双通道LED驱动器及其短路保护方法与流程

本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种双通道led(发光二极管)驱动器及其短路保护方法。

背景技术：

随着科技的不断发展，led由于其体积小、驱动简单且节能环保，已逐渐取代荧光灯在液晶显示背光和普通照明中的应用。led需要驱动电路来为其提供受控的电流信号。在某些应用场合，除了受控的led电流以外，还需要一些诸如12v、5v、3.3v之类的电源电压，用来为其他模块(例如微控制器mcu、无线控制模块rf、路由器等等)供电。

现有的双通道led驱动电路通常采用两个功率级：第一功率级包括诸如反激变换器来提供两个恒定电压，其中一个电压用来驱动led，另一个电压用来给其他模块供电；第二功率级包括两个恒流降压变换器，来分别控制流过两个通道的led的电流。若其中一个通道led发生短路(short)情况，则现有双通道led驱动电路关闭相应的功率级，以阻止功率继续提供给该通道led。

美国芯源系统有限公司(monolithicpowersystems，mps)提供不一样的双通道led解决方案。mps仅使用一个功率级，即可实现对双通道led的驱动和对无线模块的供电。无线模块提供两个调光信号，其中一个调光信号控制双通道led的总亮度，另一个调光信号控制两个通道led的调光比例。当该双通道led驱动器的其中一个通道发生短路情况或者两通道均发生短路情况时，如何检测该短路情况，并在短路情况下如何保护系统是个挑战。

技术实现要素：

因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的双通道led驱动器及其短路保护方法。

根据本发明的实施例，提出了一种双通道led驱动器，驱动第一通道led和第二通道led，所述双通道led驱动器包括：功率变换器，为所述第一通道led提供第一驱动电压、为第二通道led提供第二驱动电压，其中该功率变换器包括：第一绕组以及耦接至第一绕组的主功率开关，所述第一绕组在主功率开关导通时存储能量、在主功率开关断开时将能量提供至第一和第二通道led；功率控制电路，根据无线控制模块提供的第一调光信号和表征流过主功率开关电流的电流采样信号，产生驱动控制信号用以控制主功率开关；第一调光开关，耦接至第一通道led，对第一通道led进行调光；第二调光开关，耦接至第二通道led，对第二通道led进行调光，其中第二调光开关与第一调光开关互补导通；短路处理电路，当第一或第二通道led短路时，所述短路处理电路控制短路通道相应的调光开关保持导通。

根据本发明的实施例，还提出了一种双通道led驱动器的短路保护方法，所述双通道led驱动器用以驱动第一通道led和第二通道led，所述方法包括：接收输入电压，产生第一驱动电压和第二驱动电压，用以分别驱动第一和第二通道led；接收无线控制模块提供的第一调光信号和第二调光信号；根据第一调光信号调节第一和第二通道led的总电流；监测第一通道led和第二通道led的短路情况，当有一通道led出现短路情况时，锁定相应短路通道的短路状态；当第一和第二通道led均没有出现短路情况，根据第二调光信号调节第一通道led和第二通道led的调光比例。

根据本发明各方面的上述双通道led驱动器及其短路保护方法，只需要一个功率级即可实现对双通道led的驱动、对无线模块的供电、并在其中一个通道led出现短路情况或者两通道均发生短路情况时，锁定短路状态，以触发短路保护。

