用于集成led驱动芯片的梯级过温补偿保护电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，包括过温补偿电路和过温保护电路，过温补偿电路包括电流镜像电路、第五电阻、三极管、差分放大器、第一比较器和第一二选一数据选择器；过温保护电路包括第二比较器、第三电阻、第四电阻和第二二选一数据选择器。本实用新型当温度超过过温补偿阈值T1时，启动过流降温，LED灯的工作电流会从固定的恒流以设定的斜率连续线形下降补偿，以保证一定亮度的情况下保护LED灯珠不迅速高温老化损毁。当温度持续上升超过过温保护阈值T2时，启动微流保护，在灯珠几乎不发光不发热的情况下依然保证灯珠有一定的压降，以同时保护LED灯珠和保护驱动级的NMOS管。
【专利说明】用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及LED温度控制领域，尤其涉及专用于高压线型集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路。
【背景技术】
[0002]LED照明设备在工作中会发出大量热量，如果灯具的散热不好或者环境恶劣，LED灯具的温度会很快升高，温度越高会使LED的出光率越低，LED灯的寿命越短。所以对于LED灯具而言，温度控制至关重要。传统LED驱动电路在工作过程中，通常采用外置温度传感器或者热敏电阻的检测方式来检测温度，进而通过内部电路来改变LED驱动电路的输出占空比来调节电路以降低温度。
[0003]随着LED驱动技术的发展，最新型的高压线型集成LED驱动芯片具有无频闪、面积小、外围简单的特点，经常与LED灯珠集成使用。得到了广泛的应用。这种应用环境对灯具的温度控制的电路方案和设计提出了新的要求:(1)温度控制电路必须简单，易集成。(2)不需要外置的温度传感器。(3)温度控制电路不能简单地过热关断，以免高压击穿驱动级的NMOS管。这成为本 申请人:致力于解决的问题。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供用于高压线型集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，简单易集成，采用了两级的过温补偿保护机制，在一级的过温降流时，能在保证一定亮度的情况下保护内部的LED灯珠不因高温快速老化损毁；在二级的微流保护时，能在灯珠几乎不发光不发热的情况下依然保证灯珠有一定的压降，以保护驱动级的NMOS管。
[0005]实现上述目的的技术方案是:
[0006]一种用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，所述集成LED驱动芯片包括第一放大器、NMOS管和集成LED灯珠；所述NMOS管的漏极连接所述集成LED灯珠，源极连接所述第一放大器的反相输入端，栅极连接所述第一放大器的输出端；
[0007]所述梯级过温补偿保护电路包括过温补偿电路和过温保护电路，其中:过温补偿电路包括电流镜像电路、第五电阻、三极管、差分放大器、第一比较器和第一二选一数据选择器；过温保护电路包括第二比较器、第三电阻、第四电阻和第二二选一数据选择器；其中:
[0008]所述电流镜像电路的输入端接收与温度成正比的电流IPATA，电流镜像电路镜像出电流IPATA并在两个输出端输出，其中一个输出端通过第五电阻接地，另一个输出端连接三极管的发射极，三极管的基极和集电极均接地；
[0009]所述电流镜像电路与第五电阻的相接端连接所述差分放大器的反相输入端；
[0010]所述电流镜像电路与三极管的相接端连接所述差分放大器的同相输入端；
[0011]所述差分放大器的输出端分别连接所述第一二选一数据选择器的第一输入端、第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端；[0012]所述第一二选一数据选择器的第二输入端和所述第一比较器同相输入端均接收第一基准电压VRl ；
[0013]所述第二比较器同相输入端接收第二基准电压VR2 ；
[0014]所述第一比较器的输出端连接所述第一二选一数据选择器的控制端；所述第一二选一数据选择器的输出端连接所述第一放大器的同相输入端；
[0015]所述第二比较器的输出端连接所述第二二选一数据选择器的控制端；
[0016]所述第二二选一数据选择器的第一输入端通过所述第三电阻接地，第二输入端通过所述第四电阻接地，输出端连接所述NMOS管的源极。
[0017]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，所述电流镜像电路包括第一 MOS管、第二 MOS管和第三MOS管，其中:
[0018]所述第一 MOS管的源极接内部电源，漏极和栅极均连接所述电流镜像电路的输入端;
[0019]所述第二 MOS管的源极接内部电源，栅极连接所述电流镜像电路的输入端，漏极连接所述第五电阻；
