PFC电路，第一、第二功率管由半桥驱动芯片控制，由第一、第二功率管与谐振电感、第二变压器、谐振电容构成LLC谐振环路，全波整流电路外接LED负载，半波整流电路在LLC谐振环路启动后为半桥驱动芯片提供电源，电流取样电路将LLC谐振环路的电流信号转换成电压信号，并将信号反馈到半桥驱动芯片中，PFC电路利用LLC谐振环路的LLC谐振信号构成，负责矫正电路的功率因数。本电路利用半桥驱动芯片直接控制LLC谐振的功率管，省去了功率管的驱动变压器，提高了响应速度同时利用LLC谐振信号构成PFC电路，省去了专用的PFC电路，极大降低了电路的成本。

Description

一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路

技术领域

本发明涉及LED恒流驱动技术领域，尤其涉及一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路。

背景技术

LLC谐振拓扑的LED恒流驱动电路因其优异的性能成为业界发展方向，LLC谐振原边功率管工作在ZVS（零电压开关）模式，开关损耗小，效率高。同时LLC谐振电路***器件少，应用成本低。所以通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路成为很多厂家的首选。

通常LLC谐振控制电路与输入电源之间需接有PFC（功率因数校正）电路，LLC谐振的原边功率管需要采用变压器驱动，这增加了方案应用的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单可靠、控制性能佳的通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，通过该电路可有效缩短LED灯的启动延迟时间，并利用带半桥驱动的电路IC直接控制LLC谐振的功率管，省去了功率管的驱动变压器，提高了响应速度的同时也使得LLC谐振能够工作于更高的频率，有效降低了LED恒流驱动方案的应用成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，包括整流电路、半桥驱动芯片、第一功率管、第二功率管、谐振电感、谐振电容、第一变压器、第二变压器、第一至第五二极管、第一至第三电容、第五至第六电容、第一电阻，整流电路的正输出端通过第四二极管连接半桥驱动芯片的VIN引脚，整流电路的负输出端接地，第一功率管和第二功率管的栅极分别接半桥驱动芯片的HO引脚和LO引脚，第一功率管的源极连接半桥驱动芯片的HS引脚和第二功率管的漏极，第一功率管的漏极连接半桥驱动芯片的VIN引脚，第二功率管的源极接半桥驱动芯片的PGND引脚和地，半桥驱动芯片的PVCC引脚接电源VCC，半桥驱动芯片的GND引脚接地，第一电容连接在半桥驱动芯片的HB引脚和HS引脚之间，第五二极管连接在半桥驱动芯片的VCC引脚和HB引脚之间，第二电容连接在半桥驱动芯片的VCC引脚和地之间，谐振电感的一端接在第一功率管的源极和第二功率管的漏极之间，另一端连接第一变压器的原边绕组的同名端，第一变压器的原边绕组连接第二变压器的输入绕组，第二变压器的输出绕组连接第一二极管的正极，第二变压器的副边辅助绕组接第二二极管的正极，第二二极管的负极接第一二极管的负极，第三电容的一端接第一二极管的负极，另一端接在第二变压器的输出绕组和副边辅助绕组之间，在第三电容的两端引出LED负载接线端子，第二变压器的原边辅助绕组接第三二极管的正极，第三二极管的负极接半桥驱动芯片的VCC引脚，第一变压器的副边绕组的同名端接半桥驱动芯片的CS引脚，第一电阻接在第一变压器副边绕组的同名端与地之间，谐振电容接在第二变压器输入绕组的同名端和整流电路的正输出端之间，第二电容接在第四二极管的负极与地之间，第六电容并联接在第四二极管的两端。

作为本发明的一种改进， 所述半桥驱动芯片包括欠压检测模块、整流器模块、误差放大器、压控振荡器、逻辑处理模块、电平移位模块、高边驱动模块、低边驱动模块，欠压检测模块的电压输入端引出作为VIN引脚，欠压检测模块的电源端引出作为VCC引脚，欠压检测模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，整流器模块的输入端引出作为CS引脚，整流器模块的输出端接误差放大器的正输入端，误差放大器的负输入端接基准电压Vref，误差放大器的输出端接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端接逻辑处理模块的输入端，逻辑处理模块的输出端接电平移位模块的输入端，电平移位模块的输出端接高边驱动模块的输入端，高边驱动模块的输出端引出作为HO引脚，高边驱动模块的电源端引出作为HB引脚，高边驱动模块的地端引出作为HS引脚，逻辑处理模块的输出端接低边驱动模块的输入端，低边驱动模块的输出端引出作为LO引脚，低边驱动模块的电源端引出作为PVCC引脚，低边驱动模块的地端引出作为PGND引脚。