附图说明

图1为根据本发明实施例的双通道led驱动器100的电路结构示意图；

图2为根据本发明实施例的双通道led驱动器200的电路结构示意图；

图3为根据本发明实施例的双通道led驱动器300的电路结构示意图；

图4为根据本发明实施例的输出电流计算电路61的电路原理示意图；

图5为根据本发明实施例的双通道led驱动器500的电路结构示意图；

图6为根据本发明实施例的双通道led驱动器600的电路结构示意图；

图7示意性的示出了根据本发明实施例的双通道led驱动器700的逻辑控制及驱动电路64的电路结构示意图；

图8示意性示出了根据本发明实施例的双通道led驱动器的短路保护方法流程图800。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1为根据本发明实施例的双通道led驱动器100的电路结构示意图。所谓双通道led，即有两路led串/led并联耦接在驱动器的负载端。在图1所示实施例中，所述双通道led驱动器100驱动第一通道led1001和第二通道led1002，包括：输入端口101，接收交流输入电压(如市电)vac；整流桥102，接收交流输入电压vac，提供整流信号vdc；功率变换器103，为所述第一通道led1001提供第一驱动电压vo1、为第二通道led1002提供第二驱动电压vo2，以给第一和第二通道led分别提供驱动电流，其中该功率变换器103包括：第一绕组31以及耦接至第一绕组31的主功率开关32，所述第一绕组31在主功率开关32导通时存储能量、在主功率开关32断开时将能量提供至第一和第二通道led；第二绕组104，与功率变换器103中的第一绕组31磁耦合，提供供电电压vps给无线控制模块(rf/mcu)105；功率控制电路106，根据无线控制模块105提供的第一调光信号dim1和表征流过主功率开关32电流的电流采样信号isen，产生驱动控制信号dr用以控制主功率开关32；第一调光开关111，耦接至第一通道led1001，对第一通道led1001进行调光；第二调光开关112，耦接至第二通道led1002，对第二通道led1002进行调光；其中第一调光开关111和第二调光开关112由无线控制模块105提供的第二调光信号dim2控制导通与断开，第二调光开关112与第一调光开关111互补导通；短路处理电路107，当第一或第二通道led短路时，所述短路处理电路107控制短路通道相应的调光开关保持导通，即锁定该通道相应的调光开关的导通状态。

在一个实施例中，当功率变换器采用隔离式(如图1中的反激变换器)时，第二调光信号dim2经由光电耦合器114后再输送至副边，从而进行原副边隔离。由于光电耦合器114的作用，第二调光信号dim2被反相，转化为反相信号dim0，用来控制第一调光开关111和第二调光开关112。当功率变换器采用非隔离式变换器时，第二调光信号无需经由光电耦合器，具体见下文图6所示实施例。

在一个实施例中，所述短路处理电路107根据第一驱动电压vo1和第二驱动电压vo2判定并处理短路情况。

在图1所示的实施例中，所述短路处理电路107包括：第一比较电路71，接收表征第一驱动电压vo1的第一电压信号v1和零值参考信号vz，所述第一比较电路71比较第一电压信号v1和零值参考信号vz，当第一电压信号v1小于零值参考信号vz时，第一连接开关72被导通，以将第一调光开关111的控制信号(如反相信号dim0)拉高，使第一调光开关111保持导通、第二调光开关112保持断开；第二比较电路73，接收表征第二驱动电压vo2的第一电压信号v2和零值参考信号vz，所述第二比较电路73比较第二电压信号v2和零值参考信号vz，当第二电压信号v2小于零值参考信号vz时，第二连接开关74被导通，以将第一调光开关111的控制信号(如反相信号dim0)拉低，使第一调光开关111保持断开、第二调光开关112保持导通。

在一个实施例中，第一调光信号dim1和第二调光信号dim2均为pwm(脉冲宽度调节)信号。

在图1所示实施例中，所述功率控制电路106包括：输出电流计算器61，接收表征流过主功率开关32电流的电流采样信号isen，所述输出电流计算器61计算流过第一和第二通道led的总电流，产生等效输出电流ieq；参考信号产生电路62，产生受第一调光信号dim1调节的参考信号vref；误差放大器(ea)63，接收参考信号vref和等效输出电流ieq，所述误差放大器63将参考信号vref和等效输出电流ieq的误差放大并进行积分，产生补偿信号cmp；逻辑控制及驱动电路64，接收补偿信号cmp，产生驱动控制信号dr用以控制主功率开关32。在一个实施例中，所述参考信号产生电路62接收源参考电压vr0和第一调光信号dim1，并将第一调光信号dim1的占空比和源参考电压vr0相乘，产生参考信号vref，即参考信号vref与第一调光信号dim1的占空比和源参考电压vr的关系为：

vref＝vr0×ddim1

其中ddim1表示第一调光信号dim1的占空比。

在图1所示实施例中，所述功率变换器还包括：副边绕组33，与第一绕组31磁耦合；第一从功率开关34，耦接在副边绕组33与第一通道led1001之间；第二从功率开关35，耦接在副边绕组33与第二通道led1002之间。所述双通道led驱动器100还包括：反相器113，接收第二调光信号dim2，产生第二调光信号dim2的反相信号。

在一个实施例中，第二绕组104经由二极管和电压调节电路(如图1所示实施例的低压差线性稳压器ldo)给无线控制模块105供电。但本领域技术人员应当意识到，电压调节电路不局限于ldo，也可以采用其他合适的电路，甚至可以被省略。