[0020]所述第三MOS管的源极接内部电源，栅极连接所述电流镜像电路的输入端，漏极连接所述三极管的发射极。
[0021]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，所述差分放大器包括第六电阻、第七电阻、第八电阻和第三放大器，其中:
[0022]所述第三放大器的同相输入端通过所述第八电阻连接所述电流镜像电路与三极管的相接端；
[0023]所述第三放大器的反相输入端通过所述第六电阻连接所述电流镜像电路与第五电阻的相接端；
[0024]所述第三放大器的输出端作为所述差分放大器的输出端；
[0025]所述第七电阻一端连接所述第三放大器的反相输入端，另一端连接所述第三放大器的输出端。
[0026]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，所述梯级过温补偿保护电路还包括基准源电路，基准源电路包括带隙基准源、第二放大器和可变电阻，其中:
[0027]所述带隙基准源一方面输出所述电流IPATA，另一方面输出基准电压信号VBGO给所述第二放大器的同相输入端；
[0028]所述第二放大器的反相输入端与输出端相接后通过所述可变电阻接地；
[0029]所述可变电阻与第二放大器的相接端输出所述第一基准电压VRl ；
[0030]所述可变电阻的滑动端输出所述第二基准电压VR2。
[0031]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，所述第一比较器和第二比较器均为带滞回的比较器。
[0032]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，所述差分放大器的输出端输出以斜率Ktc随温度升高而线性下降的过温补偿信号VTC ;所述第一基准电压VRl与过温补偿信号VTC在过温补偿阈值Tl时相等；所述第二基准电压VR2与过温补偿信号VTC在过温保护阈值T2时相等。[0033]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，
[0034]当过温补偿信号VTC大于第一基准电压VRl时，所述第一比较器输出的信号控制所述第一二选一数据选择器选择其的第二输入端与输出端接通；当过温补偿信号VTC小于第一基准电压VRl时，所述第一比较器输出的信号控制所述第一二选一数据选择器选择其的第一输入端与输出端接通；
[0035]当过温补偿信号VTC大于第二基准电压VR2时，所述第二比较器输出的信号控制所述第二二选一数据选择器选择其的第一输入端与输出端接通；当过温补偿信号VTC小于第二基准电压VR2时，所述第二比较器输出的信号控制所述第二二选一数据选择器选择其的第二输入端与输出端接通。
[0036]上述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其中，
[0037]过温补偿信号VTC的值为:
[0038]Vtc= (1+R6/R5) *VBE_ (R6/R5) *R4*IPTAT
[0039]过温补偿信号VTC的斜率Κτ。为补偿斜率，如下:
[0040]Ktc= (1+R6/R5) *Kvbe_ (R6/R5) *R4*Kiptat
[0041]其中，R6/R5表示第七电阻(R6)与第六电阻(R5)的比值；Vbe表示三极管(Ql)的发射极与基极间电压；R4表示第五电阻(R4)的值；IPTAT表示基准电路产生的正温度系数的电流值；KIPTAT表示正温度系数的电流IPTAT的温度系数常数在胃表示负温度系数的电压Vbe的温度系数常数。
[0042]本实用新型的有益效果是:本实用新型简单易集成，采用了先过温降流后微流保护的方式，当集成灯珠的温度超过过温补偿阈值Tl时，启动过流降温，LED灯的工作电流会从固定的恒流以设定的斜率连续线形下降补偿，以达到某点的热平衡，从而在保证一定亮度的情况下保护内部的LED灯珠不因高温快速老化损毁。如果由于某种故障导致集成灯珠的温度持续上升超过过温保护阈值T2时，启动微流保护，在灯珠几乎不发光不发热的情况下依然保证灯珠有一定的压降，以保护驱动级的NMOS管。并且，无论哪种过温，在故障排除或者工作环境正常后，系统最终都会自动回到正常恒流模式。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1是本实用新型的梯级过温补偿保护电路的电路图；
[0044]图2是本实用新型的具体实施效果图。
【具体实施方式】
[0045]下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0046]集成LED驱动芯片包括第一放大器2、NM0S管3和集成LED灯珠5 ；NM0S管3的漏极连接所述集成LED灯珠5，源极连接第一放大器2的反相输入端，栅极连接第一放大器2的输出端。