作为本发明的一种改进， 所述半桥驱动芯片还包括过压保护模块（OVP）、过温保护模块（OTP）和过零检测模块（ZCD），过零检测模块的输入端接CS引脚，过零检测模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，过压保护模块的输入端引出作为FB引脚，过压保护模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，过温保护模块的输出端接逻辑处理模块的输入端。

作为本发明的一种改进， 还包括第二电阻和第三电阻，第二电阻和第三电阻串联连接，第二电阻的另一端接半桥驱动芯片的VCC引脚，第二电阻和第三电阻的共接端接半桥驱动芯片的FB引脚，第三电阻的另一端接地。

作为本发明的一种改进， 所述第一功率管、第二功率管均采用NMOS管。

作为本发明的一种改进， 所述整流电路采用四个二极管构成的全桥整流电路实现。

作为本发明的一种改进， 所述逻辑处理模块包括驱动信号时序处理单元和保护信号逻辑处理单元。

作为本发明的一种改进， 所述高边驱动模块、低边驱动模块均采用轨到轨运放的驱动方式。

相对于现有技术，本发明的LED恒流驱动电路整体结构设计巧妙，结构合理稳定，体积紧凑，通过使用半桥驱动芯片直接控制LLC谐振原边功率管，省去了功率管的驱动变压器，提高了响应速度的同时，也使得LLC谐振环路能够工作在更高的频率，进而可缩小***电感和电容的尺寸，有效降低应用成本；同时利用半桥驱动芯片的VIN输入电压为电源VCC充电的高压快速启动方式，有效缩短了LED负载的启动延迟时间。另外，在电路中利用LLC谐振信号来构成PFC电路，省去了传统的专用PFC电路，极大地降低了电路成本。

附图说明

图1为本发明优选实施例的通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路图。

图2为本发明优选实施例的电路中半桥驱动芯片的内部功能框图。

图3为本发明优选实施例的电路中LLC谐振频率。

图4为本发明优选实施例的电路中PFC电路工作原理示意图。

图5为本发明优选实施例的电路中PFC电路的工作波形图。

图6为图5的局部放大图。

图7为本发明优选实施例的电路稳定工作后半桥驱动芯片的几个关键引脚的信号波形图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

如图1所示，为本发明优选实施例所示出的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，包括整流电路、半桥驱动芯片IC1、第一功率管N1、第二功率管N2、谐振电感L1、谐振电容C4、第一变压器T1、第二变压器T2、第一至第五二极管、第一至第三电容、第五至第六电容、第一电阻Rcs、第二电阻Rfb2和第三电阻Rfb1，将整流电路采用四个二极管构成的全桥整流电路实现，整流电路的正输出端通过第四二极管D4连接半桥驱动芯片IC1的VIN引脚，整流电路的负输出端接地。第一功率管N1和第二功率管N2是LLC谐振原边功率管，均采用NMOS管，由半桥驱动芯片IC1进行驱动控制。第一功率管N1和第二功率管N2的栅极分别接半桥驱动芯片IC1的HO引脚和LO引脚，第一功率管N1的源极连接半桥驱动芯片IC1的HS引脚和第二功率管N2的漏极，第一功率管N1的漏极连接半桥驱动芯片IC1的VIN引脚，第二功率管N2的源极接半桥驱动芯片IC1的PGND引脚和地。半桥驱动芯片IC1的PVCC引脚接电源VCC，半桥驱动芯片IC1的GND引脚接地，第一电容C1连接在半桥驱动芯片IC1的HB引脚和HS引脚之间，第五二极管D5连接在半桥驱动芯片IC1的VCC引脚和HB引脚之间，第二电容C2连接在半桥驱动芯片IC1的VCC引脚和地之间，谐振电感L1的一端接在第一功率管N1的源极和第二功率管N2的漏极之间，另一端连接第一变压器T1的原边绕组的同名端，第一变压器T1的原边绕组连接第二变压器T2的输入绕组，第二变压器T2的输出绕组连接第一二极管D1的正极，第二变压器T2的副边辅助绕组接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接第一二极管D1的负极，第三电容C3的一端接第一二极管D1的负极，另一端接在第二变压器T2的输出绕组和副边辅助绕组之间，在第三电容C3的两端引出LED负载接线端子。第二变压器T2的原边辅助绕组接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极接半桥驱动芯片IC1的VCC引脚，第一变压器T1的副边绕组的同名端接半桥驱动芯片IC1的CS引脚，第一电阻Rcs接在第一变压器T1副边绕组的同名端与地之间，谐振电容C4接在第二变压器T2输入绕组的同名端和整流电路的正输出端之间，第二电容C2接在第四二极管D4的负极与地之间，第六电容C6并联接在第四二极管D4的两端。第二电阻Rfb2和第三电阻Rfb1串联连接，第二电阻Rfb2的另一端接半桥驱动芯片IC1的VCC引脚，第二电阻Rfb2和第三电阻Rfb1的共接端接半桥驱动芯片IC1的FB引脚，第三电阻Rfb1的另一端接地。