系统运行过程中，如果第一通道led1001出现短路情况，当该通道相应的调光开关被导通(如第二调光信号dim2或反相信号dim0将第一调光开关111导通)时，相应的驱动电压(第一驱动电压vo1)被拉低至零，使得第一电压信号v1小于零值参考信号vz。该情况被第一比较电路71检测到，于是第一比较电路71将第一连接开关72导通，从而将反相信号dim0拉高，使得第一调光开关111被保持导通，第二调光开关112被保持断开。此时，第一通道led1001的短路状态被锁存，从而触发短路保护。同理，如果第二通道led1002出现短路情况，当该通道相应的调光开关被导通(如第二调光信号dim2或反相信号dim0将第二调光开关112导通)时，相应的驱动电压(第二驱动电压vo2)被拉低至零，使得第二电压信号v2小于零值参考信号vz。该情况被第二比较电路73检测到，于是第二比较电路73将第二连接开关74导通，从而将反相信号dim0拉低，使得第二调光开关112被保持导通，第一调光开关111被保持断开。此时，第二通道led1002的短路状态被锁存，从而触发短路保护。如果两通道均发生短路情况，则当其中一通道的调光开关被导通(如第一调光开关111被导通)时，则第一驱动电压vo1被拉低至零。相应地，第一比较电路71将第一连接开关72导通，从而将第一调光开关111保持导通。此时第一通道led1001的短路状态被锁存，从而触发短路保护。

在一个实施例中，短路保护的方法可以包括将整个系统关闭(shutdown)；也可以在短路状态锁存长时间后，提供一小功率，开启系统的下一个周期(参见图8及说明书相关描述)。

图2为根据本发明实施例的双通道led驱动器200的电路结构示意图。图2所示双通道led驱动器200与图1所示双通道led驱动器100相似。图2所示实施例具体示出了光电耦合器114与双通道led驱动器其他电路部分的耦接方式。如图2所示，所述光电耦合器114包括发光二极管部分和三极管部分，其发光二极管部分接收无线控制模块105提供的第二调光信号dim2，三极管部分提供第二调光信号dim2的反相信号dim0，所述第一调光开关111和第二调光开关112由反相信号dim0控制导通与断开。

在图2所示的实施例中，所述短路处理电路107包括：接地开关75，所述光电耦合器114的三极管部分的第一端经由该接地开关75耦接至参考地；第一二极管76，所述三极管部分的第二端经由该第一二极管76耦接至其中一个驱动电压(如第二驱动电压vo2)；第二二极管77，所述另一个驱动电压(如第一驱动电压vo1)经由该第二二极管77控制接地开关75；其中三极管部分的第二端提供所述反相信号dim0。

在图2所示实施例中，所述短路处理电路107还包括：第一阻抗78，所述三极管部分的第二端经由该第一阻抗耦接至供电电源vcc；第二阻抗79，所述接地开关75的控制端经由该第二阻抗79耦接至供电电源vcc。在一个实施例中，第一阻抗78和第二阻抗79均包括电阻。

系统运行过程中，如果第一通道led1001出现短路情况，当该通道相应的调光开关被导通(如反相信号dim0将第一调光开关111导通)时，相应的驱动电压(第一驱动电压vo1)被拉低至零。于是接地开关75被断开，反相信号dim0经由第一阻抗78后被拉高，使得第一调光开关111被保持导通，第二调光开关112被保持断开。此时，第一通道led1001的短路状态被锁存，从而触发短路保护。同理，如果第二通道led1002出现短路情况，当该通道相应的调光开关被导通(如反相信号dim0将第二调光开关112导通)时，相应的驱动电压(第二驱动电压vo2)被拉低至零。经由第一二极管76后，反相信号dim0也被拉低，使得第一调光开关111被保持断开，而第二调光开关112被保持导通。此时，第二通道led1002的短路状态被锁存，从而触发短路保护。如果两通道均发生短路情况，则当其中一通道的调光开关被导通(如第一调光开关111被导通)时，则第一驱动电压vo1被拉低至零。如上所述，此时接地开关75被断开，反相信号dim0被拉高，使得第一调光开关111被保持导通。于是第一通道led1001的短路状态被锁存，从而触发短路保护。

图3为根据本发明实施例的双通道led驱动器300的电路结构示意图。图3所示双通道led驱动器300与图1所示双通道led驱动器100相似，与图1所示双通道led驱动器100不同的是，图3具体示出了第二绕组104和功率开关32，输出电流计算器106和功率开关32的耦接方式。图3所示双通道led驱动器300还包括：第一采样电阻器115和第二采样电阻器116，串联耦接在主功率开关32和原边参考地之间，其中第一采样电阻器115和第二采样电阻器116两端的电压为所述电流采样信号isen。第二绕组104经由第二采样电阻器116耦接至原边参考地。第一采样电阻器115和第二采样电阻器116两端的电压(isen)经由输出电流计算器106后，被转化为反映第一和第二通道led总电流的等效输出电流ieq。