[0047]请参阅图1，本实用新型的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，包括基准源电路101、过温补偿电路106和过温保护电路107 ;基准源电路101包括带隙基准源
10、第二放大器Il和可变电阻R3 ;过温补偿电路106包括电流镜像电路103、第五电阻R4、三极管Q1、差分放大器104、第一比较器13和第一二选一数据选择器SI ;过温保护电路107包括第二比较器14、第三电阻R1、第四电阻R2和第二二选一数据选择器S2，其中:
[0048]带隙基准源IO —方面输出与温度成正比的电流IPATA给电流镜像电路103的输入端，另一方面输出基准电压信号VBGO给第二放大器Il的同相输入端；第二放大器Il的反相输入端与输出端相接后通过可变电阻R3接地；可变电阻R3与第二放大器Il的相接端分别连接并输出第一基准电压VRl给第一二选一数据选择器SI的第二输入端Dl和第一比较器13同相输入端；可变电阻R3的滑动端连接并输出第二基准电压VR2给第二比较器14同相输入端；第一基准电压VRl对应于过温补偿阈值Tl，第二基准电压VR2对应于过温保护阈值T2 ；
[0049]电流镜像电路103镜像出电流IPATA并在两个输出端输出，其中一个输出端通过第五电阻R4接地，另一个输出端连接三极管Ql的发射极，三极管Ql的基极和集电极均接地；电流镜像电路103与第五电阻R4的相接端连接差分放大器104的反相输入端；电流镜像电路103与三极管Ql的相接端连接差分放大器104的同相输入端；
[0050]差分放大器104的输出端分别连接第一二选一数据选择器SI的第一输入端D0、第一比较器13的反相输入端和第二比较器14的反相输入端；
[0051]第一比较器13的输出端连接第一二选一数据选择器SI的控制端S ;第一二选一数据选择器SI的输出端COM连接第一放大器2的同相输入端；
[0052]第二比较器14的输出端连接第二二选一数据选择器S2的控制端S ;本实施例中，第一比较器13和第二比较器14均为带滞回的比较器；
[0053]第二二选一数据选择器S2的第一输入端DO通过第三电阻Rl接地，第二输入端Dl通过第四电阻R2接地，输出端COM连接NMOS管3的源极。
[0054]本实施例中，电流镜像电路103包括第一 MOS管MPl、第二 MOS管MP2和第三MOS管MP3，其中:
[0055]第一 MOS管MPl的源极接内部电源(图中未示)，漏极和栅极均连接电流镜像电路103的输入端；
[0056]第二MOS管MP2的源极接内部电源，栅极连接电流镜像电路103的输入端，漏极连接第五电阻R4;
[0057]第三MOS管MP3的源极接内部电源，栅极连接电流镜像电路103的输入端，漏极连接三极管Ql的发射极。
[0058]本实施例中，差分放大器104包括第六电阻R5、第七电阻R6、第八电阻R7和第三放大器12，其中:
[0059]第三放大器12的同相输入端通过第八电阻R7连接电流镜像电路103与三极管Ql的相接端；
[0060]第三放大器12的反相输入端通过第六电阻R5连接电流镜像电路103与第五电阻R4的相接端；
[0061]第三放大器12的输出端作为差分放大器104的输出端；第七电阻R6 —端连接第三放大器12的反相输入端,另一端连接第三放大器12的输出端。
[0062]梯级过温补偿保护电路的原理:
[0063]电流IPATA在第五电阻R4上产生正温度系数电压VPTAT，在三极管Ql上产生负温度系数电压VNTAT，正温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VNTAT通过差分放大器104得到以斜率κτ。随温度升高而线性下降的过温补偿信号VTC，由差分放大器104的输出端输出；
[0064]过温补偿信号VTC的值为:
[0065]Vtc= (1+R6/R5) *VBE_ (R6/R5) *R4*IPTAT
[0066]过温补偿信号VTC的斜率Κτ。为补偿斜率，如下:
[0067]Ktc= (1+R6/R5) *Kvbe_ (R6/R5) *R4*Kiptat
[0068]其中，R6/R5表不第七电阻R6与第六电阻R5的比值；Vbe表不三极管Ql的发射极与基极间电压；R4表示第五电阻R4的值；IPTAT表示基准电路产生的正温度系数的电流值；KIPTAT表示正温度系数的电流IPTAT的温度系数常数；KVBE表示负温度系数的电压Vbe的温度系数常数。