在上述电路中，第一功率管N1、第二功率管N2、谐振电感L1、第二变压器T2及谐振电容C4构成了LLC谐振环路。并利用半桥驱动芯片IC1直接控制LLC谐振原边功率管，省去了功率管的驱动变压器，提高了响应速度的同时，也使得LLC谐振环路能够工作在更高的频率，进而可缩小***电感和电容的尺寸，有效降低应用成本。第二变压器T2、第一二极管D1、第二二极管D2与第三电容C3构成了全波整流电路，在第三电容C3两端的LED负载接线端子外接LED负载。第二变压器T2与第三三极管及第五电容C5构成半波整流电路，其在LLC谐振环路启动后为半桥驱动芯片IC1提供电源。第一变压器T1与第一电阻Rcs构成了电流取样电路，其将LLC谐振环路的电流信号转换成电压信号，并从半桥驱动芯片IC1的CS引脚反馈到半桥驱动芯片IC1中。第四二极管D4、第二电容C2、谐振电容C4及第六电容C6构成了PFC电路，负责矫正整个电路的功率因数。第五二极管D5与第一电容C1构成了自举电路，为半桥驱动芯片IC1的高边驱动通道提供电源。第二电阻Rfb2和第三电阻Rfb1构成了电压检测电路，其将VCC引脚的电压取样并输送到半桥驱动芯片IC1的FB引脚。

下表1为上述电路中半桥驱动芯片IC1的管脚功能描述。

NO.	Name	Function
			1	VIN	高压启动输入
2	NC	空脚
			3	VCC	信号电源
4	NC	空脚
			5	FB	电压反馈输入
6	CS	电流采样输入
			7	GND	信号地
8	PGND	功率地
			9	LO	半桥驱动低边栅极输出
10	PVCC	功率电源
			11	NC	空脚
12	HS	半桥驱动高边地
			13	HO	半桥驱动高边栅极输出
14	HB	半桥驱动高边电源

如图2所示，为半桥驱动芯片IC1的内部功能框图，半桥驱动芯片IC1包括欠压检测模块（Under voltage detection）、整流器模块（Rectifier）、误差放大器（Erroramplifier）、压控振荡器（Voltage controlled oscillaton）、逻辑处理模块（Logic）、电平移位模块（Levelshifter）、高边驱动模块（DRV）、低边驱动模块（DRV），欠压检测模块的电压输入端引出作为VIN引脚，欠压检测模块的电源端引出作为VCC引脚，欠压检测模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，整流器模块的输入端引出作为CS引脚，整流器模块的输出端接误差放大器的正输入端，误差放大器的负输入端接基准电压Vref，误差放大器的输出端接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端接逻辑处理模块的输入端，逻辑处理模块的输出端接电平移位模块的输入端，电平移位模块的输出端接高边驱动模块的输入端，高边驱动模块的输出端引出作为HO引脚，高边驱动模块的电源端引出作为HB引脚，高边驱动模块的地端引出作为HS引脚，逻辑处理模块的输出端接低边驱动模块的输入端，低边驱动模块的输出端引出作为LO引脚，低边驱动模块的电源端引出作为PVCC引脚，低边驱动模块的地端引出作为PGND引脚。