在系统的运行过程中，当主功率开关32断开时，流过其上的电流为零；当主功率开关32导通时，流过其上的电流i32可以表示为

其中ilm表示流过第一绕组31的励磁电感的电流，i104表示流过第二绕组104的电流，n2/n1表示第二绕组104与第一绕组31的匝数比。

则第一采样电阻器115和第二采样电阻器116两端的电压(即电流采样信号isen)为：

isen＝i32×(r115+r116)-i104×r116(2)

其中r115表示第一采样电阻器115的电阻值，r116表示第二采样电阻器116的电阻值。

由等式(1)和等式(2)，可以得到

将第二绕组104与第一绕组31的匝数比、第一采样电阻器115和第二采样电阻器116的电阻值做如下设定：

则可以得到

isen＝ilm×(r115+r116)(4)

从等式(4)可以看到，当将第二绕组104与第一绕组31的匝数比、第一采样电阻器115和第二采样电阻器116的电阻值关系做特定设定后，电流采样信号isen仅与流过第一绕组31励磁电感的电流相关，而不受流过第二绕组104的电流的影响。该电流采样信号isen经过输出电流计算器106被转化为等效输出电流ieq后，可以准确反映第一通道led1001和第二通道1002的总电流。

图3所示双通道led驱动器300的其他电路结构及运行原理与图1和图2所示双通道led驱动器相似，为叙述简明，这里不再详述。

图4为根据本发明实施例的输出电流计算电路61的电路原理示意图。在图4所示实施例中，所述输出电流计算电路61包括：受驱动控制信号dr控制的开关管661～663和电容器664。当主功率开关32导通时，开关管661和663导通，开关管662断开，此时电流采样信号isen被传输至电容器664、等效输出电流ieq等于零。当主功率开关32断开时，开关管661和663断开，开关管663导通，此时等效输出电流ieq等于电容器664两端的电压，该电压等于电流采样信号isen的峰值。

表征第一和第二通道led总电流的等效输出电流ieq被输送至误差放大器63。通过误差放大器63的作用，等效输出电流ieq的平均值被调节至参考信号vref，而参考信号vref受用户提供的第一调光信号dim1控制。因此，在前述双通道led驱动器100、200和300中，第一调光信号dim1调节了第一和第二通道led的总电流，即双通道led的总亮度。

由于第一调光开关111和第二调光开关112由第二调光信号dim2控制、且第一调光开关111和第二调光开关112互补导通，即第一通道led1001和第二通道led1002被互补点亮提供照明。因此，第二调光信号dim2调节了每个通道led的调光比例。例如，当第二调光信号dim2的占空比为40％时，经由光电耦合器114后由于被反相成反相信号dim0，则第一通道led1001的调光比例为60％，第二通道led1002的调光比例为40％。即在第二调光信号dim2的一个周期中，第一通道led1001的点亮时间占60％，第二通道led1002的点亮时间占40％。

图5为根据本发明实施例的双通道led驱动器500的电路结构示意图。图5所示双通道led驱动器500与前述双通道led驱动器相似，在图5所示双通道led驱动器500中，所述无线控制模块(rf/mcu)105的第二调光信号dim2和交流输入电压vac和/或整流电压vdc同步。具体来说，所述无线控制模块105包括：用户输入模块51，提供用户输入的第一调光信号dim1和调节信号dim；过零比较器52，接收表征交流输入电压vac(和/或整流信号vdc)的输入采样信号和零电压参考信号v0(如0.1v)，所述过零比较器52比较输入采样信号和零电压参考信号v0的大小，产生过零检测信号zd；同步触发器53，接收用户提供的调节信号dim和过零检测信号zd，产生第二调光信号dim2。其中所述第二调光信号dim2响应过零检测信号zd被复位、响应调节信号dim被置位，复位的优先级高于置位的优先级。

图5所示双通道led驱动器500的其他电路结构及运行原理与前述各双通道led驱动器相似，为叙述简明，这里不再详述。

前述双通道led驱动器100、200、300和500的功率变换器均采用隔离式变换器，然而本领域技术人员应该知道，双通道led驱动器的功率变换器也可采用非隔离变换器，如图6所示。

图6为根据本发明实施例的双通道led驱动器600的电路结构示意图。在图6所示实施例中，所述双通道led驱动器600的功率变换器包括升-降压型(buck-boost)变换器。所述buck-boost变换器包括：第一绕组31；耦接至第一绕组31的主功率开关32，所述第一绕组31在主功率开关32导通时存储能量，在主功率开关32断开时将能量提供至第一和第二通道led；第一从功率开关34，耦接至第一绕组31和主功率开关32；第二从功率开关35，耦接至第一绕组31和主功率开关32。