[0069]第一比较器13比较过温补偿信号VTC与第一基准电压VR1，从而产生过温补偿开启信号OTl，通过恰当的设置R6/R5和R4*IPTAT两个参数，使得过温补偿信号VTC与第一基准电压VRl在过温补偿阈值Tl时相等，第一比较器13的滞回可防止误触发或连续切换。当温度低于过温补偿阈值Tl时(S卩:过温补偿信号VTC大于第一基准电压VRl时)，OTl=O,此时，第一二选一数据选择器SI选择第二输入端Dl接通输出端C0M，即:将正常温度情况下的第一基准电压VRl作为最终的基准信号VREF输出给第一放大器2的同相输入端；当温度超过温补偿阈值Tl时(即；过温补偿信号VTC小于第一基准电压VRl时，OTl=I,此时，第一二选一数据选择器SI选择第一输入端DO接通输出端COM,即:将过温补偿信号VTC作为最终的基准信号VREF输出给第一放大器2的同相输入端，此时，可调节R6/R5设定补偿斜率KT。，Ktc的取值一般取决于灯具的散热设计和工作环境，恰当的选择Kt。可以使温度暂时稳定在某一平衡点，工作于过温降流模式，即:使得集成LED灯珠5的工作电流会从设定的恒流连续线形下降以达到某点的热平衡，从而在保证一定亮度的情况下保护内部的LED灯珠不因高温快速老化损毁。当外部环境导致的温升解除后，系统自动回到正常恒流模式。
[0070]第二比较器14比较过温补偿信号VTC与第二基准电压VR2，从而产生过温保护开启信号0Τ2，通过恰当设置第二基准电压VR2的值，使得过温补偿信号VTC与第二基准电压VR2在过温保护阈值Τ2时相等，第二比较器14的滞回可防止误触发或连续切换。当温度低于过温保护阈值Τ2 (即:过温补偿信号VTC大于第二基准电压VR2)时，0Τ2=0，此时，第二二选一数据选择器S2选择第一输入端DO接通输出端C0M，即:将第三电阻Rl接入NMOS管3的源极；当温度高于过温保护阈值T2 (即:过温补偿信号VTC小于第二基准电压VR2)时，0T2=1，此时，第二二选一数据选择器S2选择第二输入端Dl接通输出端C0M，即:将第四电阻R2接入NMOS管3的源极；此时，集成LED灯珠5的电流即为保护微流:IQTP=VREF/R2，其中，VREF为最终的基准信号VREF的值，R2为第四电阻R2的阻值。恰当地选择R2的值，可将集成LED灯珠5的电流限定在很小的电流值，以确保灯珠降温；同时还保证每个LED灯珠有适当的压降，以确保高压NMOS驱动管3的漏端电压较小，以防止切换后瞬间提高的NMOS管3漏端电压将其击穿。进入微流保护模式，当温度下降后，会先回到过温降流模式，如正常则继续降温，最终自动回到正常恒流模式。
[0071 ] 图1中，HV表示外部高压电源。
[0072]综上，本实用新型采用了先过温降流后微流保护的方式，在过温降流时，可以通过调整过温补偿阈值Tl和补偿斜率Ktc让芯片在高温下持续工作而不关闭，通过结合LED灯具和主要应用环境恰当设计补偿斜率Ktc以达到某点的热平衡，从而可以在保证一定亮度的情况下保护内部的LED灯珠。在微流保护时，可以通过调整过温保护阈值T2和保护微流1tp让LED灯具准关断，通过结合功率管耐压和LED 二极管的电压电流曲线可调整R2的值，同时确保灯珠准关断降温和确保高压NMOS驱动管不被高压击毁。本实用新型的具体实施效果图如图2所示。
[0073]以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关【技术领域】的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，所述集成LED驱动芯片包括第一放大器(2)、NMOS管(3)和集成LED灯珠(5);所述NMOS管(3)的漏极连接所述集成LED灯珠(5 )，源极连接所述第一放大器(2 )的反相输入端，栅极连接所述第一放大器(2 )的输出端； 其特征在于，所述梯级过温补偿保护电路包括过温补偿电路(106)和过温保护电路(107)，其中:过温补偿电路(106)包括电流镜像电路(103)、第五电阻(R4)、三极管(Q1)、差分放大器(104)、第一比较器(13)和第一二选一数据选择器(SI);过温保护电路(107)包括第二比较器(14)、第三电阻(R1)、第四电阻(R2)和第二二选一数据选择器(S2);其中:所述电流镜像电路(103)的输入端接收与温度成正比的电流IPATA，电流镜像电路(103)镜像出电流IPATA并在两个输出端输出，其中一个输出端通过第五电阻(R4)接地，另一个输出端连接三极管(Ql)的发射极，三极管(Ql)的基极和集电极均接地； 所述电流镜像电路(103)与第五电阻(R4)的相接端连接所述差分放大器(104)的反相输入端； 所述电流镜像电路(103)与三极管(Ql)的相接端连接所述差分放大器(104)的同相输入端; 所述差分放大器(104)的输出端分别连接所述第一二选一数据选择器(SI)的第一输入端、第一比较器(13)的反相输入端和第二比较器(14)的反相输入端； 所述第一二选一数据选择器(SI)的第二输入端和所述第一比较器(13)同相输入端均接收第一基准电压VRl ； 所述第二比较器(14)同相输入端接收第二基准电压VR2 ； 所述第一比较器(13)的 输出端连接所述第一二选一数据选择器(SI)的控制端；所述第一二选一数据选择器(SI)的输出端连接所述第一放大器(2)的同相输入端； 所述第二比较器(14)的输出端连接所述第二二选一数据选择器(S2)的控制端；所述第二二选一数据选择器(S2)的第一输入端通过所述第三电阻(Rl)接地，第二输入端通过所述第四电阻(R2 )接地，输出端连接所述NMOS管(3 )的源极。