所述半桥驱动芯片IC1还包括过压保护模块（OVP）、过温保护模块（OTP）和过零检测模块（ZCD），过零检测模块的输入端接CS引脚，过零检测模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，过压保护模块的输入端引出作为FB引脚，过压保护模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，过温保护模块的输出端接逻辑处理模块的输入端。

在上述的半桥驱动芯片IC1中，欠压检测模块：负责检测VCC引脚的电压值，在当VCC引脚的电压值低于阈值电压时关闭半桥驱动芯片IC1。整流器模块：是将CS引脚输入的正弦波电压信号变换成直流电压信号。误差放大器：是比较并放大整流器输出电压与内部基准电压Vref的差值。压控振荡器：根据误差放大器的输出电压值调整振荡器的输出频率。逻辑处理模块：功能主要包括驱动信号时序处理和保护信号逻辑处理。电平移位模块：将低压控制信号移位到高压的半桥高边通道。高边驱动模块和低边驱动模块分别作为高压的半桥高边通道和低压的半桥低边通道为LLC谐振原边功率管提供栅极驱动信号。过压保护模块：是当VCC引脚的电压值超过正常工作范围时关闭半桥驱动芯片IC1的输出。过温保护模块：是当环境温度超过正常工作范围时关闭半桥驱动芯片IC1的输出。过零检测模块：检测LLC谐振环路的电流变为零的时刻。

整流电路经VIN引脚输入半桥驱动芯片IC1，将VCC引脚外接的第五电容C5的电压快速充电到欠压检测模块的阈值电压，半桥驱动芯片IC1进入正常工作状态，并将VIN引脚的充电通道关闭，此后半桥驱动芯片IC1将由VCC引脚外接的第五电容C5供电。半桥驱动芯片IC1进入正常工作状态后，低压的半桥低边通道的栅极驱动信号LO输出高电平，将第二功率管N2开启，HS引脚被拉低为低电平，第五二极管D5为第一电容C1充电，此后第一电容C1为高压的半桥高边通道供电，栅极驱动信号HO与LO异步输出高电平以控制第一、第二功率管N2轮流导通，使得LLC谐振环路振荡起来。第二变压器T2的副边绕组与第一二极管D1、第二二极管D2全桥整流LLC谐振环路的电流，并输送到LED负载接线端子外接的LED负载，同时LED负载上的电压值反过来钳位第二变压器T2原边绕组上的电压。第一变压器T1的原边绕组取样出LLC谐振环路的电流信号，第一变压器T1的副边绕组将该电流信号经第一电阻Rcs转换成电压信号，并输送到半桥驱动芯片IC1的CS引脚。CS引脚输入的电压信号被整流积分后与基准电压Vref进行比较放大，放大后的电压控制芯片内部的压控振荡器，使得内部压控振荡器的振荡频率与芯片外部LLC谐振频率同步，以控制半桥驱动芯片IC1的输出信号LO和HO。

在当整流电路的输入电压与第二变压器T2原边及次边匝数比确定后，LLC谐振频率将取决于输出负载，如图3所示，图中箭头所指处的频率为典型工作频率：

f=1/(2)

-------C为谐振电容C4C4的容值

--------L为谐振电感L1L1的电感值

另外，由第二电容C2、谐振电容C4、第六电容C6、第四二极管D4以及整流桥二极管构成的PFC电路，其工作原理如下：

如图4所示，AC信号为LLC振荡的电压信号时，当整流桥输出电压VPE高于VIN的输出电压时，第四二极管D4导通，整流桥输出电压VPE直接给第二电容C2充电，为LLC谐振环路供电。而当VPE的电压低于VIN时，VPE在AC为低电平时给谐振电容C4充电，VPE在AC为高电平时，谐振电容C4将VPE的电平抬高，使得整流桥二极管关断，而第四二极管D4导通，谐振电容C4为第二电容C2充电。

AC信号为LLC谐振的高频振荡信号时，VPE将高频振荡信号断续地为第二电容C2充电，拓展了VPE为VIN充电的时间，从而提高了PFC参数。第六电容C6在第四二极管D4关断时与谐振电容C4串联，闭环了LLC谐振环路。图5给出了PFC电路工作时的波形图，图中VA为220V 50Hz交流电输入。图6是为图5的局部放大对比图，图7为整个电路稳定工作后半桥驱动芯片IC1的几个关键引脚的信号波形图。