在图6所示实施例中，由于其功率变换器采用buck-boost变换器，因此第一调光开关111和第二调光开关112均为高端(high-side)配置，需要浮驱动。

在图6所示实施例中，由于其功率变换器为非隔离式变换器，因此第二调光信号dim2无需经由光电耦合器114。

图6所示双通道led驱动器600的其他电路结构及运行原理与前述各双通道led驱动器相似，为叙述简明，这里不再详述。

图7示意性的示出了根据本发明实施例的双通道led驱动器700的逻辑控制及驱动电路64的电路结构示意图。在图7所示实施例中，逻辑控制及驱动电路64包括：比较器81，接收补偿信号cmp和锯齿波信号vsaw，其中所述锯齿波信号vsaw在主功率开关32导通时线性上升、在主功率开关32断开时被复位，所述比较器81对所述补偿信号cmp和锯齿波信号vsaw进行比较，产生比较信号；最大断开时间电路84，提供最大断开时间信号tmax；逻辑电路82，响应最大断开时间信号tmax和表征副边绕组的电流是否过零的电流过零信号zcd(如通过一第三绕组检测该过零情况)被置位、响应比较信号被复位，产生逻辑信号；驱动单元83，接收逻辑信号，产生所述驱动控制信号dr，用以控制主功率开关32的运行。

在一个实施例中，所述最大断开时间电路84响应主功率开关32的断开状态开始计时，当计时达到最大断开时间时，产生最大断开时间信号tmax。

在图7所示实施例中，所述逻辑电路82包括rs触发器。

在图7所示实施例中，所述逻辑控制及驱动电路64还包括：逻辑或单元85，对电流过零信号zcd和最大导通时间信号tmax进行逻辑或运算，所述逻辑电路82响应所述逻辑或单元85的运算结果被置位。

如前所述，当某一通道led发生短路情况，该通道led的短路状态将被锁定；或者当两通道均发生短路情况时，其中一个通道led的短路状态将被锁定。则副边绕组电流将迟迟不降至零。若经过最大断开时间后，副边绕组电流依旧没有出现过零点，则最大断开时间电路84产生最大断开时间信号tmax。逻辑电路82响应该最大断开时间信号tmax，将逻辑信号置位，从而将主功率开关32导通，系统进入下一个开关周期。

本发明还提出了一种双通道led驱动器的短路保护方法。图8示意性示出了根据本发明实施例的双通道led驱动器的短路保护方法流程图800。所述双通道led驱动器用以驱动第一通道led和第二通道led，所述方法包括：

步骤801，接收输入电压，产生第一驱动电压和第二驱动电压，用以分别驱动第一和第二通道led；

步骤802，接收无线控制模块提供的第一调光信号和第二调光信号；

步骤803，根据第一调光信号调节第一和第二通道led的总电流；

步骤804，监测第一通道led和第二通道led的短路情况，当有一通道led出现短路情况时，锁定相应短路通道的短路状态，以触发短路保护；当第一和第二通道led均没有出现短路情况，根据第二调光信号调节第一通道led和第二通道led的调光比例。

在一个实施例中，其中所述第二调光信号与输入电压同步。

在一个实施例中，所述步骤804“监测第一通道led和第二通道led的短路情况，当有一通道led出现短路情况时，锁定相应短路通道的短路状态”包括：比较表征第一驱动电压的第一电压信号和零值参考信号，当第一电压信号小于零值参考信号时，控制与第一通道led串联的第一调光开关保持导通；比较表征第二驱动电压的第二电压信号和零值参考信号，当第二电压信号小于零值参考信号时，控制与第二通道led串联的第二调光开关保持导通。

在一个实施例中，所述方法还包括：将第二调光信号进行反相，得到反相信号，所述反相信号用来调节第一通道led和第二通道led的调光比例。

在一个实施例中，所述方法还包括：当两通道led均出现短路情况时，锁定其中一个通道的短路状态，以触发短路保护。

前述根据本发明多个实施例的双通道led驱动器和双通道led驱动器的短路保护方法，在有一个通道出现短路情况或者两个通道均出现短路情况时，及时锁定短路状态，从而将整个系统关闭(shutdown)；或者通过最大断开时间电路，在短路状态持续较长时间时，重新开启功率变换器，提供小功率，使系统进入下一周期，对系统进行保护。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。