2.根据权利要求1所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在于，所述电流镜像电路(103)包括第一 MOS管(MPl)、第二 MOS管(MP2)和第三MOS管(MP3)，其中: 所述第一 MOS管(MPl)的源极接内部电源，漏极和栅极均连接所述电流镜像电路(103)的输入端； 所述第二 MOS管(MP2)的源极接内部电源，栅极连接所述电流镜像电路(103)的输入端，漏极连接所述第五电阻(R4)； 所述第三MOS管(MP3)的源极接内部电源，栅极连接所述电流镜像电路(103)的输入端，漏极连接所述三极管(Ql)的发射极。
3.根据权利要求1或2所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在于，所述差分放大器(104)包括第六电阻(R5)、第七电阻(R6)、第八电阻(R7)和第三放大器(12)，其中: 所述第三放大器(12)的同相输入端通过所述第八电阻(R7)连接所述电流镜像电路(103)与三极管(Ql)的相接端；所述第三放大器(12)的反相输入端通过所述第六电阻(R5)连接所述电流镜像电路(103)与第五电阻(R4)的相接端； 所述第三放大器(12)的输出端作为所述差分放大器(104)的输出端； 所述第七电阻(R6) —端连接所述第三放大器(12)的反相输入端，另一端连接所述第三放大器(12)的输出端。
4.根据权利要求1所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在于，所述梯级过温补偿保护电路还包括基准源电路(101)，基准源电路(101)包括带隙基准源(10)、第二放大器(Il)和可变电阻(R3)，其中: 所述带隙基准源(10)—方面输出所述电流IPATA，另一方面输出基准电压信号VBGO给所述第二放大器(Il)的同相输入端； 所述第二放大器(Il)的反相输入端与输出端相接后通过所述可变电阻(R3)接地； 所述可变电阻(R3)与第二放大器(Il)的相接端输出所述第一基准电压VRl ； 所述可变电阻(R3)的滑动端输出所述第二基准电压VR2。
5.根据权利要求1所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在于，所述第一比较器(13)和第二比较器(14)均为带滞回的比较器。
6.根据权利要求3所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在于，所述差分放大器(104)的输出端输出以斜率Ktc随温度升高而线性下降的过温补偿信号VTC ;所述第一基准电压VRl与过温补偿信号VTC在过温补偿阈值Tl时相等；所述第二基准电压VR2与过温补偿信号VTC在过温保护阈值T2时相等。
7.根据权利要求6所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在`于， 当过温补偿信号VTC大于第一基准电压VRl时，所述第一比较器(13)输出的信号控制所述第一二选一数据选择器(SI)选择其的第二输入端与输出端接通；当过温补偿信号VTC小于第一基准电压VRl时，所述第一比较器(13)输出的信号控制所述第一二选一数据选择器(SI)选择其的第一输入端与输出端接通； 当过温补偿信号VTC大于第二基准电压VR2时，所述第二比较器(14)输出的信号控制所述第二二选一数据选择器(S2)选择其的第一输入端与输出端接通；当过温补偿信号VTC小于第二基准电压VR2时，所述第二比较器(14)输出的信号控制所述第二二选一数据选择器(S2)选择其的第二输入端与输出端接通。
8.根据权利要求6所述的用于集成LED驱动芯片的梯级过温补偿保护电路，其特征在于， 过温补偿信号VTC的值为:
Vtc= (1+R6/R5) *VBE- (R6/R5) *R4*IPTAT
过温补偿信号VTC的斜率Κτ。为补偿斜率，如下:
Ktc= (1+R6/R5) *Kvbe- (R6/R5) *R4*Kiptat 其中，R6/R5表示第七电阻(R6)与第六电阻(R5)的比值；VBE表示三极管(Ql)的发射极与基极间电压；R4表示第五电阻(R4)的值；IPTAT表示基准电路产生的正温度系数的电流值；KIPTAT表示正温度系数的电流IPTAT的温度系数常数；KVBE表示负温度系数的电压Vbe的温度系数常数。
【文档编号】G05F1/567GK203588109SQ201320759124
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】刘燕涛, 阮颐 申请人:上海贝岭股份有限公司