因此，在本发明的电路中利用LLC谐振信号来构成PFC电路，省去了传统的专用PFC电路，极大地降低了电路成本，并且利用高压启动功能可快速启动LLC谐振，有效缩短了LED负载的启动延迟时间。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于：包括整流电路、半桥驱动芯片、第一功率管、第二功率管、谐振电感、谐振电容、第一变压器、第二变压器、第一至第五二极管、第一至第三电容、第五至第六电容、第一电阻，整流电路为全桥整流电路，整流电路的正输出端连接第四二极管的正极端，第四二极管的负极端连接半桥驱动芯片的VIN引脚，整流电路的负输出端接地，第一功率管和第二功率管的栅极分别接半桥驱动芯片的HO引脚和LO引脚，第一功率管的源极连接半桥驱动芯片的HS引脚和第二功率管的漏极，第一功率管的漏极连接半桥驱动芯片的VIN引脚，第二功率管的源极接半桥驱动芯片的PGND引脚和地，半桥驱动芯片的PVCC引脚接电源VCC，半桥驱动芯片的GND引脚接地，第一电容连接在半桥驱动芯片的HB引脚和HS引脚之间，第五二极管连接在半桥驱动芯片的VCC引脚和HB引脚之间，第五电容连接在半桥驱动芯片的VCC引脚和地之间，谐振电感的一端接在第一功率管的源极和第二功率管的漏极之间，另一端连接第一变压器的原边绕组的同名端，第一变压器的原边绕组连接第二变压器的输入绕组，第二变压器的输出绕组连接第一二极管的正极，第二变压器的副边辅助绕组接第二二极管的正极，第二二极管的负极接第一二极管的负极，第三电容的一端接第一二极管的负极，另一端接在第二变压器的输出绕组和副边辅助绕组之间，在第三电容的两端引出LED负载接线端子，第二变压器的原边辅助绕组接第三二极管的正极，第三二极管的负极接半桥驱动芯片的VCC引脚，第一变压器的副边绕组的同名端接半桥驱动芯片的CS引脚，第一电阻接在第一变压器副边绕组的同名端与地之间，谐振电容接在第二变压器输入绕组的同名端和整流电路的正输出端之间，第二电容接在第四二极管的负极与地之间，第六电容并联接在第四二极管的正极端和负极端；

所述半桥驱动芯片包括欠压检测模块、整流器模块、误差放大器、压控振荡器、逻辑处理模块、电平移位模块、高边驱动模块、低边驱动模块，欠压检测模块的电压输入端引出作为VIN引脚，欠压检测模块的电源端引出作为VCC引脚，欠压检测模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，整流器模块的输入端引出作为CS引脚，整流器模块的输出端接误差放大器的正输入端，误差放大器的负输入端接基准电压Vref，误差放大器的输出端接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端接逻辑处理模块的输入端，逻辑处理模块的输出端接电平移位模块的输入端，电平移位模块的输出端接高边驱动模块的输入端，高边驱动模块的输出端引出作为HO引脚，高边驱动模块的电源端引出作为HB引脚，高边驱动模块的地端引出作为HS引脚，逻辑处理模块的输出端接低边驱动模块的输入端，低边驱动模块的输出端引出作为LO引脚，低边驱动模块的电源端引出作为PVCC引脚，低边驱动模块的地端引出作为PGND引脚。

2.如权利要求1所述的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动芯片还包括过压保护模块、过温保护模块和过零检测模块，过零检测模块的输入端接CS引脚，过零检测模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，过压保护模块的输入端引出作为FB引脚，过压保护模块的输出端接逻辑处理模块的输入端，过温保护模块的输出端接逻辑处理模块的输入端。

3.如权利要求2所述的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于，还包括第二电阻和第三电阻，第二电阻和第三电阻串联连接，第二电阻的另一端接半桥驱动芯片的VCC引脚，第二电阻和第三电阻的共接端接半桥驱动芯片的FB引脚，第三电阻的另一端接地。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于，所述第一功率管、第二功率管均采用NMOS管。

5.如权利要求4所述的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于，所述整流电路采用四个二极管构成的全桥整流电路实现。

6.如权利要求5所述的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于，所述逻辑处理模块包括驱动信号时序处理单元和保护信号逻辑处理单元。

7.如权利要求6所述的一种通过LLC谐振控制的LED恒流驱动电路，其特征在于，所述高边驱动模块、低边驱动模块均采用轨到轨运放的驱动方式。